啟停系統太費電，有哪些供電好方法？

隨著(zhù)北美汽車(chē)市場(chǎng)對啟停系統的接受程度日益增加，各家廠(chǎng)商開(kāi)始考慮借助鋰離子電池、超級電容、48V“輕混”系統等一系列技術(shù)，應對相當車(chē)輛頻繁啟停，通常每天多達超過(guò)20次的工況。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，啟停系統的工作原理是通過(guò)減少發(fā)動(dòng)機空轉，達到降低車(chē)輛燃料消耗和排放的目的。

即使是最不可撼動(dòng)的鉛酸電池也開(kāi)始進(jìn)化了。如今，過(guò)去幾十年來(lái)最常用的傳統電池正逐漸被支持深度循環(huán)(deep-cycling)功能的增強型富液式蓄電池(Enhanced Flooded Battery，下簡(jiǎn)稱(chēng)EFB)和吸附式玻璃纖維隔板(Absorbent Glass Mat，下簡(jiǎn)稱(chēng)AGM)電池所取代。雖然電子元件的快速普及也是一個(gè)因素，但造成這一趨勢的關(guān)鍵原因還是在于啟停系統的崛起，而啟停系統會(huì )對電池的快充功能和使用壽命提出更高要求。

“一般而言，較大的12V AGM電池的使用壽命是傳統電池的4倍，這對汽車(chē)啟停系統目前的推廣非常重要。”通用汽車(chē)(GM)啟停系統全球總監Kathi Walker表示，“鋰離子電池的應用可在近期成為現實(shí)。”

雖然鋰離子電池可能終有一日會(huì )成大氣候，但目前由于其過(guò)于高昂的價(jià)格，并不適合用作車(chē)輛啟動(dòng)、照明和打火供電的主要電源。不過(guò)，鋰離子電池仍然可以在動(dòng)力系統之外發(fā)揮作用。

“如果要綜合考量性能與成本，鉛酸蓄電池和高級鉛酸電池仍是世界上最適合內燃機汽車(chē)的電源技術(shù)，而且這一情況在未來(lái)10年內不會(huì )改變。”全球最大的鉛酸蓄電池供應商江森自控(Johnson Controls)動(dòng)力解決方案部高級市場(chǎng)技術(shù)戰略師Craig Rigby表示，“這就是說(shuō)，我們可以通過(guò)新增鋰離子電池等技術(shù)，提高鉛酸電池的燃料經(jīng)濟性，以支持制動(dòng)動(dòng)能回收等更多的車(chē)內電動(dòng)功能。”

△江森自控正在不斷提高AGM電池的產(chǎn)量，以滿(mǎn)足北美市場(chǎng)對啟停系統的需求

目前，啟停系統正是驅動(dòng)汽車(chē)電池領(lǐng)域轉型的主要推力。美國阿崗國家實(shí)驗室曾在2015年發(fā)布了一份研究報告，分析啟停系統對車(chē)輛啟動(dòng)系統元件壽命的影響，其中也包括電池。研究顯示，傳統富液式鉛酸啟動(dòng)器電池的使用壽命與很多因素有關(guān)，其中受車(chē)輛啟動(dòng)次數的影響最小。事實(shí)上，真正影響電池使用壽命的因素，是發(fā)動(dòng)機頻繁啟停時(shí)不能充分為蓄電池充電，以及發(fā)動(dòng)機在停止狀態(tài)下的過(guò)度放電。由于放電深度的影響，每次發(fā)動(dòng)機熄火時(shí)，車(chē)內輔助設備的耗電對電池使用壽命的影響最大，也最直接。如果電池可以在發(fā)動(dòng)機兩次啟動(dòng)之間充分充電，上述的耗電對電池的影響幾乎可以忽略不計，甚至可以認為根本就不會(huì )產(chǎn)生影響。

與此形成對比的是，阿崗國家實(shí)驗室的研究結果顯示，無(wú)論發(fā)動(dòng)機的啟動(dòng)次數如何，如果車(chē)輛的電池一直無(wú)法達到滿(mǎn)充狀態(tài)，電池就會(huì )更快發(fā)生故障。研究同時(shí)發(fā)現，由于交流發(fā)電機的功率輸出較低，發(fā)動(dòng)機怠速時(shí)并不能為電池進(jìn)行有效充電，而駕駛過(guò)程中的充電效果最佳。

