整車電量平衡計(jì)算

摘 要：介紹了整車電量平衡的評(píng)定方法和整車電量理論計(jì)算方法，并列舉實(shí)例分析了發(fā)電機(jī)和蓄電池的選型。

關(guān)鍵詞：電平衡;發(fā)電機(jī);蓄電池;計(jì)算

Abstract：The author introduces the power balance evaluation method of vehicle electrical appliances and the theoretical calculation method of whole vehicle.And it gives an example to analyze the type selection of generator and battery.

Key words：Load Balance;Generator;Battery;Calculation

隨著汽車技術(shù)的快速發(fā)展，汽車電子化程度日益提高，車輛經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)電機(jī)和蓄電池選型偏小或整車電源系統(tǒng)過剩的整車電平衡問題。人們對(duì)車輛安全性智能性等的需求，使得設(shè)計(jì)開發(fā)初期電平衡計(jì)算十分重要。下文以某款高端皮卡為例，闡明如何通過整車的電量平衡計(jì)算選取發(fā)電機(jī)規(guī)格和蓄電池容量以確保整車電量平衡。

1 研究汽車電量平衡的目的

圖1為汽車電平衡的基本原理圖，其主要目的是要求車輛在所有使用工況下，蓄電池、交流發(fā)電機(jī)與整車用電器三者間的電能產(chǎn)生與消耗達(dá)到最佳匹配值并滿足以下要求：

（1）要求蓄電池隨時(shí)能提供起動(dòng)機(jī)需要的電流;

（2）要求起動(dòng)機(jī)不受溫度影響，正常啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī);

（3）當(dāng)交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓低于蓄電池的電壓時(shí)，則由整車蓄電池放電，此時(shí)交流發(fā)電機(jī)和蓄電池共同對(duì)整車用電器供電;

（4）當(dāng)車輛交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓高于蓄電池的電壓時(shí)，交流發(fā)電機(jī)則對(duì)蓄電池充電并為整車用電器提供電源。

2 電量平衡的評(píng)定方法

整車電量平衡的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，可用如下公式來表示：

Σ（IinΔtin）>Σ（IoutΔtout）（1）

式中：Iin—蓄電池在Δt時(shí)間內(nèi)平均充電電流;

Δtin—蓄電池在充電狀態(tài)下的一個(gè)時(shí)間段;

Iout—蓄電池在Δt時(shí)間內(nèi)平均放電電流;

Δtout—蓄電池在放電狀態(tài)下的一個(gè)時(shí)間段。

評(píng)判整車用電量平衡是以蓄電池的充放電量為標(biāo)準(zhǔn)的蓄電池充、放電量比率K定義為：

K=Σ（IinΔtin）/Σ（IoutΔtout）（2）

由于汽車設(shè)備用電量是變化的，為確保車輛安全運(yùn)行，應(yīng)使車輛在用電的極端運(yùn)行工況下，確保蓄電池充、放電量不小于1.2。極端運(yùn)行工況是指在最炎熱的夏季或最寒冷的冬季，車輛以發(fā)電機(jī)發(fā)電能力最差的狀態(tài)行駛，并且正常開啟使用所有必要的用電負(fù)載。

3 汽車電器用電量估算

發(fā)電機(jī)規(guī)格選型的關(guān)鍵依據(jù)是整車用電量理論估算，為了便于計(jì)算，引入電器使用頻度系數(shù)這一概念。各種車輛用電器在不同的季候和環(huán)境下，使用的頻度系數(shù)是不一樣的。用μ0、μs、μw分別表示，μ0表示用電器與季節(jié)氣候無關(guān)、μs表示在夏天，μw表示在冬天的使用頻度系數(shù)。電器的使用頻度系數(shù)μ0、μs、μw一般是通過長期的道路行駛統(tǒng)計(jì)獲得。根據(jù)車輛用電負(fù)載的使用頻率，可將用電器件分為三類，I類電器為連續(xù)工作用電設(shè)備，如車身控制盒;II類為長期工作的用電設(shè)備，如水箱風(fēng)扇、收放機(jī)等;III類為短期工作用電設(shè)備，如喇叭、倒車燈等。主要有以下兩種方法對(duì)整車用電量進(jìn)行估算。

3.1 畫電量負(fù)荷圖分析法

在進(jìn)行整車用電量匹配時(shí)，首先要將車輛的所有用電負(fù)載的功率和最大電流標(biāo)注出來，再進(jìn)行分類，分為連續(xù)工作用電設(shè)備，長期工作用電設(shè)備，短期工作用電設(shè)備，其次應(yīng)該選取極端的運(yùn)行工況，比如在炎熱的夏天開著空調(diào)在雨夜行駛。在計(jì)算用電量時(shí)，需要把車載空調(diào)，組合前大燈，組合儀表，雨刮器等這些可能用到的車輛用電器都計(jì)算在內(nèi)，作為選擇發(fā)電機(jī)的依據(jù)。

