211071989_13L重卡启动蓄电池的选型与极寒启动验证

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2023/02·汽车维修与保养文/江苏胡光斓崔勇
蓄电池为汽车的电源系统，其作用分为两类：一是为起动机提供足够电能，保证车辆顺利启动；二是保证停车状态下用电设备正常运转。

通常蓄电池的选型需要考虑容量、放电电流、冷启动电流、驻车消耗等因素。

商用车是指在设计和技术特性上用于运送人员和货物的汽车，其驻车不启动发动机情况下的用电场景、环境，较普通乘用车更为严苛，因此蓄电池的选型尤为重要。

在极寒环境下，蓄电池的启动能力大幅降低，利用极寒启动试验验证蓄电池选型的正确性尤为必要。

一、商用车启动蓄电池的选型策略
铅酸蓄电池因其价格便宜、内阻小被广泛应用于汽车中。

虽
然国家标准GB/T 5008.1/2/3对启动型铅酸蓄电池(以下简称蓄电池)的技术条件、试验方法、尺寸规格有了明确的规定，但商用车启动蓄电池的实际选型还需要根据发动机的类型、发动机的阻力矩、车辆使用的气候条件、整车用电设备的配置，以及用户在车上用电的习惯等情况来确定。

图1所示为商用车电平衡电量传递关系示意图。

从图1中可以看出，蓄电池的供电主要有三个场景：一是提供起动机启动所需的电流；二是在发电机供电能力不足时需给用电设备补充供电；三是当发动机不启动时，给整车装备和用电设备(逆变器及负载、驻车空调等)供电。

因此蓄电池的选型不仅与启动有关，还需考虑整车装备和用电设备的功率和使用时长。

图1 商用车电平衡电量传递关系示意图
二、商用车启动蓄电池的选型过程
1.计算原理
蓄电池拖动起动机，是发动机启动的唯一动力源，因此，起动机功率是蓄电池选型的主要考虑因素。

根据国标GB/T12535《汽车启动性能试验方法》中的规定，启动发动机成功的标志是
使起动机输出的功率克服发动机的阻力，将发动机拖动到启动转速，因此起动机的启动力矩必须大于发动机的阻力矩。

启动蓄电池规格的确定可分为三步，如图2所示。

首先基于发动机阻力矩确定启动力矩，其次基于起动机特性曲线确定启动电流，最后基于启动电流，通过查表或者计算确定额定容量。

图2 蓄电池额定容量确定过程
(1)启动力矩
发动机的启动阻力矩包括摩擦阻力矩、压缩损失力矩、润滑油的黏稠度产生的力矩以及驱动发动机各种附件机构的力矩。

其中，摩擦阻力矩和压缩损失力矩又和温度、转速、汽缸的工作容积和发动机的型式有关。

发动机的启动阻力矩M C 通过发动机台架试验获得。

起动机启动力矩可由发动机阻力矩计算获得，如公式1所示。

M=[M C /(Z 2/Z 1)]/η (1)
式中，M-起动机启动力矩；M C -发动机启动阻力矩；Z 2-发动机飞轮齿环的齿数；Z 1-起动机驱动齿轮的齿数；η-起动机驱动齿轮与发动机飞轮齿环啮合传动的效率，工程计算一般取η=0.85～0.95。

(2)启动电流
图3所示为起动机温度特性曲线，在获得起动机启动力矩M 后，可以从图3中得出此力矩下所需的启动电流I(A)。

(3)额定容量
最后根据启动电流I，查找标准GB/T5008.2表6中I cc (A)(-18℃低温启动电流)所对应的20小时额定容量C n (Ah)，即可选择出所需的蓄电池基础规格。

也可以根据公式2进行蓄电池额定容量计算。

Q=(600～800)P/U (2)
式中：Q-蓄电池的额定容量(Ah)；P-起动机的额定功率(kW)；U-起动机的工作电压(V)。

2.重卡启动蓄电池选型
以某品牌13L重卡为例，通过台架试验和计算，确定蓄电池基础规格，额定容量为165Ah(I CC =850A)，其中I CC 的定义见
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GB/T5008.1，为-18℃低温启动电流。

值得注意的是，这里说的启动，不是指发动机的启动，是GB/T5008.1里定义的试验验证蓄电池按规定电流和时长放电后电压跌落的程度。

由于现在商用车整车配置丰富，接蓄电池常电的用电设备多，即使是点火钥匙“OFF”、电源总开关关闭，也有很多控制器电源是不受电源总开关控制的常电，在做好网络管理的情况下，还是有静态功耗耗电的情况，即静态电流。

