混合动力汽车低压蓄电池充放电管理

Design ●Research 设计●研究

混合动力汽车低压蓄电池充放电管理

包寿红1，余才光1，马智涛1，张

彤1，孟

刚2，韩

磊2

（1. 吉利汽车研究院有限公司电子传动分院，上海

201500；

2. 湖北骆驼集团研究院有限公司，湖北谷城441705）

摘要：结合铅酸蓄电池的工作原理，简要说明蓄电池大电流充电和长期亏电状态下对蓄电池产生的危害；通过混合动力汽车具有DC/DC功能的PEU 等模块完成低压蓄电池的充放电管理，用以解决常规汽车无法实现低压蓄电池稳压限流的充电模式和电源在ACC/ON档状态下自起动充电的功能。

关键词：混合动力；铅酸蓄电池；充放电管理中图分类号：U463.633

文献标识码：A

文章编号：1003-8639（2012）10-0025-04

Charging and Discharging Management of Low -voltage Battery for Hybrid EV

BAO Shou -hong 1, YU Cai -guang 1, MA Zhi -tao 1, ZHONG Tong 1；MENG Gang 2, HAN Lei 2（1. Electric Powertrain Branch, Geely Automobile Institute Co., Ltd., Shanghai 201500, China ；

2. Hubei Camel Group Institute Co., Ltd., Gucheng 441705, China ）

Abstract ：Based on the working principle of lead -acid battery, the damage to the battery caused by high current charging and long -term power shortage are briefly described. The PEU modules with the function of DC/DCcan realize the charging and discharging management of low -voltage battery on hybrid EV. Thus it can realize the charging mode with constant voltage and limited current for low -voltage battery and the self -start charging under ACC/ONcondition for power supply.

Key words ：hybrid; lead -acid battery ；charging and discharging management

混合动力轿车有两类电池，一是高压蓄电池（或称动力电池）；二是低压蓄电池，与传统车一样，低压蓄电池为整车电器提供12V 的工作电源。高压蓄电池有比较完整的管理系统BMS ，可以进行合理的充放电管理，确保高压蓄电池的正常工作，延长其使用寿命。而低压蓄电池一般是通过DC/DC装置，将高压蓄电池的电源转化为14V 的电源对低压蓄电池进行充电（类似传统车的发电机对蓄电池充电）。由于低压蓄电池没有专门的充放电管理系统，何时充电以及以多大的电流充电没有一个合理的规范，很容易造成低压蓄电池的损坏。主要表现为两点。

蓄电池电动势升高，同时伴随水的电解，电解过程中将有气泡产生。

充电时化学反应总方程式为：

2P b SO 4+2H2O →P b O 2+Pb +2H2SO 4

水电解过程中的副反应：正极负极

（1）（2）（3）

H 2O →1/2O2+2H++2e-2H ++2e-→H 2

从式（2）、式（3）两个反应式可以看出，充电过程存在水的分解反应，这种分解反应在大电流过充电时更为明显。

蓄电池的放电过程是充电过程的逆过程，是将化学能转化为电能的过程。放电过程中，硫酸浓度下降，正负极上的硫酸铅增加，电池的电动势降低，电池在放电后两极活性物质均转化为硫酸铅。

放电时化学反应式为：

1）在蓄电池电量出现严重亏空的情况下，DC/DC 装置给蓄电池充电的电流异常大，并持续较长时

间而造成蓄电池损坏。

2）在ACC/ON电源状态下，长时间使用电器，

在此基础上又长时间的停放，蓄电池电量一直处于亏空状态，造成蓄电池损坏。

P b O 2+Pb +2H2SO 4→2P b SO 4+2H2O 22.1

蓄电池充放电管理蓄电池充电管理

蓄电池充电过程中的影响因素

（4）

1铅酸蓄电池充放电过程[1]

