發(fā)電機(jī)效率整車轉(zhuǎn)鼓測(cè)試方法研究

葛勝迅，姚 強(qiáng)，韓 鵬

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

從能量流的角度去測(cè)定汽車燃油能量在發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤部件等部件的分布，可以找出經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化的關(guān)鍵方向。能量轉(zhuǎn)化過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，其中一部分動(dòng)能用來(lái)驅(qū)動(dòng)車輛行駛，還有一部分經(jīng)過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，向所有用電設(shè)備供電［1］。發(fā)電機(jī)將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中能源的轉(zhuǎn)化效率稱之為發(fā)電機(jī)效率。隨著汽車電子電器技術(shù)的不斷發(fā)展，整車用電設(shè)備的功耗越來(lái)越大［2-4］，使得發(fā)電機(jī)效率對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響也越來(lái)越高［5-8］。

在零部件臺(tái)架上通常采用對(duì)拖法測(cè)試發(fā)電機(jī)輸入和輸出功率后計(jì)算得到不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)電機(jī)效率。但對(duì)拖法通常難以準(zhǔn)確模擬整車狀態(tài)下的發(fā)電機(jī)的溫度場(chǎng)環(huán)境，以及發(fā)電機(jī)在整車上的裝配狀態(tài)，直接使用零部件臺(tái)架的發(fā)電機(jī)效率數(shù)據(jù)會(huì)影響整車能量流模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上開展整車條件下的發(fā)電機(jī)效率測(cè)試尤為必要［9-10］。

本文提出在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行整車條件下的發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的阻力矩法和外特性法兩種測(cè)試方法，給出了對(duì)應(yīng)測(cè)試原理，并基于多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。本研究可為整車電能計(jì)算和能量流分布仿真提供相關(guān)理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 測(cè)試原理

整車在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，通常設(shè)置轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)在恒速控制模式。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)在該模式下可根據(jù)設(shè)定車速自適應(yīng)控制轉(zhuǎn)鼓電機(jī)的輸出功率，以保證輪胎在該車速下恒定運(yùn)行。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可同步測(cè)試轉(zhuǎn)鼓施加到輪邊的機(jī)械功率以及發(fā)電機(jī)的輸出電功率。

定義發(fā)動(dòng)機(jī)油門全開時(shí)的車帶鼓運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)方法為外特性法，定義發(fā)動(dòng)機(jī)熄火、鼓帶車運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)方法為阻力矩法。

1.1 外特性法

測(cè)試原理如圖1所示。保持全油門狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)固定轉(zhuǎn)速的總功率Pe不變，改變用電器負(fù)載，同步測(cè)試轉(zhuǎn)鼓施加輪邊的功率PD和發(fā)電機(jī)輸出電功率PA，得出發(fā)電機(jī)效率，如式（1） 和式 （2）。

圖1 外特性法測(cè)試原理

式中：PD1——第1種用電器負(fù)載下的轉(zhuǎn)鼓施加輪邊功率，W；PD2——第2種用電器負(fù)載下的轉(zhuǎn)鼓施加輪邊功率，W；PA1——第1種用電器負(fù)載下的發(fā)電機(jī)輸出電功率，W；PA2——第2種用電器負(fù)載下的發(fā)電機(jī)輸出電功率，W；PL——車輪在轉(zhuǎn)鼓上的滾動(dòng)阻力功率，W；η——傳動(dòng)系機(jī)械效率，為已知參數(shù)；α——發(fā)電機(jī)效率。

發(fā)電機(jī)輸出電功率PA根據(jù)式 （3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：U——發(fā)電機(jī)端電壓，V；I——發(fā)電機(jī)輸出電流，A。

1.2 阻力矩法

測(cè)試原理如圖2所示。保持發(fā)動(dòng)機(jī)斷油停噴，車輪倒拖發(fā)動(dòng)機(jī)，改變用電器負(fù)載，同步測(cè)試轉(zhuǎn)鼓施加輪邊的機(jī)械功率PD和發(fā)電機(jī)輸出的電功率PA，得出發(fā)電機(jī)效率，如式 （3）和式 （4），此處發(fā)動(dòng)機(jī)固定轉(zhuǎn)速的機(jī)械損失功率Pf不變。

圖2 阻力矩法測(cè)試原理

2 試驗(yàn)與分析

2.1 阻力矩法

2.1.1 樣車A測(cè)試

以某公司生產(chǎn)的某款手動(dòng)擋SUV為例 （簡(jiǎn)稱樣車A），使用阻力矩法測(cè)試，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置為恒速28.56 km／h，此時(shí)變速器置入Ⅱ檔，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r／min。按照用電器開關(guān)設(shè)置7個(gè)工況，并且同步測(cè)試發(fā)電機(jī)電流I、電壓U和轉(zhuǎn)鼓施加輪邊的功率PD。開展兩次的測(cè)試結(jié)果如表1、圖3所示，其中第1到第7序號(hào)為第1次，第8到第14序號(hào)為第2次。

