汽車電量平衡的設(shè)計計算與驗證研究

江濤

（柳州悠進電裝有限公司 廣西柳州 545616）

汽車電量平衡的設(shè)計計算與驗證研究

江濤

（柳州悠進電裝有限公司 廣西柳州 545616）

在一定時間內(nèi)，整車用電器、蓄電池、發(fā)電機的電能消耗與產(chǎn)生表現(xiàn)為一種平衡且較為穩(wěn)定的狀態(tài)即為整車電平衡，這是對整車性能進行衡量的重要指標(biāo)。這一指標(biāo)能夠?qū)⒄囉秒娦枨蟆l(fā)電機輸出能力間的匹配關(guān)系體現(xiàn)出來，電平衡性能要求并不是固定統(tǒng)一的，會因整車性能目標(biāo)定義的不同而變化，因此，其設(shè)計計算與驗證方法是否適宜關(guān)系重大。本文主要圍繞汽車電量平衡設(shè)計計算與驗證展開討論。

電動機；蓄電池；整車電平衡

前言

整車用電設(shè)備增多是汽車電子技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，這一變化加大了整車電源系統(tǒng)的壓力，只有合理設(shè)計整車電源系統(tǒng)，才能確保電量能夠滿足使用需求，為行車的安全與可靠提供重要保障[1]。設(shè)計整車電源系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何匹配用電設(shè)備、蓄電池以及發(fā)電機間的電量，匹配不當(dāng)?shù)那闆r下會對整車正常運行產(chǎn)生直接影響。

1 零部件選型

設(shè)計汽車電平衡需將對下因素考慮充分，具體如整車用電器使用頻度與功率、發(fā)動機參數(shù)等，關(guān)鍵零部件影響因素與選型順序可經(jīng)圖1進行描述。本文主要對發(fā)電機、蓄電池以及起動機的選型進行討論。

圖1

1.1 發(fā)電機

發(fā)電機運轉(zhuǎn)過程中，將電量發(fā)出以確保用電器用電需求得以滿足，同時對蓄電池所消耗電能進行補充，以上即為發(fā)電機的主要作用。作為汽車電能的主要來源，發(fā)電機的選型需確保電量供給滿足用電設(shè)備需求，提升發(fā)動機動力性，選擇確定其功率時需考慮到蓄電池充電量與正常電器用電量。這一零部件的轉(zhuǎn)速與其發(fā)電能力存在關(guān)聯(lián)性，其發(fā)電量會因轉(zhuǎn)速的提高而增大。各運行工況下整車用電器的使用頻度與其電能消耗量存在一定的關(guān)聯(lián)性，發(fā)電機的選型可對整車用電器用電量、發(fā)電機發(fā)電能力關(guān)系進行計算來完成。

整車用電器功率計算方法說明。以汽車電器用電性質(zhì)為依據(jù)進行分類，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類汽車電器。在行駛過程中用電器的使用為長期性的即為Ⅰ類用電器，包含冷卻風(fēng)扇等有條件長期使用和油泵等無條件長期使用的用電器；短期使用但為安全行駛必備如轉(zhuǎn)向燈等為Ⅱ類用電器；隨機使用，具有改善舒適性作用如電動門窗等為Ⅲ類用電器。以Ⅰ加權(quán)=Ⅰi×μi公式進行整車用電電流的計算。

1.2 蓄電池

將發(fā)動機起動是蓄電池最主要的功用，因此，需對發(fā)動機或起動機的特性進行分析后再進行蓄電池的選型。應(yīng)首先對起動機輸出特性曲線圖進行分析，以最大功率對應(yīng)起動電流為準(zhǔn)確定蓄電池低溫起動電流，蓄電池低溫起動電流應(yīng)較大才能為起動發(fā)動機提供保障，同時，不可比力矩曲線、功率曲線交點對應(yīng)電流大。為加大發(fā)動機起動的可靠程度，應(yīng)對滿足條件的蓄電池進行篩選，以容量較大者為最終選擇[2]。依據(jù)上述原則對蓄電池進行選型，可避免體積增大而對整車裝配質(zhì)量與空間造成影響，以及容量太大造成浪費等問題。

起動發(fā)動機應(yīng)能在車輛長時停放或長途運輸?shù)那闆r下進行，因此，需對整車靜態(tài)電流驗證來進行蓄電池的選型。儲運時間以T表示，1d中蓄電池自耗損率以1‰表示，車輛正常啟動蓄電池最小額定電量、實際電量之比為65%，下線情況下，蓄電池額定容量、實際容量之比為90%，20h率額定容量以C20表示，則（90%-65%-1‰×T）×C20/（24×T）可得整車靜態(tài)電流。最后，還需以車輛主要用途、銷售區(qū)域、蓄電池布置位置等因素為依據(jù)對蓄電池參數(shù)進行微調(diào)。

1.3 起動機

將發(fā)動機起動是起動機的主要作用，2～5s大電流工作是對起動機的常規(guī)要求。這一關(guān)鍵零部件的性能參數(shù)由其起動特性決定，起動轉(zhuǎn)速與起動轉(zhuǎn)矩是其起動特性的主要參數(shù)。以極限低溫工況為前提進行試驗設(shè)定，以M0代表起動轉(zhuǎn)矩，以n0代表起動轉(zhuǎn)速對起動需求功率進行計算，M0×n0×2π/60 即為起動需求功率。