蓄电池充电过程是将电能转化为化学能在电池

2.1.1

１）大电流充电对蓄电池的影响

大电流充电对蓄电池的危害之一是造成极板活

内储存起来的过程。这个过程中电解液浓度增加，

收稿日期：2012-06-14

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设计●研究Design ●

Research

性物质大量脱落，特别是在大电流过充电的情况下。由于在充电过程中伴随着水电解的副反应，充电电流越大反应越激烈，如式（２）、式（３）所示，水电解后产生大量的氢和氧，当氢气从负极板的孔隙内向外冲出时，造成活性物质脱落。活性物质的脱落会使蓄电池容量下降，而且容易形成自放电和极板短路故障，因此在蓄电池充电过程中必须对充电电流进行限制。

大电流充电危害之二是蓄电池内部温升较快，特别是大电流持续较长时间。由于蓄电池散热不佳，很容易产生过热，使蓄电池的内阻下降，反过来又使充电电流进一步增加，内阻则进一步下降，如此恶性循环持续下去会出现热失控，造成蓄电池壳体严重变形以及相关线路温升急剧上升。

如果SOC 值小于设定值，则起动发动机带动发电机，经PEU 逆变器给动力电池充电，同时通过DC/DC逆变器对12V 蓄电池充电，并与12V 蓄电池一并给整车低压电器供电。

由于DC/DC逆变装置电源输出端和12V 低压蓄电池正极电源输出端并接在一起，作为整车用电器的电源输出，因此整车用电器和蓄电池都受DC/DC输出电流的影响。如果为了保护蓄电池而限制DC/

２）温度对蓄电池的影响

温度对蓄电池影响之一是蓄电池的容量，主要原因是温度变化时电解液粘度发生变化，影响了极板孔隙内的活性物质利用率。二是对蓄电池内阻的影响，因此间接影响了充放电时蓄电池的端电压。

图１是容量为１００Ah 的新蓄电池，以0.1C 倍率的标准恒定电流在不同环境温度下的充电特性曲线。温度在0~5℃时，其充电端电压会上升约2％，在

DC 的输出电流，有可能会出现无法满足用电器出现

大负荷电流的要求；如果为了满足用电器大负荷电流的需求不限制DC/DC的电流，又会对蓄电池造成损害。因此这种充电电路必须能满足蓄电池小电流充电的要求，同时又要能满足大负荷用电器对电源的要求，图3就是按上述要求专门设计的电路。

10～25℃时充电端电压上升约1.5％，而在35～40℃时

充电端电压下降约1％，当温度高于55℃时充电端电压下降5％。由此可见，在充电过程中，温度的改变会对充电电压产生一定影响，造成蓄电池在冬季充电可能不足，而在夏季可能过充[2]。

图3

稳压限流充电电路结构

在图3的电路结构中，ACC 或ON 档状态下使用

DVD 、点烟器等车载用电器，DC/DC逆变装置不工

作，由12V 蓄电池通过续流二极管沿相关电路给用电器提供电源。

在READY 或行车状态，DC/DC逆变装置开始工作，一是通过与车载用电器连接的电路给车载用电

图1

蓄电池充电特性曲线

器提供电源，所需的电流大小由用电器的实际负载大小决定，但最大不能超过DC/DC逆变器的最大允许输出电流。二是通过稳压限流装置给蓄电池充电，稳压限流值与使用的蓄电池规格有关，充电的电流大小取决于蓄电池实际电量。当蓄电池电量不足出现亏电时，这时的充电电流值最大，但由于稳压限流装置限流的作用，电流大小一般不会超出1C 倍率充电，确保蓄电池的活性物质不因电流过大造成脱落；充电一段时间后，蓄电池的端电压持续上升，充电电流逐渐下降，当蓄电池的端电压接近或达到稳压值时，充电电流趋近于零并一直维持。当

2.1.2稳压限流的电路结构及充电方法

在混合动力汽车中，由于发动机时常处于停机状态，靠发动机带动的发电机无法正常给12V 低压蓄电池充电，因此给12V 蓄电池充电的功能由DC/DC逆变装置实现，该装置一般集成在动力电池BMS 或是电机控制器PEU 中。图2是某款混合动力车型的

