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从奇骏发电机性能参数分析智能充电系统拆除电流传感器的潜在风险

1 82 发布于 2020-05-02 16:01:28 只看楼主修改帖子

近期，许多车友对奇骏17款以后的环保型车及带自动启停车型的蓄电池充电问题产生困扰，发现市区正常上下班用车情况下，蓄电池往往充不满电，长时间处于亏电状态，受新冠肺炎防疫期间长时间不用车影响，再加上一些后加装的行车记录仪、GPS等附加用电设备增加耗电，导致车辆启动困难,于是部分车友为了能让电池充满电，拆除了电池负极上的电流传感器，不让智能充电系统参与管理，直接让发电机“裸奔”充电……这样是否会对车辆和电池带来什么负面影响呢？

要搞清楚这个问题，先来看看铅酸蓄电池的原理。汽车启动用电池，目前不管是普通免维护铅酸电池还是EFB、AGM电池等，本质上还是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池的充、放电过程实际上是个电能和化学能的相互转换过程。

简单的讲：电池的放电是金属极板与电解液中的***发生化学反应，使电子由负极迁移到正极产生电动势对外放电、并使电极表面产生金属化合物、电解液中***减少水分增多，将化学能转变成电能；

而充电则相反，是外界施加电能将电极上金属化合物还原成金属，外电场使电子从正极迁移到负极、并使电解液中***增多水分减少，将电能转化为化学能。

既然是化学反应就有个反应速度问题，加大充电电压和电流固然可节省充电时间，但当化学反应速度跟不上时，电能就有一部分对水电解做功变成热量了，不仅无法将电池充“满”，而且热量导致的高温集聚使电解液沸腾气化会损坏电池的极板，减少使用寿命,极端情况还会引起爆炸……充电是一个在合适的速度上，以最快的速度恢复电池性能而又不能过热折寿的过程。因此，市面上专业的蓄电池充电机都设计成分段式程序充电，在充电的不同阶段，采取不同的电压、电流和时间，以达到最佳的充电效果又不损害电池寿命。

一般来说，充电电流的大小由蓄电池的容量C来确定（例如容量50AH的电池，C=50A），充电电流小于0.1C时，称为涓流充电（浮充），涓流充电能够把电池充的很足而不伤害电池寿命，但用涓流充电所花时间太长，因此很少单独使用，而是和其他充电方式结合使用。充电电流在0.1C～0.2C之间时，称为慢速充电。充电电流在0.2C～0.8C之间则是快速充电，充电电流越大，越容易产生极化效应，就越难以将电池充满。充电电流大于0.8C时，称为超高速充电，顶多只能充到80%的电量就充不进去了。一些特殊场合，甚至使用了2C～3C的充电电流，其发热问题尤为严重，对充电时间需要更严格的控制。

另一个概念就是，对电池充电一定要有压差，有压差才有电流，输出为12V的充电机是无法对已经12V的电池充进去电的，标称12V的铅酸电池完全充满后实际有12.8V～13.0V（开路电压），加上浮充虚电可达13.3V左右，以及克服电池内阻损失，所以要给12V的电池充满电至少要13.5V以上的外加电压。市售常规12V蓄电池充电器的恒流充电电压一般分为浮充电压（13.5～13.8V）、均充电压（14～14.5V）、快充电压（14.8～15.3V）等几个档位。

下面说说车载发电机是如何给电池充电的。汽车正常行驶时，由于交流发电机的转子是由发动机通过皮带驱动旋转的，发动机的转速从最低约650转/分到最高约7000转/分甚至更高，转速变化范围很大，引起发电机整流后输出的直流电压发生较大变化，无法满足汽车用电设备的工作要求。为使发电机输出电压在不同的转速下基本保持恒定，且能随发电机转速的变化而自动调节，就必须在发电机上内置电压调节器，从而保证整个汽车电气系统的正常工作并延长汽车电气设备的使用寿命。调节器是靠控制励磁电流来达到稳定输出电压目的，篇幅关系就不详细介绍了。汽车发电机调节器输出电压（或充电电压）对蓄电池的使用寿命有着很大的影响，既要保证蓄电池能充上电以满足车辆用电需求，又要保护蓄电池以免过度充电而影响寿命。对于常规12V的汽车电器系统，调节器调节发电机的输出电压范围一般在13.8－14.4伏之间，对蓄电池的充电也是相对“恒压充电”方式。

车载发电机的特性曲线有空载特性、外特性、输出特性（负载特性）等，这里仅介绍与本文有关的负载特性：电压一定时，工作转速范围内，转速与输出电流近似呈线性比例关系，即转速越高、输出电流越大，直到很高转速时，电流不再增大趋于稳定达到最大值。