以齒輪嚙合效率η與傳動比i為依據(jù)對起動機輸出參數(shù)進行計算，通常情況下，η即0.9，則發(fā)動機起動過程中，P0/η為功率，N0×i為轉(zhuǎn)速，M0×i為轉(zhuǎn)矩。溫度的變化會對起動機輸出功率產(chǎn)生影響，因此，需以溫度系數(shù)為依據(jù)對起動機輸出功率與轉(zhuǎn)矩進行計算，將其修正為常溫下參數(shù)，至此才是起動機參數(shù)選擇的真正完成。

2 驗證方法

2.1 靜態(tài)平衡驗證

①對靜態(tài)電流進行測定，將所有用電器關(guān)閉，并將車輛鎖好，在電流無明顯變化情況下（即進入休眠狀態(tài)）將此時電流值記錄下來，確定靜止?fàn)顟B(tài)下整車的耗電量。②低溫下測定最低起動容量，以-30℃低溫條件為前提對整車起動情況進行測試，所用鉛酸蓄電池充電量分別為50%、40%、30%、20%，對蓄電池低溫起動能力進行考核。③對蓄電池自放電電流進行測量確定，蓄電池廠商不同所設(shè)置的自放電電流也存在一定的差異，為確保設(shè)計時選型定義的全面準(zhǔn)確，應(yīng)向蓄電池廠商進行這一重要參數(shù)的確定[3]。④測量汽車用電器負(fù)載，在一般用電狀態(tài)下令汽進行30min的運行，使蓄電池電壓在一定電量水平下達(dá)到基本穩(wěn)定。在這一情況下對各主要用電器不同功耗耗電量進行測量，即一般功耗、低功耗、高功耗，特別是最高值測量，從而保證理論值能夠與實測值吻合。

2.2 動態(tài)平衡驗證

主要以汽車電平衡道路試驗方法對動態(tài)平衡進行驗證，在各類典型工況下對汽車各關(guān)鍵部件溫度狀態(tài)，用電器、蓄電池以及發(fā)電機的用電狀態(tài)進行測量，通過上述方法來對實車電平衡狀態(tài)進行全面評測。通用蓄電池測試儀、數(shù)字采集軟件、筆記本計算機、萬用表、電流傳感器以及數(shù)據(jù)采集器為道路試驗所用設(shè)備，電流傳感器有開口與閉口兩種，測量蓄電池充放電電流若要求量程不超過500A，精度需超過0.2%，則以閉口電流傳感器進行測量較為適宜，開口電流傳感器主要應(yīng)用于其他情況。

測試參數(shù)，對溫度值、電壓與電流進行監(jiān)控，測量蓄電池端電壓、發(fā)電機端電壓、用電器耗電總電流、發(fā)電機發(fā)電電流、蓄電池充放電電流。同時以特殊要求測量點為依據(jù)對車內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、發(fā)電機外殼溫度、蓄電池周圍溫度等進行測量。

預(yù)處理蓄電池。拆下樣車上的蓄電池，應(yīng)用16V恒壓通過通用蓄電池測試儀進行2h的充電，再以4A恒流進行1h充電，然后以電流C20/20A進行放電，直至10.5V，測量蓄電池C20。對蓄電池充電完全，以蓄電池測量容量50%為準(zhǔn)進行I20放電，在蓄電池剩余電量為50%時對其電壓進行測量。蓄電池充電電流與電量密切相關(guān)，電量低則電流大，二者為負(fù)相關(guān)，對蓄電池電流進行統(tǒng)一，確保試驗具備可重復(fù)性與一致性[4]。

確定汽車負(fù)載。電氣負(fù)載在汽車運行時的狀態(tài)常常發(fā)生變化，試驗通常選擇低功耗與高功耗條件進行。因發(fā)動機轉(zhuǎn)速與其發(fā)電能力相關(guān)，而汽車行駛工況又與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)，因此，試驗需考慮多種工況因素，山區(qū)公路工況、高速公路工況、城市工況、怠速工況為試驗的主要工況。各工況試驗?zāi)康囊姳?。

表1 不同工況試驗?zāi)康姆治?/p>

3 結(jié)束語

對整車電平衡性能進行合理設(shè)計具有重要意義，一方面合理設(shè)計可為電源系統(tǒng)的可靠安全提供保障，另一方面，合理設(shè)計對于零部件選型具有指導(dǎo)作用，可減少零部件如蓄電池以及發(fā)電機等的成本，提高零部件的使用壽命和質(zhì)量，使整車油耗降低，值得深入探討并不斷完善其設(shè)計與驗證方法。

[1]焦慶宏，王溫銳，宋寧.輕型商用車電量平衡試驗研究[J].汽車技術(shù)，2015（02）：24～28.

[2]趙文慶.整車用電量平衡計算[J].汽車電器，2015（08）：32～34.

[3]韓海川，王子龍.某乘用車電平衡驗證方法與應(yīng)用[J].汽車工程師，2015（10）：47～48.

[4]安永嶺，端木瓊，王子龍，等.基于某款車型的整車電平衡驗證測試[J].汽車電器，2015（07）：63～66.

U463.6

A

1004-7344（2016）18-0302-02

2016-6-10

江 濤（1984-），男，廣西來賓人，助理工程師，主要從事技術(shù)開發(fā)方面的工作。