輕型商用車電量平衡試驗(yàn)研究

焦慶宏 王溫銳 宋寧

（南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院）

輕型商用車電量平衡試驗(yàn)研究

焦慶宏 王溫銳 宋寧

（南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院）

汽車產(chǎn)品供電系統(tǒng)的電量平衡性能直接影響整車成本及用戶使用感受。基于某款輕型商用車開發(fā)驗(yàn)證實(shí)例，結(jié)合輕型商用車產(chǎn)品定位及使用特點(diǎn)，從整車電量平衡試驗(yàn)設(shè)定、測(cè)試要求、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則等方面進(jìn)行論述，并針對(duì)該車型在較大功率負(fù)載下整車電量不平衡問題提出了改進(jìn)意見。

1 前言

目前，在整車電量平衡試驗(yàn)及評(píng)價(jià)方面，汽車行業(yè)并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)此方面的相關(guān)研究及成果均較少，且主要集中于乘用車產(chǎn)品[1]。在商用車產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，合理設(shè)計(jì)整車電量平衡試驗(yàn)，并有效配合整車電氣系統(tǒng)的匹配優(yōu)化、評(píng)價(jià)及驗(yàn)證，是各汽車企業(yè)的技術(shù)工作重點(diǎn)之一。

本文在介紹影響整車電量平衡因素的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)電量平衡試驗(yàn)的設(shè)定、測(cè)試要求、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則等方面進(jìn)行研究，并結(jié)合某款輕型商用車產(chǎn)品開發(fā)實(shí)例進(jìn)行了說明。

2 影響電量平衡的因素

影響輕型商用車供電系統(tǒng)電量平衡的因素主要包括以下幾個(gè)方面。

2.1 工作溫度

發(fā)電機(jī)的工作溫度會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)阻、電磁特性產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致在同樣轉(zhuǎn)速情況下發(fā)電機(jī)的輸出電流不同。而整車使用環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱能力及發(fā)電機(jī)自身冷卻能力均對(duì)發(fā)電機(jī)的工作溫度有影響[2]。

圖1為某輕型商用車上匹配的交流發(fā)電機(jī)在環(huán)境溫度為23±5℃、端電壓不變的情況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與冷態(tài)和熱態(tài)輸出電流之間的關(guān)系。從圖1可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，冷態(tài)輸出電流大于熱態(tài)輸出電流，尤其在發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速6 000 r/min以上，冷態(tài)輸出電流比熱態(tài)輸出電流高出約10%。

此外，輕型商用車一般匹配酸鉛蓄電池，溫度的變化對(duì)蓄電池充電電壓、放電容量、電解質(zhì)粘度、結(jié)冰點(diǎn)都有影響。

蓄電池容量與溫度的關(guān)系為：

式中，t1、t2為電解液的溫度，一般情況下，t1為實(shí)際溫度，t2為標(biāo)準(zhǔn)溫度（25℃）；k為容量的溫度系數(shù)；Ct1為溫度為t1時(shí)的容量；Ct2為溫度為t2時(shí)的容量。

根據(jù)式（1）可知，蓄電池使用性能最佳溫度是在25℃，當(dāng)溫度每升降1℃時(shí)，相對(duì)容量大約升降0.8%。

2.2 發(fā)電機(jī)傳動(dòng)比

交流發(fā)電機(jī)的功率-質(zhì)量比隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，因此傳動(dòng)系統(tǒng)選用的傳動(dòng)比大約是1:2～1:3，從而使交流發(fā)電機(jī)以2～3倍于發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

一般輕型商用車的轉(zhuǎn)速變化范圍較大，從怠速的800～900 r/min到最大的4 000 r/min左右范圍內(nèi)，從圖1可以看出，發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力變化范圍也較大。

2.3 蓄電池容量

在輕型商用車供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，受到整備質(zhì)量和成本控制，匹配的蓄電池容量只能保證啟動(dòng)需求，在車輛行駛過程中，較多處于充電狀態(tài)，使整車用電情況更加惡劣。

2.4 使用特性

整車電量平衡特性還受到車輛電器使用情況影響，如運(yùn)行環(huán)境、時(shí)段、駕駛員的使用習(xí)慣和法規(guī)等。而車輛用電負(fù)載不同，也會(huì)對(duì)整車供電系統(tǒng)的電量平衡產(chǎn)生影響。

綜上所述，工作溫度、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和用電負(fù)載等因素都需要在電平衡驗(yàn)證過程中進(jìn)行考慮。因此，對(duì)于整車電量平衡試驗(yàn)，需要在不同季節(jié)、不同整車運(yùn)行工況及不同電氣負(fù)載情況下進(jìn)行。