3.2 加權(quán)系數(shù)法

加權(quán)系數(shù)法是把整車的用電器依據(jù)使用頻率的不同，通過下列公式計(jì)算出電流。

I=∑nm=1Imμm（3）

式中：Im—第m個(gè)用電器的電流;

μm—第m個(gè)用電器的使用頻度系數(shù);

n—車輛所有用電器數(shù)。

整車的電流值是把全部用電器的電流值加權(quán)相加計(jì)算出來的，再計(jì)算出整車的用電量。而用電器的使用頻度系數(shù)是需要經(jīng)過長期道路行駛統(tǒng)計(jì)獲得。所以在做整車電量計(jì)算時(shí)，加權(quán)系數(shù)法更加精確。但由于μm需要長期的道路行駛統(tǒng)計(jì)，所以在設(shè)計(jì)最初，先用電量負(fù)荷圖分析法估算，然后通過長期行駛獲得頻率系數(shù)，再通過加權(quán)系數(shù)法進(jìn)行優(yōu)化。各工況下整車用電量如表1所示。

4 發(fā)電機(jī)選型

整車電量估算是選擇發(fā)電機(jī)規(guī)格的關(guān)鍵依據(jù)，整車電源是車輛蓄電池和發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的。車輛發(fā)電機(jī)的主要功能是保證車輛行駛中的所有設(shè)備正常工作和給蓄電池充電，汽車絕大部分的電能是從發(fā)電機(jī)這里獲得的。因此，從確保設(shè)備正常工作和提升電源的節(jié)能角度考慮，發(fā)電機(jī)功率的選擇應(yīng)當(dāng)以車輛行駛時(shí)正常的用電標(biāo)準(zhǔn)以及蓄電池充電電流為基礎(chǔ)。在極端情況下，允許車輛蓄電池向用電負(fù)載提供少量放電電流，這也是在選取發(fā)電機(jī)功率時(shí)所要遵循的準(zhǔn)則。為滿足表1所示用電量的要求，將表格數(shù)據(jù)代入加權(quán)系數(shù)公式I=∑nm=1Imμm得：夏季行駛工況的計(jì)算電流I1=111A;夏季怠速工況的計(jì)算電流I2=68.4A;冬季行駛工況的計(jì)算電I3=987A;冬季怠速工況的計(jì)算電流I4=63A。在上面四種工況下，選擇最惡劣的工況，夏季行駛工況I1=111A。綜合考慮選用120A/13.5V規(guī)格的發(fā)電機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況下，為保證即使在短途行駛、發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)等極限工況下蓄電池也能夠充分充電，需要考慮倍乘因子。乘用車選擇1.2，I怠速=I2*1.2=84A。所以發(fā)電機(jī)在熱態(tài)工作條件下，怠速電流必須滿足大于84A。選取的發(fā)電機(jī)輸出特性見圖2，工作性能見表2。根據(jù)圖2和表2，此款發(fā)電機(jī)規(guī)格完全滿足表1的要求。

5 蓄電池選型

蓄電池的作用是當(dāng)打開點(diǎn)火開關(guān)啟動(dòng)車輛時(shí)，提供電給車輛起動(dòng)機(jī)等設(shè)備，當(dāng)車輛發(fā)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后并作為穩(wěn)壓電容存在，并在發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)給整車使用蓄電池電的設(shè)備供電。所以，蓄電池的選擇很重要，選擇過小，則不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件，選擇偏大會(huì)造成資源浪費(fèi)，影響蓄電池的壽命。蓄電池的選型主要考慮兩方面，一是滿足車輛低溫啟動(dòng)過程中的功率要求;二是車輛的休眠電流。

實(shí)例：某高端皮卡采用12V的電源系統(tǒng)，由蓄電池和發(fā)電機(jī)并聯(lián)提供電源。依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，整車的靜態(tài)電流I小于15mA，車輛原地停放40天后要求仍能正常起動(dòng)。

由判斷標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式：

C*0.2=I*P*24（4）

式中：I—整車靜態(tài)電流A;

P—停放天數(shù);

C—蓄電池容量Ah。

得：C≥72Ah。

考慮到蓄電池本身的消耗，蓄電池容量選擇80Ah。

6 結(jié)語

本文介紹了整車電量平衡的理論估算方法，此方法經(jīng)過了實(shí)踐驗(yàn)證，是一種準(zhǔn)確可靠的計(jì)算方法。通過此計(jì)算方法，在整車的設(shè)計(jì)階段就能準(zhǔn)確地選擇發(fā)電機(jī)規(guī)格和蓄電池容量，從而可以防止不必要的設(shè)計(jì)成本浪費(fèi)。

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作者簡介：張婷（1986—），女，江西南昌人，華東交通大學(xué)碩士，中級(jí)工程師，主要從事汽車電子電器設(shè)計(jì)工作。