汽車電量平衡開發設計方法

王洪超，肖玉強，陳文靜，孫明瑞

（一汽轎車股份有限公司，吉林 長春 130000）

汽車電量平衡，是指汽車發電機、起動機、蓄電池以及各種用電設備之間電能產生與消耗的動態平衡關系。隨著汽車用電器的不斷增加，整車用電量增加。在新車型的開發設計過程中，起動機、蓄電池、發電機與整車電器設備用電量如何匹配是整車電氣系統設計的一個關鍵。

汽車行駛狀態千變萬化，在不同的氣候環境和工況下需要使用不同的用電器，例如，冬季的時候使用座椅加熱，空調暖風，下雪的夜晚要用刮水及霧燈等；夏季要使用空調冷風，下雨的夜晚要使用刮水、前照燈等。在不同的行駛狀態下要充分考慮各用電器對電能的需求，因此汽車電量平衡是汽車的重要性能指標之一。電量平衡的理想狀態是在任何行駛條件下，供電均能滿足用電器的需求。

1 汽車電量平衡開發設計原則

汽車電量平衡開發設計的基本原則，是汽車在所有運行工況下發電機、起動機、蓄電池和所有用電設備之間的電能產生和消耗都能達到最佳的匹配狀態。即：①起動機必須保證在最寒冷的冬季也能正常起動發動機；②蓄電池能夠隨時提供起動機所消耗的強大的電流；③發電機在汽車處于低速和熱帶夏季環境溫度很高、發電能力較低時，也能保證為汽車提供最大用電負荷，同時能為蓄電池正常充電，保證蓄電池始終處于健康的充電狀態。

2 起動機性能參數計算

起動機選型的關鍵在于保證低溫環境下起動發動機的可靠性。因此，起動機性能參數計算，主要依據發動機低溫環境下的性能參數：①發動機阻力矩；②發動機最低起動轉速。

以奔騰系列某款發動機為例，在-30℃時，發動機阻力矩為97Nm，最低起動轉速為108 r/min，則可按公式（1）計算出發動機在-30 ℃時起動功率為

起動機功率P1=P/η=（1.158～1.295）kW

式中：η——起動機齒輪與飛輪嚙合效率，工程計算一般取η=0.85～0.95。

起動機的最低起動轉速和對應的轉矩可以按公式（2）計算得到

式中：i——起動機齒輪和飛輪的傳動比。

3 蓄電池性能參數計算

蓄電池性能參數主要包含冷起動電流和蓄電池額定容量C20。

起動機性能參數確定以后，可以根據最低起動轉速n1、最低起動轉速對應的轉矩M1以及起動過程中蓄電池最低電壓（一般為發動機控制系統的最低復位電壓，約7.5 V左右），綜合判斷，在起動機特性曲線上，確定蓄電池所需提供的冷起動電流。需要說明的是，蓄電池冷起動電流的確定是一個估算的過程，最后只能確定一個區間范圍，而不是一個準確的數值。

這里特別強調下，一般情況下，看到的起動機特性曲線都是常溫20 ℃下的特性曲線，而在蓄電池冷起動電流計算過程中，必須依據低溫下起動機特性曲線，以圖1為例。

圖1 某款起動機-30℃特性曲線

從該特性曲線上可以大致確定，蓄電池的冷起動電流要大于起動機峰值功率所對應的起動電流約400 A，以確保起動發動機可靠性，同時兼顧最低起動轉速、起動扭矩以及蓄電池端電壓不低于7.5V等要求，冷起動電流應小于650 A，從而確定冷起動電流區間為350～650 A。

當蓄電池的冷起動電流范圍確定以后，基本確定可提供所需冷起動電流的蓄電池額定容量范圍，再輔以整車靜態電流計算，即可最終確定新開發車輛所需的蓄電池額定容量C20。

目前汽車行業內對整車靜態電流的估算主要與車輛停放時間的要求相關，一般國內規定車輛運行停放時間為6周，歐洲為8周。

估算過程如下：默認車輛停放進入設防狀態前蓄電池容量為額定容量C20的80%，要求蓄電池額定容量C20的50%具備起動能力，同時蓄電池每天自放電及車輛負載慣性放電1%，目前汽車整車靜態電流IQ可以控制在10～20 mA范圍，則蓄電池額定容量C20為