3 試驗(yàn)設(shè)定

根據(jù)以上分析，為全面評(píng)價(jià)整車電量平衡性能，其試驗(yàn)設(shè)定需重點(diǎn)從試驗(yàn)溫度、車輛運(yùn)行工況和電器負(fù)載等3個(gè)方面進(jìn)行規(guī)范。

3.1 試驗(yàn)溫度

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(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)可在帶有轉(zhuǎn)轂的環(huán)境倉(cāng)模擬，或在實(shí)際道路上進(jìn)行。

在模擬不同道路條件下供電系統(tǒng)的電量平衡情況時(shí)，通常選擇發(fā)電機(jī)發(fā)電能力最弱的狀態(tài)運(yùn)行。本文中選擇低車速且車輛熱負(fù)荷較大的環(huán)境下進(jìn)行，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低，輸出電流小。

根據(jù)以上原則，進(jìn)行電量平衡試驗(yàn)時(shí)，車輛可以分為怠速工況、城市道路行駛工況及坡道行駛工況分別測(cè)試，如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況

怠速工況下，車輛靜止，此時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)電能力弱，且工作環(huán)境熱負(fù)荷大。

城市道路工況根據(jù)車輛的目標(biāo)銷售區(qū)域的實(shí)際道路行駛工況選取，也可以根據(jù)圖2中的試驗(yàn)工況進(jìn)行，此時(shí)發(fā)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速低，且發(fā)電能力不斷變化。

坡道工況時(shí)在實(shí)際道路中選擇足夠長(zhǎng)的坡道，或在轉(zhuǎn)轂上模擬坡道的道路情況進(jìn)行電平衡試驗(yàn)。此時(shí)車輛以不高于30 km/h的速度勻速行駛。

3.2 電器負(fù)載

車輛的電器負(fù)載根據(jù)使用情況不同分為3類。

第1類是車輛行駛過程中必須使用的電器，如發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、保證車輛正常運(yùn)行的各類傳感器和執(zhí)行器等，這類電器負(fù)載無需選擇，在電平衡試驗(yàn)中一直使用。

第2類是舒適性設(shè)備，如空調(diào)、風(fēng)扇、電加熱座椅、各種功能的燈等，根據(jù)整車配置，這類電氣負(fù)載在試驗(yàn)中選擇耗電最大的方式運(yùn)行。

第3類是隨機(jī)使用的設(shè)備，如電動(dòng)門窗、喇叭等，這類電氣負(fù)載規(guī)定使用時(shí)間不得低于試驗(yàn)時(shí)間的10%。

試驗(yàn)工況的制定，需考慮極限使用情況下車輛供電系統(tǒng)正常可靠運(yùn)行且保持長(zhǎng)時(shí)間的用電量情況。因此，根據(jù)不同試驗(yàn)溫度、不同車輛運(yùn)行狀況的組合，選擇電能消耗最大的電器負(fù)載方式進(jìn)行電平衡試驗(yàn)，如表2所示。

表2 用電負(fù)載功率及占試驗(yàn)時(shí)間的比率

3.3 測(cè)試要求

為了能夠結(jié)合車輛運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)車輛的電器系統(tǒng)運(yùn)行，需要在試驗(yàn)過程中應(yīng)用數(shù)據(jù)采集設(shè)備測(cè)量并記錄表3所示內(nèi)容。

表3 測(cè)試參數(shù)

測(cè)試儀器精度應(yīng)在表4所示范圍之內(nèi)。

表4 測(cè)試儀器精度

4 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

目前，電平衡試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)大致有4種。

第1種：蓄電池的充電、放電比率K。

式中，Iin為蓄電池在Δtin時(shí)間內(nèi)平均充電電流；Δtin為蓄電池充電時(shí)間段；Iout為蓄電池在Δtout時(shí)間內(nèi)平均放電電流；Δtout為蓄電池放電時(shí)間段。

考慮汽車起動(dòng)時(shí)蓄電池的容量和系統(tǒng)可靠性，K≥1.2[3]。

第2種：充（放）電電流的平均值I≤5A，則蓄電池處于動(dòng)態(tài)平衡。

第3種：蓄電池放電電流＞-15A，即可視為電平衡。

第4種：根據(jù)試驗(yàn)后蓄電池的荷電狀態(tài)是否比試驗(yàn)前增加，來評(píng)判電量平衡狀態(tài)。

第4種評(píng)價(jià)方法通常在乘用車中應(yīng)用，是整個(gè)試驗(yàn)過程的平均結(jié)果，不能反映試驗(yàn)過程中的情況。而第2、3種方法，只從蓄電池的最大或最小電流方面予以限制，也不夠全面?？紤]到蓄電池充電特性，在充電過程中適當(dāng)予以放電，則可有效消除蓄電池極板極化現(xiàn)象，達(dá)到快速充電目的。因此，通常選擇第1和第2種方法的組合，作為電平衡試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 試驗(yàn)方案