對于電氣系統設計師而言，為頻繁重新啟動(dòng)的發(fā)動(dòng)機提供電力僅是需要面對的挑戰之一。為了讓消費者接受帶有啟停系統的車(chē)型，保證車(chē)內音響和照明功能處于恒定狀態(tài)非常重要，這就需要12V電池所扮演的“緩沖”角色。

“在啟動(dòng)時(shí)，車(chē)輛的電系會(huì )經(jīng)歷一次電壓驟降，從而導致車(chē)內照明變暗等狀況。”Walker表示，“為了保證車(chē)內照明等功能的穩定性，車(chē)輛可以采用多種技術(shù)，保護車(chē)內元件不受電壓驟降的影響，從而在車(chē)輛啟動(dòng)過(guò)程中保證消費者的滿(mǎn)意度。這些技術(shù)包括雙電池設計、DC/DC轉換器和超級電容等。”

目前，市面上已經(jīng)出現了多款采用雙電池系統的車(chē)型，這種設計可以支持車(chē)內大量的耗電功能與應用。由于如今的車(chē)輛不僅采用了很多復雜的節能技術(shù)，而且還應用了多種多樣的安全功能，這種雙電池的設計也將日益普遍。

舉例而言，2016款2.5L雪佛蘭邁銳寶的啟停系統正是采用了雙電池設計：一塊12V電池位于發(fā)動(dòng)機蓋之下，另一塊則安裝在車(chē)尾。系統(為了加快啟動(dòng)速度而搭配了一個(gè)串聯(lián)螺線(xiàn)圈啟動(dòng)器)經(jīng)過(guò)特別校準，當車(chē)輛內燃機停止工作時(shí)，第二塊電池可以接收信號立刻接管車(chē)內的輔助系統供電負載，比如照明、空調、音響、車(chē)窗和門(mén)鎖的功能。此外，即使發(fā)動(dòng)機停止工作，車(chē)輛的空調此時(shí)仍然可以正常運行，只不過(guò)會(huì )轉換為低功率模式。

△基礎款2.5L邁銳寶啟停系統的示意圖，其中1代表12V AGM主電池;2代表雙電池隔離模塊;3代表為了保證車(chē)輛配重平衡而安裝在車(chē)尾的12V AGM輔助電池。

“雙電池系統可以在多個(gè)方面體現自己的價(jià)值，未來(lái)這種設計將越來(lái)越普遍，”Rigby表示，“兩塊電池可以在車(chē)輛的啟停過(guò)程中提供更穩定的電壓，還能為高級安全系統提供高級別的可靠性冗余。此外，這種雙電池、雙化學(xué)系統的設計也是性能和成本之間的最佳平衡，可以為汽車(chē)生產(chǎn)商和消費者提供最大的價(jià)值。”

通常來(lái)說(shuō)，車(chē)輛的第二塊電池多為48V系統。系統的電壓更高，驅動(dòng)停車(chē)攝像頭和整合式傳感器等功能就越容易。雖然48V系統優(yōu)勢多多，但專(zhuān)家稱(chēng)汽車(chē)行業(yè)未來(lái)可能仍會(huì )沿用12V系統。不過(guò)，起亞(Kia)公司曾在2016年芝加哥車(chē)展上發(fā)布了2017款Niro混動(dòng)多功能車(chē)，這款CUV并未搭配12V鉛酸電池，而是直接通過(guò)48V鋰電池組為車(chē)輛頭燈、擋風(fēng)窗雨刷等功能供電，而這些功能通常是由傳統的12V鉛酸電池支持的。

“更高的電壓可以降低系統的峰值電流。”德州儀器(Texas Instruments)商業(yè)發(fā)展經(jīng)理Stefano Zanella表示，“電池對其在特定安培小時(shí)內釋放的容量和負載電流非常敏感，充分利用電池的這一特點(diǎn)，可以有效延長(cháng)電池使用壽命、減少電纜尺寸，從而降低成本，并減輕重量。”

Zanella解釋說(shuō)，48V系統必須搭配DC/DC轉換器或第二塊12V電池工作，這是由于目前的汽車(chē)采用了大量成本非常低的12V元件，汽車(chē)生產(chǎn)商一時(shí)很難將這些元件全部替換為48V元件。