整車電能平衡分析

辛瑜，張寶平，徐峰，種博軒，韓文文，王永

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

整車電能平衡分析

辛瑜，張寶平，徐峰，種博軒，韓文文，王永

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

通過整車電平衡總體技術要求對車輛在不同運行情況下蓄電池和發電機的運行數據測量和分析，得到蓄電池容量校核結果和發電機選型校核結果，以及設計方面需改進內容。

電能平衡；蓄電池容量；發電機電流；設計改進

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-123-04

隨著重卡行業的設計與開發水平的提升，整車電平衡計算越發有著實用價值，整車電平衡計算方法也一直是車企設計者們所探索和鉆研的重要部分。

蓄電池與起動機、交流發電機及整車作為一個電能供需關聯系統，在整車設計、開發過程中，這是一個至關重要的考慮環節。由于起動機最大輸出功率與蓄電池容量優化匹配，既能保證車輛在任何地區環境溫度條件下都能正常啟動，同時又能夠降低蓄電池成本和油耗；對發電機有效輸出功率與整車電器（除起動機外）耗電量優化匹配，即能夠保證蓄電池正常充放電，延長蓄電池壽命，同時又能降低發電機成本和油耗。因此，需對重卡電氣系統進行電量平衡計算。

本文對整車電平衡進行了分析，并用實例進行了簡單的計算來驗證實例中發電機和蓄電池的匹配情況。

1 整車電平衡總體技術要求

根據整車電源系統的電能平衡原理，等效出發電機、蓄電池及整車負載電路如圖1。圖中，Ig ——發電機輸出電流；If ——車輛負載電流；Ib ——蓄電池電流。

圖1 發電機、蓄電池及整車負載等效電路圖

1.1 蓄電池容量應能滿足起動機最低環境溫度一次性起動要求；

1.2 發電機輸出功率＞用電器電量+蓄電池充電電量（充電系數τ＝0.05-1.5）；

1.3 發動機要求

發動機不同狀態下發電機電流應滿足：

發動機怠速：Ig≈額定電流60%-80%；

車速= 40Km/h：Ig≥If+Ib

Ig ——發電機輸出電流

If ——車輛負載電流

Ib ——蓄電池充電電流（≈0.1C20）

1.4 發電機電流要求

在各種工況下，發電機輸出電流均符合如下要求：Ige≥If+Ib

極限工況下，發電機輸出電流符合如下要求：Ige≥（Ifc+Ify）- 15A

Ige——發電機額定輸出電流；

Ifc——車輛本身負載電流；

Ify——用戶加裝負載電流；

2 整車電平衡計算分析

2.1 蓄電池容量核算

蓄電池容量確定原則：

1）保證發動機（起動機）起動性能，起動機起動性能主要考慮低溫起動性能；

2）考慮充電系統失效，蓄電池提供用電器基本電能，保證車輛行駛180-200min 。

2.1.1 起動機功率計算

起動機功率同發動機平均阻轉矩Ms有關，發動機阻轉矩同發動機氣缸工作容積、壓縮比、曲軸旋轉不均勻系數、Km系數、發動機機油運動粘度、曲軸平均轉速等有關，主要由發動機廠家根據發動機參數進行計算確定。

2.1.2 蓄電池耐久能力計算

2.1.2.1 常溫情況下，蓄電池提供負載等效電流：I（白） 和I（夜）

2.1.2.2 蓄電池提供最小放電電流所需放電容量計算

常溫情況下，單個完全充足電蓄電池（荷電 100%）放電下降到需充電狀態（荷電60%），此時蓄電池所放電的容量分別以白天和黑夜不同放電電流 I（I（白） 或 I（夜）），根據所保證車輛行駛時間，即可計算出蓄電池放電容量C放電=It，進而算出蓄電池荷電100%情況下，C蓄=C放電/60%。

