多工況下整車電平衡試驗研究

周勝強，程 斌，李嘉博

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

隨著汽車電子技術以及智能汽車的迅速發(fā)展，整車的用電器也隨之增多，為保證車輛的安全可靠運行，必須對整車電氣系統(tǒng)進行充分驗證，合理設計整車電量平衡試驗，并有效配合整車電氣系統(tǒng)的匹配優(yōu)化、評價及驗證，是各汽車企業(yè)的技術工作重點之一［1］。

整車電平衡即整車電氣系統(tǒng)電能的匹配平衡，是整車電能供給與消耗之間的平衡關系，其中包含靜態(tài)電平衡與動態(tài)電平衡，靜態(tài)電平衡中蓄電池的電能應能滿足靜置停放期間的電能供應需求和車輛下一次起動（或進入可行駛狀態(tài)）電能需求［2］。動態(tài)電平衡即車輛在行駛過程或怠速過程中，發(fā)電機、蓄電池和用電器之間電能的供需平衡。整車電平衡試驗能夠檢驗發(fā)電機、蓄電池和用電器之間匹配的合理性以及整車行駛過程中的可靠性。

1 整車靜態(tài)電平衡的驗證

整車靜態(tài)電平衡試驗包括整車靜態(tài)電流驗證及冷起動試驗，靜態(tài)電流驗證包含整車休眠后靜態(tài)電流的測量及整車休眠狀態(tài)的驗證，其中包含正常鎖車、車門未關、車門未鎖3種試驗工況；冷起動試驗是在低溫環(huán)境中對蓄電池進行多次試驗，從而得出蓄電池最低起動能力，通過靜態(tài)電流及冷起動試驗結果對蓄電池容量進行全面評估，保證整車靜置時間性能指標滿足要求，一般要求為6周。

1.1 靜態(tài)電流驗證

整車靜態(tài)電流驗證需要在常溫環(huán)境中進行，蓄電池電壓要求大于12 V并保證整車功能正常，試驗工況見表1。

表1 靜態(tài)電流測試工況

試驗開始后，對整車靜態(tài)電流值及總線報文進行采集。

整車靜態(tài)電流測量的平均值要求不大于整車靜態(tài)電流理論值，理論值是通過各個控制器靜態(tài)電流疊加計算得出，整車進入休眠及低功耗模式的時間不大于設計要求，在不同工況下，整車必須能夠進入休眠模式。整車在測試過程中，不允許出現(xiàn)控制器非正常喚醒情況。

1.2 冷起動試驗

蓄電池容量通過前期設計得出，容量的計算需考慮使用條件、行駛條件、環(huán)境溫度、整車靜態(tài)電流、慣性負載等綜合因素［3］。冷起動試驗是通過對蓄電池放電，使其處于不同的SOC值，驗證不同狀態(tài)下的起動能力，見表2。

表2 冷起動試驗工況

冷起動試驗要求在-30℃的環(huán)境模擬實驗室或滿足條件的室外進行，整車需在要求環(huán)境溫度下存放12 h以上，使發(fā)動機機油及冷卻液溫度與環(huán)境溫度一致。每次起動機拖動發(fā)動機的時間不得超過10 s。在規(guī)定時間內，發(fā)動機能起動自行運轉，即為起動成功；若在規(guī)定時間內，未能自行運轉，即為起動失敗。

2 整車動態(tài)電平衡的驗證

整車動態(tài)電平衡試驗是通過怠速試驗及道路試驗兩方面進行驗證，怠速試驗在道路試驗之前進行，通過怠速試驗來確定發(fā)電機的怠速輸出是否能在不同工況下滿足整車用電需求，其中怠速試驗包含低溫、常溫、高溫3種試驗工況；道路試驗通過不同的路況、溫度、用電器使用情況，來全面分析發(fā)電機、蓄電池及用電器之間的平衡關系，其中道路試驗包含城市低溫、城市高溫、山區(qū)高溫、新歐洲駕駛循環(huán)4種試驗工況。

2.1 怠速試驗

為了模擬車輛在極限溫度下供電系統(tǒng)電量平衡的情況，選擇夏季溫度高于40 ℃、冬季溫度低于-20 ℃條件下進行試驗［1］。試驗使用全新蓄電池，并將蓄電池SOC置于60%，車輛在試驗開始前應置于要求環(huán)境溫度中至少12 h，對車輛分別進行低溫怠速、常溫怠速、高溫怠速3種工況測試，見表3。

表3 怠速試驗工況

電氣負載有不同的載荷循環(huán)。可區(qū)分為連續(xù)負載（點火、燃油噴射等）、長時間負載（照明、加熱后窗等）和短時間負載（轉向信號燈、停車燈等）。有些負載的使用有季節(jié)性（夏天的空調、冬天的采暖）。散熱器電風扇的工作時間取決于溫度和行駛工況［4］。

怠速試驗工況的設定，是在車輛靜止怠速情況下，同時考慮用電器的日常使用以及極限使用情況，因此，根據(jù)不同的季節(jié)、環(huán)境排列出用電器的使用情況，見表4。