以某款輕型商用車電量平衡試驗(yàn)為例，從試驗(yàn)工況、測(cè)量及評(píng)價(jià)方法3個(gè)方面，說明此試驗(yàn)方法的應(yīng)用。該商用車的發(fā)電機(jī)、蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)信息如表5所示。

表5 車輛信息

本文以該商用車夏季全負(fù)荷道路試驗(yàn)為例進(jìn)行說明。用電負(fù)載模擬根據(jù)表2進(jìn)行選擇。

5.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

各工況下的試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5所示。

表6～表11分別給出了各試驗(yàn)工況下的測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知：

夏季怠速工況下，蓄電池充電電量和放電電量的總比率K=0，蓄電池平均放電電流I=-11.53 A；

夏季城市道路工況下，蓄電池充電電量和放電電量的總比率K=1.79，蓄電池平均放電電流I=-0.21 A；

夏季坡道工況下，蓄電池充電電量和放電電量的總比率K=9.55，蓄電池平均放電電流I=0.67 A。

表6 怠速工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表7 怠速工況充/放電的電量比率和時(shí)間比率

表8 城市道路工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表9 城市道路工況充/放電的電量比率和時(shí)間比率

表10 坡道工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表11 坡道工況充/放電的電量比率和時(shí)間比率

5.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

從數(shù)據(jù)記錄曲線及統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在夏季全負(fù)荷道路試驗(yàn)中,車輛以怠速工況運(yùn)行時(shí)，車輛處于較大功耗狀態(tài)下，且發(fā)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速低，因此發(fā)電機(jī)發(fā)電能力有限，導(dǎo)致蓄電池一直處于饋電狀態(tài)，以維持整車電器系統(tǒng)的用電。

車輛以城市道理工況運(yùn)行時(shí)，車速變化較大（1個(gè)循環(huán)60 s），平均車速低，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化很大，因此發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力也隨之變化。蓄電池在車速高時(shí)充電，在車速低時(shí)放電，但總體上發(fā)電機(jī)的輸出能滿足整車用電需求。

車輛以坡道工況運(yùn)行時(shí)，雖然車輛在較大功耗狀態(tài)下運(yùn)行，但此工況下發(fā)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速高，因此發(fā)電機(jī)的輸出電量足以保證整車電器系統(tǒng)的用電需求。

結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，車輛在較大功耗（夏季雨夜）負(fù)載下，整車電氣系統(tǒng)不能在所有工況下都處于電量平衡狀態(tài)。

鑒于上述結(jié)果，為盡可能降低發(fā)電機(jī)對(duì)整車動(dòng)力性的影響，應(yīng)適當(dāng)增加發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)比，或提高發(fā)電機(jī)的輸出功率，并按照本文提出的方法重新進(jìn)行實(shí)車測(cè)試綜合驗(yàn)證，以滿足電量平衡要求。

1 SMTC_3_840_001-2009.充電系統(tǒng)評(píng)估規(guī)范.

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（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2014年12月1日。

5 結(jié)束語

針對(duì)某中型客車進(jìn)氣噪聲問題。首先采用四負(fù)載法提取了該客車的進(jìn)氣噪聲聲源特性并作為進(jìn)氣噪聲仿真邊界條件，采用邊界元法預(yù)測(cè)分析了進(jìn)氣噪聲并提出了聲學(xué)優(yōu)化方案，最后通過整車進(jìn)氣噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的消聲效果。采用優(yōu)化方案后，該中型客車的進(jìn)氣噪聲得到了明顯改善。

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（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年12月14日。

Testing Research on Power Balance of Light Commercial Vehicle

Jiao Qinghong,Wang Wenrui,Song Ning
（Automotive Engineering Research Institute.Nanjing Automobile Group Corporation）

Power balance performance of power supply system directly affects vehicle cost and consumer feel.This paper introduces vehicle power balance test setting,requirements,evaluation criterion based on development of a light commercial vehicle,which considers vehicle market positioning and application characteristics.This paper also gives some suggestions on improvement of imbalance of vehicle power under high power load.

Light commercial vehicle,Power balance,Vehicle test

輕型商用車 電量平衡 整車試驗(yàn)

U463.6

A

1000-3703（2015）02-0024-05