汽車高效發電機效率測試優化研究

關鍵詞：高效發電機；VDA 效率；循環試驗；效率測試

0 引言

根據工業和信息化部新推出的《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》，其中規定，我國乘用車的油耗水平需在2025 年下降至4 L/100 km。同時，測試循環將由全球輕型汽車測試循環（WLTC）改為中國汽車測試循環（CLTC），整車的油耗和排放更加嚴苛。隨著汽車電子電器技術的不斷發展，整車用電功耗越來越大，作為內燃機上扭矩需求較大的附件，使得發電機效率對整車燃油經濟性的影響也越來越大[1]。

目前國內車企均使用歐洲指定的VDA 效率來定義發電機效率，選取50% 額定輸出電流在23℃的環境溫度下測試效率[2]，對于在整車評價發電機有一定局限性。例如，在整車油耗試驗中，分別選取65%、68% 和75% 的高效發電機按照GB/T 19233-2020《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》測試整車油耗，發現整車節油貢獻并不與效率成正比。為分析這種差異的來源，本文通過比較發電機VDA 效率以及發電機在整車工況測試的差異，優化了發電機效率的測試方法，可作為新形勢下發電機效率測試及評價的補充。

1 VDA 效率

1.1 VDA 效率的概念

德國汽車工業聯合會（VDA）制定了汽車標準和最佳實踐，以滿足德國汽車行業公司的需求。協會成員包括汽車制造商和汽車零部件供應商，其制定的發電機效率簡稱VDA 效率[3]。

V D A 效率在發電機性能臺架上測得， 按給定的轉速（1 800 r/min、3 000 r/min、6 000 r/min、10 000 r/min）和給定的負載（50% 負載）在25℃工作溫度下測得。此工況和整車測試下的工況有較大出入，綜合效率按式（1）計算得出。

1.2 用VDA 效率評估整車節油貢獻的不足

在同一車輛上搭載同體型但不同VDA 效率（65%、68% 和75%）的發電機，將車輛按照GB/T 19233—2020 中的6.1、6.2、6.3、6.4 及6.5 所述的方法，在23℃恒溫試驗艙內進行預處理和浸車[4]。之后按照圖2 中的車速曲線，將試驗車輛在試驗艙轉鼓上運行一個1 800 s 的循環。通過試驗艙的尾氣分析儀，可以計算出每一個循環的整車百公里油耗。

由于CLTC-P 循環中車輛開啟的電器負載較少，發電機的發電量也相應比較低。但實際駕駛中，存在各種電器負載的工作，所以還需要進行用電器的開啟和關閉試驗。在發電機VDA 效率實驗中，每組試驗由連續進行的一次用電器開啟（設定為國家推薦的50 A 電器負載）和用電器關閉試驗組成。不過，試驗車在關閉用電器測試中，由于儀表、日間行車燈以及燃油泵等還會產生基礎用電，通過儀器測量，基礎用電負載接近21 A。測試結果如表1 所示。

由測試結果可以看出，68% 效率發電機的油耗較65% 降低了0.2 L（約2.2%），但75% 效率發電機較68% 效率發電機的優勢不明顯。由此可見，VDA 效率測試具有一定局限性，降低整車油耗不能單看VDA 效率高低。另一方面，由于不同VDA 效率的發電機成本相差100 ～ 200 元/ 臺，所以更需要準確評估在整車循環工況中發電機效率的影響。

2 獲取整車循環下的發電機工況

為分析在整車CLTC-P 循環工況中發電機是怎樣工作的，試驗車輛在轉鼓上測試整車油耗時，需要同時采集發電機的數據，包括發電機工作溫度、發電機轉速以及發電機的輸出電壓、電流。其中，發電機轉速可以在采集發動機轉速后，通過速比轉換獲得；溫度和電壓、電流數據可以借助相關測試設備采集。

