整車電平衡的計算及驗證

賴建文, 蘇秀花, 王 堅

(柳州五菱新能源汽車有限公司, 廣西 柳州 545007)

目前,汽車整車電平衡設計主要采用經驗公式估算,沒有充分研究車輛電器系統之間的關系,也缺少試驗數據支持,且每個主機廠的計算方法和評價標準各有不同。本文提出整車電平衡的計算原則,闡述電器電平衡計算的方法及標準;并通過分析不同工況下各電氣設備的動態參數,驗證整車電平衡設計的合理性,在保證系統安全、可靠的前提下,為產品的成本優化提供數據支持與整改建議[1]。

1 整車電平衡計算

1.1 整車電平衡計算原則

目前行業內對于整車電平衡計算的原則只是要求發電機必須在絕大多數運行工況下,能夠給各用電設備提供足夠的電能,同時又能保證給蓄電池充電即可。本文從兼顧使用和成本角度出發,按本企業標準,對電平衡的計算原則提出以下具體要求:

1) 發電機的額定輸出電流應在整車最大負載工作電流的1.2～1.5倍之間。

2) 發動機怠速時,發電機輸出電流應為其額定電流的55%～80%。

3) 車輛怠速高負載運行時,蓄電池容量SOC降至60%的時間至少為40 min,即:

C20×(0.9-0.6)÷Ib×60≥40

(1)

式中:C20為蓄電池容量;Ib為放電電流。

4) 發動機怠速高負載時,蓄電池的放電電流Ib應不大于該蓄電池20 小時率電流的6倍,即:

Ib≤6×C20÷20

(2)

5) 必須有足夠的電能儲備,保證車輛在正常運行或駐車停放一段時間后仍可以起動及工作,即:

Ia≤C20×(0.9-0.65-d×T)÷(T×24)[2]

(3)

式中:T為允許駐車的時間,一般為42天;d為蓄電池每天的自放電率,一般為1‰;Ia為整車靜態電流,一般要求小于20 mA。

1.2 蓄電池容量計算

蓄電池容量偏小時,會影響車輛的駐車時間,而長期的深度放電,也會大大影響蓄電池的壽命;蓄電池容量偏大時,會影響布置空間,同時也會導致質量過剩和成本增高。

1) 按式(4)計算蓄電池的額定容量:

C20=C×P÷U[2]

(4)

式中:C為配電系數,本文取620～810;P為起動機額定功率;U為車輛的電壓等級。

2) 根據式(3)的變形計算蓄電池容量,即:

C20≥Ia×(T×24)÷(0.9-0.65-d×T)

(5)

3) 蓄電池的低溫起動電流通常指在環境溫度-17.8～28.9 ℃的條件下,發動機正常啟動所需的電流值,滿足汽車在低溫環境下的冷啟動電能需求也成為蓄電池匹配的重要依據[3]。一般根據起動機特性曲線圖進行估算,該電流值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,同時小于功率曲線與力矩曲線交點處對應的電流[4],如圖1所示。

圖1 起動機特性曲線圖

1.3 發電機功率與整車耗電量的匹配計算

1.3.1 整車電氣負荷分類及典型用電工況

整車用電設備可以分為連續工作制、短時工作制和隨機工作制3種[5]。連續工作制主要包括點火系統、燃油系統、行駛系統、儀表燈等;短時工作制主要包括燈光系統、雨刮系統、電喇叭等;隨機工作制主要包括電動門窗、空調系統、ABS及其他用電器。

汽車在行駛過程中幾種較為典型的用電工況大致可分為平常日間、平常夜間、冬季日間、冬季夜間、冬季雪夜、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜[6]。根據車輛的實際運行狀態,以最符合國內城市工況的WLTC工況作為標準工況,在最初的設計中,按車速不大于50 km/h作為該工況的計算標準。

