整車用電量平衡計算

趙文慶

（河北中興汽車制造有限公司 汽車研究院，河北 保定 071000）

隨著汽車上用電設備的增多，在汽車電氣系統的設計中，整車電氣系統的電量平衡必須進行科學計算［1］，以適應自主品牌車型正向設計開發的需要，保證整車電氣系統設計的可靠性。因而，匹配準確性成為至關重要的課題。

汽車電氣系統的電量平衡，是指供電裝置與用電設備之間電能產生和消耗的相互制約關系。蓄電池的主要作用是在發動機起動時向起動機提供瞬時大電流供電；發電機是汽車上的主要供電設備，在整車正常運行狀態下保證整車電器 （除起動機外）的用電量外，還要向蓄電池充電。所以，合理地選擇蓄電池的容量及發電機的輸出功率是保證整車供電與用電平衡的必要條件［2］。

汽車的電氣系統分為供電系統和用電設備。供電系統主要包括發電機、蓄電池、電線束、各種開關及繼電器等。用電設備主要包括動力總成控制、各種燈光信號、安全輔助功能、空調、刮水、娛樂音響等。

根據以上概念的闡述，汽車電氣系統用電量平衡計算的主要工作：蓄電池選型使容量與起動機最大輸出功率的優化匹配，保證車輛在惡劣環境溫度條件下的正常起動，同時又能夠降低蓄電池成本和消耗量；對發電機選型，使其有效輸出電量與整車電器用電量的優化匹配，既能夠保證蓄電池正常充放電工作，延長發電機和蓄電池的壽命，又能夠降低發電機成本和油耗量。

1 整車用電量總量的模型建立

汽車上配置的所有用電設備一般不會在同一時間全部都投入工作，而許多用電設備的工作及工作時間長短，取決于季節和使用環境的變化。本文將整車復雜的用電環境系統化模塊化，通過細分建立整車用電模型，使整車用電這一模糊系統計算參數化，更便于進行嚴密推理計算。

汽車在行駛中幾種較為典型的用電情況大致可分為：平常日間、平常夜間、冬季日間、冬季夜間、冬季雪夜、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜［1］；根據以上使用環境考慮連續工作用電設備、短期工作用電設備和隨機工作用電設備，權值的選取是經過本人長期實踐經驗積累選取的，具有很強的可借鑒性。以一款皮卡汽油版為例，見表1所示負荷。

總功率計算：P=PW1+PW2+PW3=470.74+363.4+267.38=1101.52W， 最小需求Imin=P／U=1101.52／14≈78.68A， 最大需求Imax=P／U=1101.52／12≈91.79A。

2 發電機的功率選取

應保證整車正常的運行實際供給用電設備電能和滿足蓄電池充電的要求。

表1 皮卡汽油版負荷

2.1 選型時遵循的原則

1）發電機熱態最大輸出功率大于整車綜合工況下總功率的1.3～1.5倍。

2）怠速時，輸出電流應大于發動機點火系統和供油系統等連續用電設備所需電流。

3）考慮極限環境 （夏季雨夜工況）及增加空調、音響設備裝置等負荷的用電電流。

4）整車實際用電和蓄電池的充放電平衡，為保證蓄電池可靠地充電，使蓄電池的充放電也達到平衡。

發電機輸出電流應滿足以下要求：①熱態最大電流需求： P熱=（PW1＋PW2）×140%=（470.74＋363.4）×1.4=1167.796W， 則I熱=P熱／14=1167.796／14=83.414A。②怠速時發電電流：怠速條件下的發電機輸出電流應滿足連續用電設備需求電流，不小于：I1=PW1／14=470.74／14≈33.6A。 ③極限環境夏季雨夜工況，考慮增加空調及音響設備時的電流需求。負載電流：I2=（PW1＋PW2）／14=（470.74＋363.4）／14≈59.6 A。④整車電器消耗及蓄電池充電需求：發電機輸出功率除應滿足在正常運行狀態下須保證整車電器用電量外，還應滿足向蓄電池補充電量 （充電系數為0.05～1.5） 的要求［3］。根據蓄電池充電需求及內阻消耗，選取充電系數為0.2；發動機應滿足在整車隨機用電設備功率下的最大電流消耗電流時還能向蓄電池充電： I沖=Imax×（1＋0.2）≈110.148A。

綜合上述條件考慮，建議選用14V／120A發電機。

2.2 初選發電機校驗

根據初步選定的發電機，需根據公式K=R1／R2Xn預先計算怠速時的發電機轉速。

式中：n——怠速發動機的轉速，取800r／min；R1——發動機的飛輪半徑，取85.5；R2——發電機的飛輪半徑，取28.6。

發 電 機 怠 速 時 ， 轉 速K=R1／R2×n=85.5／28.6×800=2391.6r／min。

選定發電機的輸出特性及曲線見圖1，由其輸出特性曲線（HOT 90℃）可得：①怠速時發電機輸出電流：80±5 A，大于33.6 A。 ②最大輸出電流≥105 A，大于理論計算值83.414 A，可滿足需求。③發電機最大輸出160 A，大于整車用電設備及蓄電池充電的最大需求110.148A。

通過上述分析計算，選定匹配該款發動機的120A發電機，可滿足整車耗電要求。

3 蓄電池容量的確定

1）蓄電池容量估算 此款發動機的起動機額定輸出功率為2.2 kW，選用的蓄電池低溫放電電流，應大于起動機低溫起動電流，并且端電壓在放電期間的前15～30s時間內要穩定。起動機相關參數見表2。

表2 起動機相關參數

根據經驗公式

式中：Q20——蓄電池的額定容量，Ah；P——起動機的功率，kW；U——蓄電池的額定電壓，V。

則： Q20=（350～450）×P／U=（350～450）×2.2／12≈64.2～82.5 Ah， 故初步確定蓄電池容量的可選范圍為64.2～82.5Ah之間。

2）蓄電池的選取 由于低溫起動電流直接關系到起動機能否良好起動，一般蓄電池的低溫起動電流應該大于起動機功率曲線圖上功率最大點對應的起動電流。根據起動機輸出特性曲線 （圖2）可以看出：起動機輸出最大功率2.2 kW時， 需要輸入工作電流450A，而蓄電池在-18℃低溫起動電流為622 A，大于起動機的工作電流450 A，所以該款車型選用額定容量為

圖2 起動機輸出特性曲線80 Ah的蓄電池，其參數及低溫起動電流滿足起動機需求。

4 結束語

根據發電機和蓄電池的選取計算得出，該款車型選取額定容量為80Ah的蓄電池，選用14V／120A的發電機規格，經整車可靠性試驗驗證，選取結果能滿足整車用電需求。本文經驗公式選取以實踐為基礎，將復雜的用電環境模塊化用數學模型進行計算，滿足實際工程需要，區別于以往文件公式繁多，不便于實際使用。此方法已經得到我公司眾多車型的實際驗證，是一種準確可靠的計算方法。

［1］張明森.汽車的電量平衡計算［J］.汽車電器，2010，（10）： 10-16.

［2］屈穎，李遠，楊明.整車電量平衡計算［J］.汽車電器，2014 （4）： 10-12.

［3］董利偉.乘用車整車電量平衡計算方法的研究與應用［J］.汽車電器， 2010 （2）： 9-15.