蓄電池的充放電效率與內(nèi)阻測(cè)試方法及應(yīng)用*

陶其銘，陳 杰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230092）

近20年來(lái)汽車電子電器發(fā)展如火如荼，隨著電子信息技術(shù)和汽車制造業(yè)的不斷變革，汽車電子電器技術(shù)對(duì)車輛的各項(xiàng)性能產(chǎn)生重要影響。據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析，目前汽車的創(chuàng)新70%來(lái)源于汽車電子產(chǎn)品，電子產(chǎn)品成本占整車比例已經(jīng)從20世紀(jì)70年代的4%，成長(zhǎng)到現(xiàn)在的30%左右。這一數(shù)據(jù)未來(lái)仍將進(jìn)一步提升，預(yù)期到2030年該比例將可達(dá)到50%。隨著車輛電子電器件的配置越來(lái)越豐富，整車的用電需求也隨之增加，鉛酸蓄電池作為汽車的輔助電源，其充放電效率會(huì)大大影響到車輛電子器件的使用，進(jìn)一步影響到整車性能。因此對(duì)蓄電池的充放電效率的測(cè)試與內(nèi)阻監(jiān)測(cè)對(duì)整車能量的系統(tǒng)管理有著重大意義。

1 蓄電池供電原理介紹

鉛酸蓄電池作為汽車的輔助電源和發(fā)電機(jī)是并聯(lián)工作，如圖1所示。在發(fā)電機(jī)不工作時(shí)，例如啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、汽車處于駐車等情況下，蓄電池為汽車提供電能；當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，發(fā)電機(jī)開(kāi)始工作之后，蓄電池作為一個(gè)用電負(fù)載開(kāi)始消耗電能。

圖1 汽車供電原理示意圖

當(dāng)鉛酸蓄電池作為電源放電的時(shí)候，蓄電池內(nèi)部有如下化學(xué)反應(yīng)。

當(dāng)鉛酸蓄電池作為用電負(fù)載消耗電能的時(shí)候，蓄電池內(nèi)部有如下化學(xué)反應(yīng)。

鉛酸蓄電池充放電過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是先將電能通過(guò)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為化學(xué)能存儲(chǔ)在蓄電池中，再通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能輸出。由于電能-化學(xué)能-電能這個(gè)過(guò)程經(jīng)歷了兩個(gè)化學(xué)變化，再加上其它因素影響，中間會(huì)有部分能量耗散，且在放電或者充電的過(guò)程當(dāng)中，蓄電池的內(nèi)阻也分別與蓄電池當(dāng)前SOC存在一個(gè)關(guān)系。

2 蓄電池充放電效率與內(nèi)阻測(cè)試原理

本試驗(yàn)測(cè)試原理是利用IBS（智能電池傳感器）測(cè)試采集蓄電池電路的電壓、電流并通過(guò)上位機(jī)保存這些數(shù)據(jù)，利用采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后分別求出放電過(guò)程中的放電量Q和放電能量E以及充電過(guò)程中的充電量Q和充電能量E，其中電量由電流對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算得到，能量由電流與電壓乘積（功率），再對(duì)時(shí)間積分得到，通過(guò)公式η=Q/Q以及η=E/E分別求出容量效率和能量效率。

通過(guò)處理蓄電池完全放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)（完全充電試驗(yàn)數(shù)據(jù)）獲得任意時(shí)刻蓄電池當(dāng)前SOC及其對(duì)應(yīng)內(nèi)阻，進(jìn)而獲得完全放電過(guò)程中（完全充電過(guò)程中）蓄電池內(nèi)阻與蓄電池SOC之間的關(guān)系。其中放電過(guò)程蓄電池任意時(shí)刻內(nèi)阻計(jì)算公式如下所示。

R=（V-V）/I

式中：V——蓄電池開(kāi)路電壓；V——蓄電池放電時(shí)測(cè)到的蓄電池正負(fù)極柱之間的電壓；I——蓄電池放電電流大小。

充電過(guò)程蓄電池內(nèi)阻計(jì)算公式如下式所示。

R=V/I

式中：V——蓄電池充電時(shí)測(cè)到的蓄電池正負(fù)極柱之間的電壓；I——蓄電池充電時(shí)電流大小。

1）整車環(huán)境下蓄電池充放電效率測(cè)試方法：蓄電池在滿足試驗(yàn)準(zhǔn)備條件并且發(fā)動(dòng)機(jī)未啟動(dòng)情況下開(kāi)啟給定用電負(fù)載，放出一定電量后，關(guān)閉開(kāi)啟的用電負(fù)載并啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)保持怠速情況開(kāi)始充電，直至蓄電池的狀態(tài)再次達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)，關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，關(guān)閉汽車電源，一組試驗(yàn)結(jié)束。

2）實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上蓄電池充放電效率測(cè)試：蓄電池在滿足試驗(yàn)準(zhǔn)備條件的情況下，使用放電儀以一定電流讓蓄電池放電，放出一定電量后，關(guān)閉放電儀并使用充電電源給蓄電池開(kāi)始充電，直至蓄電池的狀態(tài)再次達(dá)到預(yù)定的狀態(tài)，一組試驗(yàn)結(jié)束。

3）實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上蓄電池內(nèi)阻與SOC關(guān)系測(cè)試：蓄電池在滿電情況下用一個(gè)外接恒定阻值負(fù)載進(jìn)行放電，直至蓄電池端電壓降到10.5V停止放電；然后使充電電源以與整車發(fā)電機(jī)輸出電壓相等的電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行恒壓限流充電，直至蓄電池滿電（一般以該電壓下充電電流達(dá)到1.2A蓄電池為滿電）停止充電，一組試驗(yàn)結(jié)束。3 蓄電池測(cè)試數(shù)據(jù)及應(yīng)用

3.1 充放電效率測(cè)試結(jié)果

從表1數(shù)據(jù)可以看出整車環(huán)境下A車蓄電池的能量效率和容量效率都要比B車蓄電池的效率高。從表2數(shù)據(jù)可以看出臺(tái)架上A車的容量效率高于B車蓄電池的容量效率，A車蓄電池的能量效率稍高于B車的蓄電池能量效率。

表1 整車充放電效率數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比

表2 實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架充放電效率數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比

3.2 蓄電池內(nèi)阻R與蓄電池SOC變化

3.2.1 完全放電過(guò)程

由圖2可以看出，在完全放電過(guò)程中，蓄電池SOC逐漸減小，蓄電池內(nèi)阻逐漸提高，當(dāng)蓄電池SOC降至20%以下時(shí)，蓄電池內(nèi)阻開(kāi)始迅速上升。

圖2 完全放電過(guò)程中蓄電池內(nèi)阻R與蓄電池SOC變化關(guān)系圖

3.2.2 完全充電過(guò)程

由圖3可知，在完全充電過(guò)程中，隨著蓄電池SOC的增大，蓄電池內(nèi)阻也在逐漸增大。當(dāng)蓄電池SOC大于80%后，蓄電池內(nèi)阻開(kāi)始迅速上升。

圖3 完全充電過(guò)程中電池內(nèi)阻R與電池SOC關(guān)系圖

4 總結(jié)

通過(guò)測(cè)試蓄電池的充放電效率，可以獲得蓄電池的能量轉(zhuǎn)換效率，為整車能量管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)參考。而通過(guò)實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架測(cè)試蓄電池內(nèi)阻與SOC的變化關(guān)系曲線，可以在整車環(huán)境下，根據(jù)蓄電池充電或者放電過(guò)程中的SOC預(yù)測(cè)蓄電池當(dāng)前電阻值，為整車能量管理系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)參考。