DC/DC逆变装置，该装置集成在电机控制器PEU 中。

当动力电池电量SOC 大于设定值时，动力电池直接输出电流经DC/DC逆变器给12V 蓄电池充电；

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出现用电器负载突增时，蓄电池通过续流二极管辅助DC/DC逆变装置给整车提供电源。

在蓄电池充电过程中，电流传感器检测蓄电池的实际需求电流，通过触发器控制稳压限流装置输出蓄电池所需的电流值，并限制最大充电电流。温度传感器检测蓄电池实际温度，稳压限流装置根据蓄电池的实际温度以及图1的充电曲线适当调整充电电流，避免出现在冬季充电可能不足，而在夏季蓄电池可能过充电的现象。当蓄电池温度出现异常时（超过设定的极限温度），稳压限流装置可暂停给蓄电池充电，并发出警示。

表1是某款车型12V 蓄电池稳压限流充电装置给65Ah 蓄电池充电的电流、电压值，最大充电电流限制在1C 倍率范围内，即电流最大不超过65A 。为了能明显区别限流的效果，采用了亏电状态和不亏电状态的蓄电池进行充电对比。

表1蓄电池充电电压/电流值

时间

电压1电流1电压2电流2时间电压1电流1电压2电流2

从图4的电流1曲线可看出，由于蓄电池亏电，电动势E 很低，因此充电电流很大，但由于限流的作用以及温度对充电电流的调节，在60A 左右开始趋于稳定并维持一定的时间，然后开始下降；如果没有限流的作用，充电电流将会沿虚线部分充电，电流将会接近75A ，然后较快地下降。电流2曲线由于最大的充电电流为34.5A ，未达到限流的设定值，因此电流不会在35A 左右稳定一定的时间，而是较快的速度下降。从图4可看出，正是由于限流的作用，即使蓄电池在亏电的状态下充电，充电的电流也不会超出设定的电流值，从而避免了大电流对蓄电池的伤害。

2.22.2.1

蓄电池的放电管理

蓄电池放电过程中的硫化现象

由式（4）表明，蓄电池在放电过程中，两极

活性物质均转化为硫酸铅。充电不足或者充足电量的蓄电池因过量放电，譬如在ACC 状态下长时间使用音响设备等，使电解液中存在大量的硫酸铅，如果车辆长期放置不用，硫酸铅就会从电解液中析出，极板上会逐渐生成一层白色的粗晶粒的硫酸铅，这种物质很难在正常充电时溶解还原成活性物质（称为硫酸铅硬化）。同时这种物质会堵塞极板的孔隙，阻碍电解液的渗入，导致容量下降，内电阻增大，起动和充电性能明显下降。充电时，充电电压和电解液温度会异常升高，并过早发生气泡；放电时，电压下降很快，严重影响蓄电池的寿命。

/V14.814.714.714.814.814.914.914.9

/A19.118.517.916.714.712.91110.4

/min

012346810/V11.913.413.513.713.813.813.914.1/A054.760.56260.15549.651.4/V12.614.114.214.314.714.714.714.7/A034.531.729.623.922.421.320.5/min[**************]0/V14.314.514.714.814.91515.115.1/A45.431.128.522.417.61375.5

2.2.2

表1中，电压1和电流1是亏电状态的蓄电池充电数据（将蓄电池放电至9V ，静止30min 后电压恢复至11.9V ，直接起动车辆进入READY 状态进行充电）；电压2和电流2则是正常状态的蓄电池（12.6V ）的充电数据。在充电过程中每隔2min 左右记录一次。为直观起见，将表1数据用图4的曲线表示。

ACC/ON电源状态下的自充电方法

传统汽车在ACC/ON电源状态下，如果长时间的使用音响等电器，由于发动机没有工作，因此交流发电机无法给蓄电池及时充电，很容易使蓄电池过度放电，如果车辆再长时间停放，蓄电池就会出现极板硫化的现象，影响了蓄电池的使用。

在混合动力车型中，由于采用了智能起动系统，通过PS 模块（或者HCU ）实时检测蓄电池的电压，当蓄电池电压下降到所允许的下限值时自动起动充电系统，就可以达到防止蓄电池出现过度放电的现象，从而避免蓄电池出现极板硫化的问题。

