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。
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12 V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。
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。
1 铅酸蓄电池充放电过程
蓄电池充电过程是将电能转化为化学能在电池内储存起来的过程。 这个过程中电解液浓度增加,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:
2PbSO4+2H2O→PbO2+Pb+2H2SO4(1)
水电解过程中的副反应:
正极 H2O→1/2O2+2H++2e-(2)
负极 2H++2e-→H2(3)
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:
PbO2+Pb+2H2SO4→2PbSO4+2H2O (4)
2 蓄电池充放电管理
2.1 蓄电池充电管理
2.1.1 蓄电池充电过程中的影响因素
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。