了解以上基本概念后，再来看看14款奇骏常规充电发电机的参数。蓄电池为普通免维护铅酸电池，型号80D23L，12V，62AH，冷启动电流538A，采取常规恒压充电系统。

标称额定值：输出电压14V，最大输出电流120A（输出电压基本恒定ΔU=0.6V，具备最大输出电流120A能力）

无负荷情况下的最小转速：小于1200rpm（此参数反映了发电机能进行充电的最低转速，即蓄电池在13.5V充满或即将充满状态下，1200转仍可以进行浮充充电）

调节输出电压：14.0-14.6V（说明发电机在最低转速时，也可以保证有14V额电压输出，在最高转速时，输出电压也不会超过14.6V）

热输出电流：大于96/2500 A/rpm、大于117/5000 A/rpm（说明发电机输出电流随转速变化，发电机2500转/分时，输出电流超过96A，5000转/分时，输出电流超过117A）

根据14款奇骏维修手册的介绍，其电池充电并非完全由发电机的电压调节器（控制模块）控制，而是有车载其他智能模块参与综合管理：联接在电池正极的IPDM（智能配电模块）根据全车电器用电情况，确定发电机的输出，并发送“电压请求信号”给ECM（发动机控制模块）必要时请求提高怠速，ECM转发“电压请求信号”给发电机的控制模块，使发电机开始调压输出，并接收发电机反馈回的信息判断工作状态是否正常，在仪表盘显示充电状态指示灯；接到发电指令后，发电机内置电压控制模块再控制输出稳定的电压对电池进行充电。

发动机输出皮带轮与发电机皮带轮的传动比一般为1：2左右，发动机启动后进入稳定状态（按最低怠速600～650rpm），发电机的最低转速就不会低于1200～1300rpm，就会有14V的输出电压给蓄电池充电，至于充电电流有多大，取决于蓄电池本身当前的储电量大小和发动机（发电机）的转速，按发电机负载特性，蓄电池电压越低、发动机转速越高，充电电流就越大。按最常态的工况，蓄电池启动车辆时耗电最大，产生较大压降，如果启动后稳态电压降到11.5V或更低，而发动机启动后，从怠速650转至2000转是最常用的转速范围，因此发电机转速约在1300～4000rpm之间，按发电机的负载特性及14款奇骏所配发电机的性能参数（117A/5000rpm）推算，均会以不低于14V、不小于30A～94A的电流对蓄电池充电，按电池容量C=62AH衡量，相当于以0.5C～1.5C的电流强度充电，属前述的快速至超高速充电范畴，可快速将电池充到约八成满（据我的车上观察大概耗时20～30分钟），即使在车辆爬坡、超车等大负荷用车情况下，发动机转速达到2500rpm或以上，此时发电机转速有5000rpm以上了，在调节器作用下，输出电压达到14.6V不再升高，充电电流也达到最大120A，充电强度仍控制在1.9C左右。随着充电的进行，电池的电压和发电机输出电压的压差越来越小，充电电流也越来越小，进入涓流充电状态，逐渐将电池充到约九成以上接近充满，电池输入输出基本平衡（车上电压表保持在13.6～13.8V）。由于行车中电池处于不断的耗电、充电平衡中，一般不会造成电池过充现象，缺点就是发电机在一直处于消耗能量状态。当然不排除某些极端情况，电池已充满电，车上电器耗电较少，而发动机长时间处于较高转速状态，如爬盘山公路、下山挂挡发动机制动等，长时间以最大14.6V充电，仍会导致电池过充、电解液过度发热冒泡蒸发现象，影响蓄电池使用寿命。奇骏T32维修手册中未找到关于电池过充保护的内容，如果IPDM或ECM有保护机制的话，就不存在过充问题了。

再来看看新款奇骏带可变电压充电系统的充电发电机参数。蓄电池为EFB启停电池，型号6-QW-70(720)，12V，70AH，冷启动电流720A，采用可变电压充电技术充电。

标称额定值：输出电压14V，最大输出电流150A，表明发电机比上述常规发电机具有更强的充电能力。

无负荷情况下的最小转速：小于1500rpm，即蓄电池在13.5V充满或即将充满状态下，1500转仍可以进行浮充充电，比常规发电机提高了300转，低速充电能力有所下降。

热输出电流：大于84/1800 A/rpm、大于124/2500 A/rpm、大于151/5000 A/rpm，说明发电机输出电流随转速变化，发电机1800转时，输出电流超过84A；2500转时，输出电流超过124A；5000转时，输出电流超过151A。充电电流提高，充电能力增强。

调节输出电压：12.0-14.8V，这个参数就与常规发电机有很大不同了，发电机输出电压范围扩大，从最低只有12V不能给电池充电到最高输出电压达14.8V具有更高的充电效率。具体何时输出多高的电压，就由可变电压充电管理系统根据车辆实际消耗电能来确定，而不是像常规蓄电池那样根据发电机转速和电池储电量来确定了。