静态电流影响整车静置的时长，常用公式3进行评价。

(3)
式中：x-经验系数，一般为30%～50%；I
D
-整车系统的静态电流。

目前很多商用车用于长途行驶，司机及伙伴的生活都在车上。

因此该重卡蓄电池的额定容量选型还需要考虑以下情况。

(1)逆变器功率。

司机经常会在发动机熄火休息的时候在车上通过逆变器做饭、烧水。

商用车的逆变器功率有1 000W 和2 000W两种配置。

(2)驻车空调功率。

在夏天晚上睡觉时，会打开驻车空调进行降温。

驻车空调的功率一般都在1 000W左右。

(3)其他用电器功率。

如冰箱。

因此在综合考虑整车静态电流功耗、用电设备的功率(车载逆变器、驻车空调、电冰箱等)和用户使用时长的情况下，该重卡最
终选用180Ah(I
CC
=900A)和330Ah(I
CC
＞
1 000A)两种规格的蓄电池来覆盖车型的
多种配置。

其中180Ah蓄电池装备基础车
型，满足启动和静态功耗。

330Ah蓄电池
装配高配车型，满足启动、静态功耗和生
活用电功耗需求。

经过实车验证，两种规
格蓄电池在大部分环境温度下，额定容量
70%以上SOC(蓄电池剩余容量与额定容
量的百分比)都能够拖动发动机顺利启动。

三、13L重卡启动蓄电池极寒性能
验证
蓄电池最佳的工作温度在
(25±5)℃，其相对容量随温度降低而
降低。

通常相对于25℃，每降低1℃，
相对容量下降0.8%。

在低温环境下，蓄
电池的受电能力和放电能力都会降低。

GB/T5008.1虽然对-29℃蓄电池低温启
动能力做了要求，但蓄电池在整车环境下，在拖动起动机瞬间需要释放的电流要远远大于起动机性能曲线(图3)里所需要的启动电流。

在我国黑龙江等地区，冬天气温最低可达-35～-40℃，且低温往往持续两个月。

在极低温度情况下，已经不能通过模型或者理论计算来确定化学反应释放的电能是否能满足启动要求。

选定的蓄电池能否在极寒的温度下顺利启动发动机是亟需验证的问题。

1.试验准备
极寒试验的试验设备主要有充放电设备、内阻测试仪和示波器，如表1所示。

首先确定试验时间。

通过天气预报App选择全天最低温度
在-35℃以下的天气。

一般一天的最低温度出现在当天早上6:00-
7:00之间，因此启动测试时间选在当天早上7:00-7:30之间进行。

其次设置蓄电池SOC。

蓄电池SOC与蓄电池容量和放电电说明：1-起动机输出扭矩和电流的关系曲线；2-常温下(20℃)启动电源电压和电流的关系曲线；
3-冷态下(-20℃)蓄电池放电状态PE=20%，启动电源电压和电流的关系曲线；4-常温下(20℃)
起动机功率和电流的关系曲线；5-冷态下(-20℃)蓄电池放电状态PE=20%，起动机功率和电流
的关系曲线；6-常温下(20℃)起动机转速和电流的关系曲线；7-冷态下(-20℃)蓄电池放电状态
PE=20%，起动机转速和电流的关系曲线。

先用充放电设备将蓄电池充满电，如图4所示。

再根据计划设定的SOC进行放电。

将设置好容量的蓄电池连接到整车上，断开蓄电池负极与线束的连接，随整车一起置于
室外温度环境中8h以上。

蓄电池SOC=(蓄电池20小时率容量-放电电流I
20
×T)/蓄电池20小时率容量 (4)
式中：I
20
-蓄电池20小时率容量/20；T-放电时长。

2.试验过程
(1)用蓄电池内阻测试仪测量
蓄电池内阻，如图5所示，检测
蓄电池健康程度；
(2)将蓄电池负极与整车蓄电
池线束负极相连，确保连接可靠，
不虚接；
(3)连接电流钳至蓄电池线束
正极上，检查电流钳的方向是否与
钳上标注的一致，确认测试设备工作正常；
(4)启动蓄电池电流监控软件，调试好测试参数；
(5)操作整车一键启动(PS)开关或转动钥匙开关到“ON”档，让发动机进行预热，监控发动机预热电流；
(6)发动机预热指示灯熄灭，预热结束，操作PS开关或转动钥匙开关到“ON”档启动发动机，正常测试3组启动数据；
(7)通过示波器采集蓄电池放电电流，并保存，图6和图7分别展示了启动成功和失败的放电电流波形；
(8)测试结束后，将测试用蓄电池在室温(25±5℃)下静置5h，测量蓄电池电压值，并记录。

3.结果分析
某品牌13L重卡蓄电池极寒试验数据列于表2。

从表2中可以得知，在环境温度-35℃及以下，330Ah蓄电池低温启动能力不足。

在环境温度-34℃及以上，相对容量率SOC65%以上，具备低温启动能力。

环境温度-34℃以下，对180Ah蓄电池的低温启动性能影响不大，同时当相对容量率SOC 在70%及以下时，180Ah蓄电池放电能力低导致冷启动能力不足。

因此建议，在极寒温度环境下，用户尽量不要在不启动发动机的情况下消耗蓄电池的电量，否则容易造成电量不足，从而导致发动机无法启动。