1.3.2 用電設備等效負荷計算

為分析計算方便,通常需要引入用電設備的使用頻度系數μ。各用電設備μ與環境氣候密切相關,其中μs是與夏季相關的頻度系數,μo是與季節氣候無關的頻度系數,μw是與冬季相關的頻度系數[7],各廠家對頻度系數的定義都基本相同。

先按照式(6)計算加權功率Ps,再按照式(7)計算用電設備等效電流Is。

Ps=P×μ

(6)

Is=Ps÷U

(7)

式中:P為用電設備額定功率;μ為各用電設備的使用頻度系數;U為發電機或DC/DC的標稱輸出電壓。

根據用電工況、頻度及用電設備等效負荷計算公式計算整車在不同季節和環境下的用電量,某車型的計算結果見表1。

表1 某車型用電功率匯總表(電壓等級14 V)

1.3.3 發電機的主要參數確定

1) 以某車型為例,該車蓄電池容量C20為100 Ah,輪胎半徑為0.328 6 m,發動機怠速轉速為750 r/min,怠速開空調轉速為850 r/min,發電機皮帶輪與發動機曲軸皮帶輪的傳動比為52∶136。查看該車型發電機的特性曲線圖,得出該車型發動機在怠速工況及開空調時的輸出電流分別為75 A和82 A。

2) 從表1可知,該車型在冬季雪夜及夏季雨夜的整車耗電量分別為68.86 A和107.01 A,蓄電池放電電流Ib等于整車耗電量減去發電機輸出電流值,得出蓄電池在冬季雪夜的放電電流Ib為-6.14 A,處于充電狀態。而夏季雨夜的放電電流Ib為25.01 A,按式(1)計算夏季雨夜蓄電池的連續放電時間為72 min,編制怠速工況下電源系統輸出表見表2。

表2 怠速工況電源系統輸出表

2 整車電平衡驗證

2.1 測試原理及方法

整車電平衡測試的關鍵在于工況的設計和選擇[8]。而為了評價整車電平衡的測試效果,則需評估供電能力與負載消耗量之間的匹配合理性,故在測試過程中,應記錄發電機、蓄電池等供電系統的電壓電流信號[9],怠速時蓄電池的放電時間等。

1) 按照圖2正確連接CSM模塊的電壓測試探針和電流傳感器,并將溫度貼片接入前艙、乘客艙等關鍵位置。

圖2 電平衡測試原理圖

2) 試驗工況的選擇上,各廠家的怠速工況和高速工況測試方案大體相同,而電平衡試驗的關鍵在于城市工況的選擇,城市工況的選擇越合理,越能反映車輛在實際道路中的表現[10]。該測試工況應包含夏季雨夜和冬季雪夜,試驗過程中的換擋應速度平穩,實際車速與工況設定車速的偏差不應超過±3 km/h,并按不同的頻度系數表打開相應的電器負載,測試時間60 min,以WLTC工況作為測試工況,工況曲線如圖3所示。

圖3 WLTC工況圖

2.2 測試結果

夏季雨夜時,蓄電池最小充電電流為1.69 A,蓄電池SOC變化率為4.82%,怠速空調時,蓄電池放電電流為10.95 A,蓄電池SOC變化率為-7.3%;冬季雪夜時,蓄電池最小充電電流為2.02 A,蓄電池SOC變化率為3.02%,怠速暖風時,蓄電池放電電流為-1.79 A,蓄電池SOC變化率為1.19%。車輛滿足電平衡測試的評價標準,測試結果見3。

表3 電平衡測試結果(WLTC工況)

3 結束語

本文通過一套電平衡的設計原則及計算方法,在研發的初期階段得出供放電系統較佳的配合參數,并通過后期的試驗驗證電平衡設計的有效性。在未來的設計和驗證中,可以應用仿真軟件更好地模擬整車電氣性能,并對各項指標參數進行修正,從而得到更精準的數值;而工況的模擬也應能進行更多參數的修正,使車輛的運行更接近客戶所需要的實際工況,進而更準確地分析電源系統的效率及壽命,使車輛電源系統的設計達到最優狀態[11]。