2.1.2.3 蓄電池提供靜態功耗電流持續時間估算

常溫情況下，單個完全充足電蓄電池（荷電 100%），以小電流放電到需充電狀態（荷電85%），大約可提供一定量的蓄電池容量，該蓄電池容量以靜態功耗電流放電，可計算出放電時間 C放電=靜態功耗×t，而算出蓄電池荷電 100%情況下，C蓄=C放電/85%。

2.2 發電機輸出功率核算

發電機輸出功率工況一般可分為怠速、車速40Km/h兩種工況：

2.2.1 怠速工況發電機（熱態）輸出電流計算

發動機怠速時，發電機轉速=n怠×i（i為發動機速比）。

2.2.2 40Km/h工況下，發電機輸出電流計算

2.2.2.1 40Km/h工況發動機轉速計算：g=1000×40×變×橋／120π×R

g ——40Km/h工況發動機轉速（轉/分）；

變——變速器適合檔位速比；

橋——驅動橋主減速比；

R ——輪胎半徑；

計算出轉速，通過發電機輸出特性曲線可得到發電機輸出電流。

2.2.2.2 40Km/h工況發電機輸出電流：

Ig ——發電機輸出電流

Ifmax ——車輛負載電流

Ib ——蓄電池充電電流（≈0.1C20）

2.3 各種工況下，發電機輸出電流計算公式

Ig——發電機輸出電流（熱態 ）；

Ib——0.1C20；

If——車輛本身負載電流；

Ify——用戶加裝負載電流；

2.3.1 用戶自行加裝電器負載計算

2.3.1.1 用戶加裝負載值計算：

采用發動機怠速時，各種工況下，用戶可加裝負載平均值的80%為用戶允許加載值：

其中：Ify用戶可加裝負載電流

i=1、2……n，分別代表不同工況。

Ii代表與之對應的的最大加裝負載限值（發動機怠速時）

其中：Pfy 用戶可加裝負載功率

Ify 圓整后電流

Ue 電氣線路額定電壓

2.3.1.2 用戶加裝負載最大極限值計算：

采用車速為 40km/h時，各種工況下，用戶可加裝負載平均值的70%為用戶允許最大加載極限值：

其中：Ifymax用戶可加裝負載最大極限值電流

j=1、2……n，分別代表不同工況。

Ij代表與之對應的的最大加裝負載限值（車速40km/時）

其中：Pfy max用戶可加裝負載最大極限值功率

Ue 電氣線路額定電壓

由此可計算出用戶可加載電器負載最大極限電流、最大極限功率。

3 舉例某車型電平衡分析

3.1 該車型部分參數

整車電壓：24V；起動機功率：-20℃，5.58KW；蓄電池容量：135Ah；發電機額定電流：80A。

3.2 該車型電平衡試驗數據

試驗測得實例車型不同工況下發電機電流、用電器等效電流情況如下表：

表1 不同條件下整車用電器等效電流（部分）

3.3 該車型蓄電池容量校核

3.3.1 蓄電池容量計算

根據起動機功率和起動機最低工作溫度，查詢蓄電池比能量和最大功率關系，確定比能量系數 L（與蓄電池性能有關），通過表2即該車型使用蓄電池比能量和最大功率關系對照表（該表是通過大量試驗得出的經驗值表）得到：

表2 蓄電池比能量和最大功率關系對照表

-20℃時，C20（Ah）= P2（KW)×L／U(V）=5.58×680／24=158Ah，135Ah蓄電池無法充分滿足發動機起動要求。

-15℃時，C20（Ah）= P2（KW)×L／U(V）=5.58×600／24=139.5Ah，135Ah蓄電池基本能夠滿足發動機起動要求。

3.1.2 蓄電池不同工況下的供電電流

從表1中可以看出，發動機怠速時，在較差和最差工況下蓄電池的充電電流為負值，即蓄電池處于放電狀態。而在車速 40Km/h，工況較好的情況下蓄電池均處于充電狀態。對于蓄電池適當的放電，是有助于消除蓄電池極板極化現象，從而達到快速充電的目的。所以，蓄電池的這種緩沖作用是汽車電源系統在一定范圍內保持電能動態平衡的前提。