2.1 發電機數據采集

在整車循環試驗中，利用DEWETRON 臺架油耗測試數據采集系統實時采集發電機的輸出電流In、電壓Un 和環境溫度Tn，數據采樣頻率要求不超過100 Hz，且3 個參數的采樣頻率要一致。其中，輸出電流In 由鉗表獲得，電壓Un 由電壓傳感器獲得，環境溫度Tn 由溫敏電阻獲得。發電機轉速Nn 就可通過CAN 線中的發動機轉速信號按式（2）轉換。

2.2 發電機各項數據分析

將試驗中測得的發電機轉速Nn、輸出電流In、發電機電壓Un 和環境溫度Tn 數據分別繪制運行曲線，如圖3 ～圖6 所示。

2.3 整車循環工況下發電機運行點

根據測試數據可知，發電機轉速Nn 為2 130 ～ 7 000 r/min，發電機電壓Un 平均值為14.2 V，發電機輸出電流In 為20 ～ 30 A，環境溫度Tn 平均溫度為50℃。由此可以設置整車循環工況下發電機效率測試工況點（表2）。

3 發電機新工況點效率測試

前文通過采集試驗車輛在整車油耗測試循環中的發電機各項數據，獲得了發電機的實際運行點。這些運行點的效率對油耗有直接影響，所以有必要針對發電機在這些運行點下的效率進行臺架效率測試。

為比較VDA 效率68% 和75% 樣件在新工況下的效率差異，將測試樣件水平地安裝在LDFD-10 型發電機性能試驗臺上[5]。將驅動電機連接好測試樣件的輸入端，確保測試臺架可以運轉平順，輸出端電源線連接到設備電流電壓接線柱上，調節器需要接入勵磁電流線，溫度傳感器安裝在距離測試樣件后罩蓋25 mm 處，分別進行2 次發電機臺架效率測試。

設置試驗艙內溫度為50℃，通過試驗設備控制發電機轉速N n 和輸出電流I n ，按表2 的工況點逐一進行測試。測試過程中，每個轉速點需穩定20 min 達到熱穩態，待發電機轉速N n 和輸出電流I n 在允許的精度范圍內穩定60 s 后，通過測試設備采集輸出端發電機電壓U n 和輸入端發電機扭矩Tn 結果。

記錄電機轉速Nn 、發電機電壓Un、輸出電流In 和發電機扭矩Tn。發電機輸出功率按式（3）計算：

4 測試結果分析

通過圖3 中的發電機轉速和時間數據，統計發電機在CLTC工況下各轉速的時間比例，如圖7 所示。

計算發電機樣件在整車工況下的加權平均傳動效率，數據如表3 所示。

通過測試發現，VDA 效率68% 樣件與75% 樣件的加權平均效率差距僅為2% ～ 3%，這就解釋了為什么這2 個VDA 效率的發電機樣件，節油貢獻并不明顯。但是，這2 個樣件的標稱VDA 效率差距有7%，如果主機廠單從VDA 效率角度去評估油耗，認為VDA 效率越高對油耗越有利，這樣會導致整車油耗的偏差和成本方面的巨大浪費（不同VDA 效率的發電機，成本相差100 ～ 200 元/ 臺）。從中也可以看出，整車循環工況下的高效發電機節油貢獻與加權平均效率相關度更高，而不是VDA 效率。整車項目開發中，使用VDA 效率為68% 的發電機會具有更高的性價比。

5 結束語

本文從整車CLTC 循環工況下發電機的實際工作點入手，通過采集發電機實際工作轉速、扭矩、輸出電壓、輸出電流和工作溫度，分析了為什么發電機VDA 效率在節能評價時存在局限性。在此基礎上，制定了一種新的發電機效率測試方法，作為新形勢下發電機效率測試及評價的補充，對高效發電機本體設計開發也具有借鑒意義。該測試方面可以有針對性地去提升某些點的效率，減少不必要的浪費和整車開發成本。