图5是某混合动力车型蓄电池自充电系统拓扑图，该系统主要由无钥匙起动系统PS 、整车控制器

HCU 以及电池管理系统BMS 和电机控制器PEU 组成

（PEU 内含DC/DC功能），可以将直流288V 的动力电

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源转换成低压直流电源给12V 蓄电池充电。

蓄电池自充电系统工作过程如下。

而混合动力车可以采用DC/DC模块以及动力电池管理系统BMS 、发动机控制器EMS 、无钥匙起动系统PS 、整车控制器HCU 等共同完成对低压蓄电池的管理，在充电过程中，当蓄电池电动势较低（亏电状态）出现大电流充电时，可以对大电流进行限制，并通过温度的检测对充电电流进行适当调节；当电源在ACC/ON档位使用音响等设备时，如蓄电池端电压降到所允许的设定值时，蓄电池自充电系统将自动起动进行充电，可有效防止蓄电池电量不足又长期放置出现的极板硫化现象的发生，确保低压蓄电池的正常工作，减少DC/DC向低压蓄电池的充电量，提高系统节油率，这也是混合动力车有别于常规动力车的特点之一。参考文献：

1）整车电源处于ACC 或ON 状态时，由于较长

时间内使用音响等电器，使蓄电池电压有所降低，当PS 模块内部电源监测电路检测到电压低于设定值时，开始进入自行充电模式。

2）PS 模块控制相应的电路闭合，并向HCU 提

出充电请求。

3）HCU 进行诊断，确认进入READY 的条件满

足，则接通主继电器，使PEU 、BMS 、EMS 进入工作状态，并起动DC/DC转化，如果同时检测到动力电池SOC 值低于设定值时，起动发动机充电。

4）动力电池的SOC 值充电到设定值时，停止

发动机充电，保持READY 状态，以备随时行车需要。

5）如不需使用电器，可按PS 模块上的POWER

开关退出，使电源回到OFF 状态。

根据上面所述的工作过程，将其转化成图6所示的蓄电池自充电流程图。

[1]蓄电池维护保养手册[Z].湖北骆驼电池股份有限公司，2007. [2]杜

军. 基于P89V51RD2的多功能蓄电池充电系统设计[J].国外电子元器件，2006，（7）：53-57.

[3]GB/T5008.1-2005起动用铅酸蓄电池技术条件[S].中华人

人民共和国国家标准，2005.

（编辑

（上接第24页）

李翩）

车路试及可靠性测试，其各电气子系统工作运行良好，未出现电线过热，熔断器意外熔断等现象。对

CAN 节点进行了总线网络仿真分析和实车测试，结

果表明：网络节点功能分配合理，网络负载率不超过35%，实现报文可靠、实时地进行传输，误码率不到2‰，使测控系统的准确性、可靠性、实时性以及测试效率得到很大的提高。参考文献：

[1]王宏亮. 纯电动汽车整车建模与仿真[D].哈尔滨：哈尔滨

工业大学硕士学位论文，2005.

[2]董坷. CAN 总线技术及其在混合动力电动车上的应用[J].

清华大学学报：自然科学版，2003，43（8）：1130-1131.

[3]陈清泉，孙逢春. 混合电动车辆基础[M].北京:北京理工大

学出版社，2001.

[4]黄俊，王兆安. 电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版

3结论

铅酸蓄电池正常使用寿命一般为2年，如使用

社，1996：207-233.

[5]国际电工委员会. IEC 60364-5-5231983. 建筑物电气装

置第五部分的第523节载流量[S].

不当，蓄电池容易出现极板硫化和活性物质脱落，以及由此造成的自放电和内部短路问题。传统车中蓄电池充电由发电机提供，而发电机提供的充电电源只稳压而不限流，因此不能控制大电流充电的现象发生；在ACC/ON档位使用音响等设备时，传统车的蓄电池放电后不能得到及时补充，因此会出现蓄电池电量不足，如果长期放置，就会出现极板硫化的现象。

[6]

SAE J1939-71-2006，道路车辆-车辆应用层[S].

（编辑孙韶华）

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