3.1.3 蓄電池耐久能力計算

根據2.1.2.2，常溫下，經計算該車在滿足車輛啟動的情況下分別可滿足白天和夜間持續工作230min和152min。滿足電平衡要求（2.1）

3.1.4 根據2.1.2.3

考慮整車靜態功耗為 50mA時，（135-135*85%）/0.05/24=16.9≈17（天），該車在滿足車輛啟動的情況下，135Ah蓄電池可持續供電17天左右，時間過短，蓄電池承擔的用電器靜態功耗偏大。

3.2 發電機輸出電流核算

表3 發電機輸出特性曲線表

3.2.1 怠速（發動機轉速600rpm）

n發電機=600×3. 73=2276（轉），根據表3得出，I=48＜I額，即發電機輸出電流為發電機額定電流的60%。滿足電平衡要求。

3.2.2 車速40Km/h（10檔變速箱時，發動機轉速為1167rmp）

n發電機=1167×3.793=4426（轉）根據表3得出，I=76A≥Ifmax+Ib=57+13.5=70.5A(Ifmax為最差工況車輛用電器等效電流，Ib=0.1C20=0.1×135=13.5A)。滿足電平衡要求。

3.3 用戶加裝負載情況計算

3.3.1 怠速

根據2.3.1.1，怠速時，計算得到用戶可加裝負載功率為560W。

3.3.2 車速40Km/h

根據2.3.1.2，車速40Km/h時，計算得到用戶可加裝負載功率為840W。

因此，可得出該車推薦用戶加裝負載為 560W，而用戶可加裝最大負載為840W。

3.4 計算結論

經過一系列計算得出如下結論：

（1）該車型選用的135（Ah）蓄電池，在日常環境溫度下（冬季最低溫度-10℃以上），可基本滿足起動機啟動要求和日常用電器功率消耗，但是在北方部分地區（冬季最低溫度在-15℃以下），應選用20小時率容量≧165（Ah）的蓄電池。

（2）蓄電池承擔的用電器靜態功耗偏大（50mA)，在車輛長時間放置后，蓄電池容易產生虧電現象，特別是在冬季低溫環境下，由于鈍化作用，蓄電池存放時間會更短（-10℃環境溫度下，蓄電池存放時間＜20天）。

4 結論

目前、比較公認的蓄電池容量和發電機輸出功率理想匹配方案為大容量蓄電池+小功率發電機模型。對比該車型，蓄電池容量相對偏小，發電機功率相對偏大，發動機、發電機傳動比處于臨界值。

該車型電器系統設計優化目標：

蓄電池容量：常溫：165（Ah）蓄電池；寒冷地區：180 Ah或低溫蓄電池；

發電機：輸出電流（熱態）≈70(A)；效率＞55%；調節器帶溫度補償；

發動機：發電機傳動比：≈4；

整車用電器靜態功耗≤50 （mA)；

整車用戶加裝負載≤400（W）。

[1] 魏明悅.一種簡單易行的電平衡計算方法的研究[J].汽車電器,2014（3）.

[2] 李高林,劉鐵山,范學.整車電平衡測試研究[J].汽車電器,2014（8）.

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

[4] 石志勇,韓勇,王宜海.汽車電平衡匹配設計淺析.汽車實用技術,2015（4）.

Analyse the electric balance of vehicle

Xin Yu, Zhang Baoping, Xu Feng, Zhong Boxuan, Han Wenwen, Wang Yong
（Shaanxi Heavy Duty Automobile CO., LTD, Shaanxi Xi'an 710200）

Through the electric balance overall technical requirements of vehicle under different operation conditions on the battery and alternator data measurement and analysis, selection for battery capacity and alternator checking result, to improve the content of design.

electric balance; bettery capacity; alternator current; better design

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-123-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.043

辛瑜，就職于陜西重型汽車有限公司。