在以上范圍區間內，根據車輛需求、性價比等因素，即可確定蓄電池額定容量。

4 發電機性能參數計算

發電機的性能參數計算過程實質就是整車用電負荷的計算過程。汽車上電氣設備使用的時間及頻次都是不相同的，隨季節、氣候、車況等諸多因素隨時在變化，如：夏季使用空調，冬季使用座椅加熱， 夜間使用前照燈，雨天要開刮水，車起動時要使用起動機，因此根據電氣設備使用的真實狀況將其分為持續工作、長時工作和短時工作三大類型，并分別賦予不同的使用頻度加權系數，用以確定發電機的性能參數。

根據汽車行駛中用電設備的工作時間長短，將用電設備分為3種。

1）持續工作用電設備 在汽車行駛過程中一直工作的電氣設備，包括點火和供油等發動機控制系統、變速器控制系統、儀表等。

2）長時工作用電設備 在汽車行駛過程中經常使用的電氣設備，包括娛樂系統、空調系統、燈光等。

3）短時工作用電設備 在汽車行駛過程中只是短暫使用或隨機使用的電氣設備，包括電動車窗、電動后視鏡、點煙器、電子穩定、電子駐車及其他一些瞬間開啟的電氣設備。

表1 整車電負荷計算表

汽車在夏季雨夜和冬季雪夜兩種工況下電負荷處于最大狀態，所以在發電機性能參數選擇上，要重點考慮這兩種工況下的汽車電量需求，下面僅以此為例，介紹計算過程。

整車在夏季雨夜和冬季雪夜兩種工況下用電設備負荷可以用公式（4）來計算。

式中：Pi——第i個用電設備的功率；Ki——第i個用電設備的使用頻度加權系數。

發電機的性能主要包含2個特性參數：額定輸出電流和怠速輸出電流。

發電機額定輸出功率可用公式（5）計算

式中：PG——發電機額定輸出功率；max｛P總｝——夏季雨夜和冬季雪夜中總功率最大的一個；UE——用電器標稱電壓；UG——發電機標稱電壓；k1——估算系數。

整車電負荷的計算，本身就是在假定的某些使用頻率的基礎上的一種估算，因此，計算過程中預留出一部分發電能力，增加可靠性的同時，為新車型后續的改型電氣裝備升級工作，提供了電量空間。

發電機額定輸出電流為

1.2.2 基因芯片捕獲高通量測序 應用基因芯片（華大基因有限公司）對靶基因進行捕獲，對捕獲的富集靶基因采用高通量測序(在Hiseq2000測序平臺進行測序--美國 Illumina公司)對 ERCC6、ERCC8基因進行突變檢測，采用Illumina配套軟件進行信息處理和數據分析。

發電機怠速輸出功率可用下式計算

式中： PN——發電機怠速輸出功率； PC——持續工作負荷的功率；k2——估算系數。則發電機怠速輸出電流為

下面以表1中車型數據為例計算發電機的參數，k1、k2均取0.3，則計算得

夏季雨夜：P總1=1698 W，IG1=121.28 A，IN1=61.62 A。

冬季雪夜：P總2=1487 W，IG2=106.21 A，IN2=39.86 A。

取兩種工況中的較大結果，同時參考現有主流發電機供應商的產品平臺規劃，則該款車實際選擇的發電機參數為：額定輸出電流130 A，怠速輸出電流65 A。

5 總結

本文介紹了一種汽車整車電量平衡的理論計算方法，并結合奔騰系列某車型的相關數據作為具體實例加以驗證，可實現新車型開發設計階段起動機、蓄電池、發電機性能參數的確定，完成整車電源網絡關鍵零部件的選型工作。

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