电能储存器及其应用技术

1.电能储存器特性参数

在汽车电气系统中，电能储存器（一般为蓄电池）的任务是储存由发电机产生的电能；在发动机怠速或发动机停机时，在需要电能时依靠储存的电能向用电器件供电；特别是蓄电池要在短时间内能提供大电流以起动低温下的发动机。在常规的电气系统中使用铅蓄电池。它的最重要参量是额定电压U_N和额定容量K_N。铅蓄电池额定电压由多个2V单格蓄电池电压串联而成。实际上单格蓄电池的空载电压约在放完电和充满电状况的1.94～2.14V间变动。典型的电气系统中的蓄电池额定电压在乘用车上为12V，在商用车上为24V。按DIN标准额定电压的定义为电量，即在20h以内以等电流放电至每单格蓄电池降到1.75V时的放电结束电压，这时的等放电电流为I₂₀。另一个特性参量是冷试验电流I_-18。按DIN标准，在以电流I_-18放电，在放电开始后30s，单格蓄电池电压至少为1.5V，和在放电开始后150s，单格蓄电池电压至少为1V。36Ah容量蓄电池冷试验电流约为150A，它是设计起动机的最重要参数。

在部分的电驱动汽车（混合动力汽车）上，铅蓄电池不能满足充电—放电循环和能量的要求。为此，作为补充需要采用功率在50kW范围和为部分地区的电驱动所需的几千瓦时容量的镍—金属混合物或锂—离子蓄电池。

除蓄电池的能量密度和功率密度外，作为储存能量持久性的蓄电池的其他一些重要参量是日历寿命、充放电循环强度、耐温性。为保证蓄电池充、放电循环强度和监控蓄电池状况，与监控现代12V电气系统类似，要在工作时监控铅蓄电池单格蓄电池组以及监控锂—离子蓄电池单格蓄电池的充电补偿，并控制充、放电循环。蓄电池应在平均充电状况的±10%范围工作，以保持最小的放电电流，提高蓄电池寿命。

由于高功率电容器（SuperCaps）的低能量密度和高功率密度，常使用在牵引的电气系统中，以满足动态功率要求。目前高功率电容器主要用于制动能量回收和汽车加速时的电能辅助（转矩辅助、助力器）。这种储能形式不适用于单纯的汽车电驱动。各种储能器的功率密度和能量密度表示在图5.7-14中，这种图称为Ragone图。

2.铅蓄电池工作性能

（1）放电　图5.7-15表示蓄电池在等电流放电时电压的典型变化。在放电开始的短时间，电压跌到一定的值。该值在达到完全放完电（即所谓的放电结束）几乎没有大的变化，直至电压由于蓄电池中的硫酸和/或正、负电极的活性物质消耗而崩溃。

图5.7-14 各种储能技术的Ragone图

图5.7-15 等电流放电时蓄电池电压变化

重要的是可放的电荷随放电电流的变化情况。随着放电电流增大，与20h有关的放电电荷值减小。这种变化关系表示在图5.7-16上，并可用Peukert公式近似地表示为：

Iⁿ·t_E=常数(www.xing528.com)

式中，I为放电电流；t_E为放电时间；Peuket系数n=1.2～1.5。

在放电电流为200～300A的起动情况下许可放电蓄电池额定电荷的45%。但这仅适用于到放电结束时的等起动电流流动。因为起动时间一般只有几秒，所以与蓄电池额定容量相关的放电电荷不大。起动过程要求蓄电池短时间内发出大电流和高的功率密度，而为起动发动机所需的能量和能量密度则较小。

图5.7-16 可放的电荷随放电电流的变化（Peukert系数=1.3）

（2）充电　蓄电池充电可分等电流充电和等压充电两种不同方式。在汽车电气系统中用限制电压给蓄电池充电，即在达到由发电机调压器调节的、低于“起泡电压”的电压边界时自动降低充电电流和避免有害的过充电。过充电会导致水的分解和蓄电池栅格腐蚀。气泡电压受温度的影响很大。在20℃时充电电压值应限制在约（14.1±0.3）V，温度梯度为（-7～10）mV/K。在环境温度为50℃时调节充电电压值为13.8V。为监控蓄电池状况和提高寿命，在常规的电气系统上不断采用蓄电池管理系统。管理系统可从蓄电池特性参数算出有关蓄电池充电状况（SOC）、老化状况（SOH）和工作能力（SOF）的信息和在询问的基础上再传输给电能管理系统。

为实现对蓄电池寿命和电能的可支配性要求，蓄电池管理系统对高可靠性的电气系统或牵引力（电驱动）电气系统是不可缺少的一个系统。

目前对像电液制动EHB有重大安全性关系的线控（X-by-wire）系统采用带蓄电池管理的双蓄电池系统（图5.7-17）。这种可靠的电气系统在电子/电气器件故障时，采用作为工程上的冗余返回到液压或机械的功能部件上，可满足与安全性有重大关系的一些系统的要求。

图5.7-17 双蓄电池电气系统

参考文献