蓄電池電壓對整車燃油經濟性的影響

馮華帥 黃宇琪 黃春海 葉才盛 姜宏霞 朱海龍

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 前言

隨著全球車輛燃油消耗法規的日益嚴格，油耗的降低需要提上日程。其次，低油耗也是一項客戶選擇購買該車型車輛的因素之一，在國內的油耗測試過程主要包含NEDC 和WLTC 循環曲線，在開發過程中，EMS（engine model system）發動機控制系統參數的優化會參考油耗測試結果，逐步的優化標定手段。油耗測試中，如果邊界條件的不同造成油耗測試結果散差較大的話，反而會影響工程人員的正確判斷或者歪曲了標定優化方向。所以，規范循環曲線測試中的邊界條件如試驗前的蓄電池電壓、環境溫度等顯得尤為重要。

2 理論分析

為了讓整車不同控制模塊之間的信號簡單交互，市場主流的EMS 控制模塊架構一般都采用扭矩結構來實現，通常包含內部扭矩請求和外部扭矩干預。

2.1 扭矩補償

扭矩補償的方式一般是EMS 控制系統在接收到某一信號作為觸發機制，如CAN總線信號標志位，主動的增加扭矩以防止發動機轉速波動過大。這種方式的好處是能夠有效精準的施加扭矩到發動機輸出端，但是需要一種激活機制/ 信號。一些常規的負載如助力轉向、壓縮機結合等都可以從自身的控制模塊通過CAN 總線信號告知EMS 控制系統，但是由于成本限制，整車一些用電器負載標志位沒有辦法通過CAN總線信號輸出，所以不能采用扭矩補償的方式。

圖1 儲備扭矩和扭矩補償原理簡圖

2.2 儲備扭矩

儲備扭矩的原理是讓發動機相同運行工況下時保持相同扭矩輸出的同時，通過增加進氣量和減小點火角來達到相同扭矩值的輸出，通過這種方式的好處是，發動機的扭矩余量充分。當未知負載施加到發動機端或者其他模塊有扭矩干預請求時，發動機可以通過點火角的控制快速提高扭矩來增加發動機控制的穩定性和響應性，比如發動機轉速由于未知負載的影響導致轉速掉坑嚴重，EMS 控制系統可以通過點火角的快速調控，把發動機的轉速拉上來從而防止熄火，這是一種后知后覺的扭矩增加方式。但是儲備扭矩通常不宜過大，過大的儲備扭矩反而會影響發電機的燃燒性能，如下圖2 所示。

圖2 儲備扭矩的影響因素示意圖

2.3 發電機充放電

發電機一般包含電壓調節器，轉子、定子、限流電路等常規零部件，發電機的電壓調節器會根據整車負載實時調控工作電壓，一般12V-13V 左右。發電機通過皮帶與發動機皮帶輪連接，所以發電機供電的時候是發動機的一個負載，除了自身的摩擦損失還有發電損失，需要消耗發動機燃燒產生的能量。

1>車輛啟動前，蓄電池負責給整車用電器供電。

2>車輛啟動后，當蓄電池的電壓較小時，發電機除了滿足整車用電器的用電需求外還需要給蓄電池充電。當蓄電池充滿電后，最終達到電平衡，此后發電機只負責給整車用電器供電。

3>車輛啟動后，當蓄電池電壓較大時，蓄電池和發電機可以同時給整車用電器供電，這樣就可以減輕發電機的能量消耗，最終達到電平衡。這個充放電過程的不同在油耗測試中能夠起到一定的作用，不但減少了發動機實際扭矩的輸出，還優化了發動機的儲備扭矩所帶來的的燃燒惡化。

實際整車工況情況較多，發電機的充放電動態過程較為復雜，總體來說發電機充放電原理如下圖3 簡單舉例：

圖3 發電機和蓄電池充放電原理簡圖

3 試驗研究

選取車輛在不同初始蓄電池電壓下進行NEDC 循環測試，同時接上采集電流測試設備采集電流方向和大小，測試點實車布置的原理如圖6 和圖7 所示。對測試結果進行分析可以發現，在整個NEDC 循環曲線中：

1>當初始蓄電池電壓低時，發電機放電電流和蓄電池的充電電流值較大（藍色線），原因是發電機除了滿足整車用電器的基本需求外，還會給蓄電池充電，但是此時蓄電池負載較大。

2>當初始蓄電池電壓高時，發電機放電電流和蓄電池的充電電流較小（紅色線），同理，發電機滿足整車用電器的基本需求外，也會給蓄電池充電，而此時蓄電池的負載較小。

另外還可以發現發電機的輸出端負載在不同初始蓄電池電壓下整體呈現延遲效果，電壓越小延遲越大，最終輸出負載波形會逐漸同步。發電機負載的定義是發電機的工作狀態的波動，正常工作時發電機控制芯片內設定一個目標電壓，發電機的實際發電的電壓會圍繞這個設定值閉環控制。而當蓄電池電壓高時，發電機占空比輸出可以減少（即負載）就能保持目標電壓的控制收斂。而當蓄電池電壓低時，輸出的占空比相應要提高。所以在實際的發電機輸出負載波動如圖6 所示。

圖4 NEDC 循環發電機放電電流圖

圖5 NEDC 循環蓄電池充電電流圖

圖6 NEDC 循環發電機負載對比圖

圖7 試驗設備部分布置實物圖

如下圖圖9 所示，不同初始蓄電池下的儲備扭矩不一樣，蓄電池電壓較小時儲備扭矩較大，電壓較小時儲備扭矩較大。原因是蓄電池作為負載發動機之一，引起怠速控制上的轉速波動最終會通過儲備扭矩體現，并且可以發現蓄電池電壓越高，儲備扭矩之間的差別越小，蓄電池電壓越低，儲備扭矩之間的差別則越明顯。

圖8 電流測試布置原理簡圖

圖9 不同蓄電池初始電壓下的儲備扭矩圖

4 效果評價

NEDC 油耗測試結果證明初始蓄電池電壓是影響油耗測試的關鍵因素，通過規范的初始蓄電池電壓邊界能有效收斂油耗大約0.2L/100Km。所以，油耗測試前需要將蓄電池充滿，否則會影響結果的評判。

5 總結

本文針對不同初始蓄電池電壓下的油耗測試結果深入分析了EMS 控制系統儲備扭矩的原理，并且分析了儲備扭矩大小對油耗測試結果的影響。由于怠速工況在整個循環曲線中占比較大，所以優化儲備扭矩可以顯著的改善油耗測試結果。然而儲備扭矩則是系統外部負載的客觀真實，一般情況下與零部件的轉動慣量、功率等有關所以較難直接改善。另一種簡單的辦法是規范測試邊界條件，可以在短期內得到較大的測試收益。

圖10 不同蓄電池初始電壓下NEDC油耗測統計