城市公交車整車電平衡設計

夏侃侃 劉童亮 王艷飛

摘要：隨著汽車電子電器技術的迅速發展，電器功能日益增多且復雜，對車輛舒適、智能和安全可靠性等要求的提高，整車電平衡的設計及驗證尤顯重要。本文結合試驗數據，分析改進電平衡的設計計算方法;重點結合整車電平衡試驗做出動態特性曲線，對電平衡理論計算結果進行驗證。

關鍵詞：蓄電池容量、整車用電器的供用電、起動機、發電機。

1.汽車電平衡的設計方法

汽車電平衡的設計需要考慮發動機參數、整車用電器功率和使用頻度等，重點需要關注電平衡關鍵零部件選型順序和各關鍵零部件的影響因素。

2.起動機的選型

起動機的作用是起動發動機，一般需要起動機以大電流工作2～5s。發動機的起動特性決定了起動機的性能參數，發動機的起動特性參數包括起動轉矩和起動轉速。設定試驗測定極限低溫工況下的起動轉矩為M0，起動轉速為n0，由M0和n0可得出起動需求功率P0=M0×n0×2π/60。根據傳動比i和齒輪的嚙合效率η（η通常為0.9），可計算出發動機起動過程中起動機的輸出參數：轉矩M1=M0/i，轉速n1=n0×i，功率P1=P0/η。起動機的輸出功率會隨溫度而變化，再根據起動機溫度系數修正出常溫下起動機輸出的轉矩和功率，即可完成起動機的參數選擇。

3.蓄電池的選型

蓄電池最主要的作用是起動發動機，故其選型應先分析起動機（或發動機）的特性。蓄電池的低溫起動電流應大于起動機輸出特性曲線圖上功率最大點對應的起動電流，以確保實現起動發動機，同時小于功率曲線與力矩曲線交點處對應的電流，在符合條件的蓄電池中選擇容量較大者以增加起動發動機的可靠性。依此原則選擇的蓄電池，不會因蓄電池容量選擇過大出現浪費及蓄電池體積增大而影響整車的裝配空間及質量。車輛在長途運輸或長時停放后應能起動發動機，所以在蓄電池選型時，需考慮整車靜態電流的驗證。

4.發電機的選型

發電機的作用是在發動機運轉狀態下，發出電量既滿足整車用電器用電量需求，同時還能補充蓄電池消耗的電能。發電機是汽車的主要電能來源，考慮到保證整車用電設備的電量供給，提高發動機的動力性，發電機功率的選擇應保證滿足整車的正常電器用電量和蓄電池充電量。發電機的發電能力主要與發電機的轉速有關，隨著轉速的提高，發電機的發電量逐漸增大。而整車用電器的電能消耗量主要與整車用電器在各運行工況下的使用頻度相關。通過計算發電機的發電能力與整車用電器用電量的關系進行發電機的選型。

5.汽車電平衡的驗證分析

整車電平衡驗證通過靜態平衡和動態平衡兩方面來驗證。具體如下。

5.1靜態平衡

首先，針對靜態電流，則關閉所有用電器并鎖好車輛，使其進入休眠狀態后（即電流沒有明顯變化）記錄此時的電流值，確認整車在靜止狀態下耗電量。其次，針對低溫最低起動容量。使用充電量為20%、30%、40%、50%的鉛酸蓄電池，在低溫-30℃條件下，測試整車的起動情況，考核蓄電池的低溫起動能力。接著，蓄電池自放電電流。蓄電池自放電是電平衡的一個重要參數，不同的蓄電池廠商此電流會有不同，因此需要與蓄電池廠商共同確認，以保證設計時選型的定義。最后，汽車用電器負載測量。將汽車以一般用電狀態運行30min，使汽車內蓄電池達到一定電量水平，保持蓄電池電壓基本穩定。這時測量各主要用電器在高功耗、低功耗和一般功耗的耗電量，尤其是最高值，以確保實測值與理論值吻合。

5.2動態平衡

動態平衡通過汽車電平衡道路試驗來驗證。通過測量汽車在各典型工況下發電機、蓄電池及用電器的用電狀態和車內各關鍵部件處的溫度狀態，來全面評測實車的電平衡狀態。道路試驗所需設備主要有數據采集器、電流傳感器、萬用表、筆記本計算機、數字采集軟件和通用蓄電池測試儀等。試驗通過監控電流、電壓及溫度值，測量蓄電池充放電電流、發電機發電電流、用電器耗電總電流、發電機端電壓與蓄電池端電壓。并根據特殊要求測量點，測量蓄電池周圍溫度、發電機外殼溫度、環境溫度、車內溫度等。汽車運行時，其電氣負載常處于不同狀態，一般選擇高功率和低功耗進行試驗。

5.2.3電氣動態特性曲線

電氣系統的動態特性曲線是在一個行駛循環下，蓄電池電壓隨蓄電池電流的變化。該特性曲線反映了蓄電池、發動機、用電器、溫度、轉速和發動機與發電機傳動比等各部件的相互作用。特性曲線主要從以下幾方面分析。

縱坐標的電壓值，是車輛起動后從蓄電池兩端測得的電壓，該值為發電機端電壓減去發電回路電壓降得到，定義為U。某一特定發電機轉速n對應In，當用電器電流I>In時，會造成電壓U大幅度地下降。如忽略發電機回路電壓降的影響，電壓U可表示為發電機電壓，該值與發動機轉速、用電器電流、發電機的溫度有關。U0為發電機額定電壓，U1為發電機平衡狀態。從發電機效率分析，在U1之上為發電機有部分裕量，還有發電潛力;特性曲線盡可能地靠近U1，這樣發電機功率得到充分利用，又不會造成蓄電池虧電。

橫坐標表示蓄電池充放電電流，在發電機滿足負載需求條件下，分析橫坐標充放電電流與蓄電池的關系，通過試驗數據分析，-40～40A比較合理。

縱軸右側比例城市高功耗電平衡試驗后，要求充電量要比放電量大，曲線在縱軸右側為蓄電池充放電電流大于0，蓄電池處于充電狀態，所以右側數據量應大于左側。

通過以上分析，可以看出：當縱軸電壓在（U2，U1）和

6.結束語

發電機、蓄電池和整車用電器的供用電，是一個相互平衡的過程。合理設計整車電平衡性能，不但可保證車輛電源系統的安全可靠性，還可指導零部件選型，有效降低發電機、蓄電池等零部件的成本、質量，增加蓄電池等零部件壽命，降低整車油耗。

參考文獻：

[1]舒華.姚國平.汽車電器與電子技術[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]秦明華.汽車電器與電子技術[M].北京：北京理工大學出版社，2003.