將試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線，兩次試驗(yàn)結(jié)果的曲線重合性高。按照公式每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)均可計(jì)算出發(fā)電機(jī)效率，本文將每次7個(gè)工況點(diǎn)線性擬合得到平均的斜率，再使用已知傳動(dòng)系機(jī)械效率0.95，得出發(fā)電機(jī)效率，計(jì)算得出兩次試驗(yàn)相對(duì)偏差0.1%。

表1 樣車A阻力矩法試驗(yàn)結(jié)果

圖3 樣車A阻力矩法試驗(yàn)結(jié)果曲線

2.1.2 樣車B測(cè)試

以另一家公司生產(chǎn)的另一款手動(dòng)擋SUV為例 （簡(jiǎn)稱樣車B），使用阻力矩法測(cè)試，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置恒速22.86 km／h，此時(shí)變速器置入Ⅱ檔，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r／min。按照用電器開關(guān)設(shè)置5個(gè)工況，開展兩次試驗(yàn)，得出相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示，其中第1到第5序號(hào)為第1次，第6到第10序號(hào)為第2次。

2.1.3 樣車A、B測(cè)試結(jié)果對(duì)比

對(duì)A車用阻力矩法也進(jìn)行了測(cè)試。將A、B兩車測(cè)試結(jié)果對(duì)比，如表3所示，相對(duì)偏差均較小，樣車A為0.1%，樣車B為0.2%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性好。

2.2 外特性法

繼續(xù)使用樣車B，使用外特性法測(cè)試，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置恒速22.86 km／h，此時(shí)變速器置入Ⅱ檔，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 600r／min。按照用電器開關(guān)設(shè)置5個(gè)工況，開展4次的測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表2 樣車B阻力矩法試驗(yàn)結(jié)果

表3 樣車A和B阻力矩法試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表4 樣車B外特性法試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線如圖4所示，4次試驗(yàn)結(jié)果的曲線重合性一般。將每次5個(gè)工況點(diǎn)線性擬合，再使用已知傳動(dòng)系機(jī)械效率0.95，得出發(fā)電機(jī)效率，計(jì)算得出4次試驗(yàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.3%，如表5所示。進(jìn)一步計(jì)算得出樣車B的外特性法與阻力矩法測(cè)試結(jié)果的相對(duì)偏差為1.3%。

2.3 精度分析

發(fā)電機(jī)電壓測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性非常高，隨著用電器開啟負(fù)荷的增加，發(fā)電機(jī)電壓略微降低；樣車A測(cè)試電流達(dá)到最大值時(shí)，電壓僅僅下降0.02 V，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)電壓對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒有影響。

相同用電器開啟的工況下發(fā)電機(jī)電流的數(shù)據(jù)稍有不同，這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中發(fā)電機(jī)不斷給蓄電池充電，隨著電池電量的增加，發(fā)電機(jī)電流不斷下降，輪邊功率也成比例變化。從最終斜率的數(shù)據(jù)看，用電器功率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響也可以忽略。

用阻力矩法測(cè)得的輪邊功率重復(fù)性較好，但外特性法重復(fù)性較差。從樣車B外特性法數(shù)據(jù)看，盡管輪邊功率的相對(duì)偏差僅0.4%，但是輪邊功率的數(shù)值達(dá)到了21 kW，導(dǎo)致功率絕對(duì)偏差達(dá)到了81 W，使得每次試驗(yàn)曲線不重合。分析過程數(shù)據(jù)認(rèn)為有如下原因：①在外特性法過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工作，輸出的功率較大，數(shù)據(jù)比電能高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而阻力矩法比電能高一個(gè)數(shù)量級(jí)；②外特性法導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、變速器油溫處于上升的過程，造成輪邊輸出功率存在系統(tǒng)誤差，且容易觸發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)因出水溫度造成的功率變化。

圖4 樣車B外特性法試驗(yàn)結(jié)果曲線

表5 樣車B外特性法試驗(yàn)結(jié)果

2.4 不同樣車對(duì)比分析

采用阻力矩法對(duì)不同樣車進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比分析。樣車A匹配高效發(fā)電機(jī)，樣車B匹配普通發(fā)電機(jī)，樣車C為在樣車B的基礎(chǔ)上更換另一種發(fā)電機(jī)。將3臺(tái)車對(duì)比分析，樣車A發(fā)電機(jī)效率顯著優(yōu)于樣車B和樣車C；樣車B在低轉(zhuǎn)速時(shí)優(yōu)于樣車C，高轉(zhuǎn)速時(shí)差于樣車C。另外，通過整車NEDC工況油耗仿真，樣車B的發(fā)電機(jī)選型綜合效率優(yōu)于樣車C。如圖5所示。

圖5 不同樣車測(cè)試結(jié)果對(duì)比曲線

3 結(jié)論

1）本文提出了利用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)，在整車條件下進(jìn)行發(fā)電機(jī)效率測(cè)試的兩種方法，即阻力矩法和外特性法，給出了具體測(cè)試原理。實(shí)車測(cè)試分析表明兩種方法是有效可行的，且阻力矩法測(cè)試精度優(yōu)于外特性法。

2）本文為整車電能計(jì)算、能量流分布仿真提供了理論支持，研究結(jié)果為發(fā)電機(jī)選型提供重要方法依據(jù)，對(duì)相關(guān)節(jié)能技術(shù)研究具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。