17款及以后的可变电压控制系统与之前的有很大不同，ECM利用安装在蓄电池负极上的电流传感器来判断电池的电压及放电状态，并计算出目标发电电压指令值传送给IPDM，IPDM再将指令值转为发电指令信号直接控制发电机的输出电压，此时不遵循发电机IC调压器的固有特性，只有当可变电压控制系统出现故障（例如拆除电流传感器），发电机才会按IC调压器的常规特性输出电压和电流。

日产的ECU究竟如何控制可变电压充电系统？具体的充电策略未见有详细介绍，但参考宝马车系对AGM启停电池的智能化发电机调节系统（IGR）看，实际上也是对发电机输出电压进行调控，原理基本大同小异，可看出可变电压充电是如何给电池充电的。

蓝色曲线——蓄电池储电量，红色曲线——由ECM控制的充电机输出电压，圆圈数字——车辆状态说明

从曲线图可看出：
a、蓄电池储电量过低时，发电机会对电池充电直至仅满足最低车辆使用需求（SOC_min）时停止充电；
b、可变电压充电方式，最大也只能将电池充到80%的储电量（SOC_max）；
c、只在车辆滑行时以最大输出电压14.8V对电池充电，其他情况不充电（a述情况除外）；
d、充电发电机可以只输出12.5V的电压供车辆电器使用而不对电池充电，以达到减少发动机负荷的目的；
e、车辆加速、爬坡等大负荷情况下，由蓄电池提供电能供车辆电器使用，发电机空载，以达到节能目的。

从上面分析可见，可变电压充电系统只采用发电机可输出的最高电压14.8V充电，与发动机转速无关，以便于在有限的滑行阶段时间内，最大限度的给电池充电，充电电流最大可达151A，按所配EFB电池容量70AH衡量，达2.2C的非常规充电强度，如此大的充电强度，因其极化效应的影响，最多能充进80%的电量就不错了，正因为剩有20%电池容量缓冲空间，再加上ECM的监测调控，有效防止了电池过充现象的发生。由于匀速行驶阶段发电机仅输出12.5V的电压，不对电池充电，也就没有了常规充电系统下的“涓充”过程，所以EFB或AGM电池在行车中充不到100%电量是太正常不过了，默认80%的电量就是充满了。加速、爬坡阶段发电机是卸荷状态，仅由蓄电池供电，很好地解释了夜间行车踩油门反而大灯光线变暗的现象。

如果将可变电压充电系统的蓄电池负极电流传感器拆掉，意味着控制充电电压高低的ECM失去了“眼睛”，不再对发电机进行干预，处于“故障”状态，节能效果没有了，发电机会按自身的负载特性对车辆供电和充电，和常规电池充电一样，车辆一起动就一直对电池充电，具有了“涓充”能力，可以将蓄电池充满了，长时间停车导致的馈电现象也减少了，顶多是行车期间多费点油、完全可以接受，不是很好吗？
然也，可变电压充电系统配备的是专门设计的大电流输出发电机，在怠速650转至1250转低速范围内，按发电机的负载特性及性能参数（124A/2500转）推算，均会以不低于14V、不小于65A～124A的电流对蓄电池充电，按奇骏的EFB电池容量70AH衡量，相当于以0.9C～2.1C的电流强度充电，也达到前述的超高速、超常规充电范畴，如果是市内中低速行驶，倒也问题不大，比常规发电机充电更快，极化效应更强些，进入到涓充阶段的时间更短。再看发动机1500～2000rpm最常用、最长时间使用转速的情况，按发电机标称参数，此时已最大电压14.8V、差不多140～150A接近最大输出电流状态对电池充电了，即使发动机大负荷2500转以上（发电机5000转以上），输出电流151A也不会再增大了。此时，问题就来了，当电池已充满接近100%状态，电池缓冲空间没有了，电解液趋于饱和，以2000转左右长时间行驶，就会导致电池充入电量大于车辆消耗电量，尽管车辆没有爬坡等高转速大负荷用车情况，仍会造成电池电解液发热冒泡蒸发现象，导致电极不可逆极化损坏，影响电池寿命甚至导致报废。事实上，论坛已有19款车友证实了有FEB电池过充情况，拆除了电池负极电流传感器、跑250公里的高速公路就产生电解液溢出现象。

综上所述，对于采用可变电压充电的车型，拆除蓄电池负极上电流传感器并不是百利无害，还是存在一定风险的，盲目跟风会带来损失。不建议长期保持拆除电流传感器状态行驶，而是当作保养电池的需要，隔一定时间间隔操作一次，让电池充满保持活力。