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整車試驗需要在環(huán)境模擬試驗室或滿足溫度條件的室外進行。每個怠速試驗循環(huán)結束后，試驗后的蓄電池SOC應大于試驗開始時。

2.2 道路試驗

道路試驗需要在帶有轉轂的環(huán)境模擬試驗室或滿足溫度條件的室外道路進行。通過測量汽車在各典型工況下，發(fā)電機、蓄電池及用電器的用電狀態(tài)和車內各關鍵部件處的溫度狀態(tài)，來全面評測實車的電平衡狀態(tài)［5］。試驗使用全新蓄電池，并將蓄電池SOC置于60%，車輛在試驗開始前應置于要求環(huán)境溫度中至少12 h，對車輛分別進行城市低溫、城市高溫、山區(qū)高溫、新歐洲駕駛循環(huán)4種工況測試，見表5。

表4 怠速試驗用電器執(zhí)行表

表5 道路試驗工況

道路試驗車速的設定，是根據(jù)不同的環(huán)境模擬出不同工況下的極限駕駛狀態(tài)，具體如下。

1）在城市工況下，要求模擬低速行駛、怠速等待等實際駕駛情況，最大車速不高于40 km/h。

2）在山區(qū)工況下，要求80 km/h行駛30 min，爬坡（最低擋位）行駛15 min，怠速30 min。

3）歐洲駕駛循環(huán)如圖1所示。

圖1 歐洲駕駛循環(huán)

道路試驗工況的設定，是根據(jù)不同的季節(jié)、環(huán)境、車輛行駛狀態(tài)排列出用電器的極限使用情況，見表6。

表6 道路試驗用電器執(zhí)行表

3 試驗數(shù)據(jù)分析

以某款乘用車為例，對整車進行靜態(tài)及動態(tài)電平衡試驗，選取其中幾種工況下試驗數(shù)據(jù)進行分析，分析整車電氣能量產生/消耗的平衡關系［6］。表7為冷起動試驗結果，蓄電池最低起動SOC為60%。

表7 冷起動試驗結果

圖2為靜態(tài)電流測試數(shù)據(jù)，車輛在鎖車后460 s進入低功耗模式，在低功耗模式下，整車沒有出現(xiàn)由于誤喚醒導致的整車靜態(tài)電流增加，平均靜態(tài)電流為10.85 mA，測試期間未出現(xiàn)控制器喚醒情況。結合蓄電池冷起動試驗結果綜合評估，整車靜置時間性能指標滿足要求。

圖2 靜態(tài)電流測試數(shù)據(jù)

圖3 為高溫怠速試驗數(shù)據(jù)。在怠速情況下，發(fā)電機轉速較低，輸出電流較小，但蓄電池始終處于充電狀態(tài)，在試驗結束后，蓄電池SOC較試驗開始時增加16%，整車在試驗過程中沒有出現(xiàn)用電器失效等情況。因此，整車高溫怠速試驗滿足試驗要求。

圖3 高溫怠速試驗數(shù)據(jù)

圖4 為低溫怠速試驗數(shù)據(jù)。在低溫試驗中，加熱類用電器均被打開，因此，整車負荷大大提高，試驗開始后，蓄電池處于放電狀態(tài)，蓄電池電壓不斷降低，當電壓降至一定程度后，整車能量管理策略介入，將一部分加熱用電器斷開，使蓄電池恢復充電狀態(tài)，但平均充電電流很小，在試驗結束后，蓄電池SOC較試驗時增加3%。因此，整車低溫怠速試驗滿足試驗要求。

圖4 低溫怠速試驗數(shù)據(jù)

圖5 為城市高溫試驗數(shù)據(jù)。在城市道路試驗中，整車包含低速行駛、怠速等待等試驗工況，平均車速較低，車速的不斷變化使得發(fā)電機的發(fā)電能力也隨之不斷變化。同時，冷卻風扇的開啟，使蓄電池充電電流大幅降低，但蓄電池平均充電電流大于0，發(fā)電機的輸出可以保證整個電氣系統(tǒng)的用電需求，在試驗結束后，蓄電池SOC較試驗開始時增加28%，整車在試驗過程中沒有出現(xiàn)用電器失效等情況。因此，整車城市高溫試驗滿足試驗要求。

通過上述試驗數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)電機在多數(shù)情況下可以滿足整車用電需求，但在低溫怠速試驗中，由于加熱類用電器功率較大，以及怠速時發(fā)電機的輸出較低，此時發(fā)電機輸出的不足可以由蓄電池進行短時補充，同時，能量管理策略的及時介入避免了蓄電池的進一步饋電，從而保證了整車的正常運行。

圖5 城市高溫試驗數(shù)據(jù)

4 總結

本文通過靜態(tài)及動態(tài)兩方面驗證整車電平衡的性能，保證了車輛靜態(tài)存放要求及動態(tài)行駛的可靠性。全面的試驗驗證使得發(fā)電機及蓄電池的選型更加合理，從而降低了整車的成本、質量及油耗。隨著智能發(fā)電機及能量管理策略在整車中的應用，蓄電池隨時需要為整車提供供電，因此，全面可靠的試驗驗證是整車電平衡設計開發(fā)中重要的一部分。