汽車電量平衡的設(shè)計(jì)計(jì)算與驗(yàn)證研究

江濤

（柳州悠進(jìn)電裝有限公司 廣西柳州 545616）

汽車電量平衡的設(shè)計(jì)計(jì)算與驗(yàn)證研究

江濤

（柳州悠進(jìn)電裝有限公司 廣西柳州 545616）

在一定時(shí)間內(nèi)，整車用電器、蓄電池、發(fā)電機(jī)的電能消耗與產(chǎn)生表現(xiàn)為一種平衡且較為穩(wěn)定的狀態(tài)即為整車電平衡，這是對(duì)整車性能進(jìn)行衡量的重要指標(biāo)。這一指標(biāo)能夠?qū)⒄囉秒娦枨?、發(fā)電機(jī)輸出能力間的匹配關(guān)系體現(xiàn)出來(lái)，電平衡性能要求并不是固定統(tǒng)一的，會(huì)因整車性能目標(biāo)定義的不同而變化，因此，其設(shè)計(jì)計(jì)算與驗(yàn)證方法是否適宜關(guān)系重大。本文主要圍繞汽車電量平衡設(shè)計(jì)計(jì)算與驗(yàn)證展開(kāi)討論。

電動(dòng)機(jī)；蓄電池；整車電平衡

前言

整車用電設(shè)備增多是汽車電子技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，這一變化加大了整車電源系統(tǒng)的壓力，只有合理設(shè)計(jì)整車電源系統(tǒng)，才能確保電量能夠滿足使用需求，為行車的安全與可靠提供重要保障[1]。設(shè)計(jì)整車電源系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何匹配用電設(shè)備、蓄電池以及發(fā)電機(jī)間的電量，匹配不當(dāng)?shù)那闆r下會(huì)對(duì)整車正常運(yùn)行產(chǎn)生直接影響。

1 零部件選型

設(shè)計(jì)汽車電平衡需將對(duì)下因素考慮充分，具體如整車用電器使用頻度與功率、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)等，關(guān)鍵零部件影響因素與選型順序可經(jīng)圖1進(jìn)行描述。本文主要對(duì)發(fā)電機(jī)、蓄電池以及起動(dòng)機(jī)的選型進(jìn)行討論。

圖1

1.1 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，將電量發(fā)出以確保用電器用電需求得以滿足，同時(shí)對(duì)蓄電池所消耗電能進(jìn)行補(bǔ)充，以上即為發(fā)電機(jī)的主要作用。作為汽車電能的主要來(lái)源，發(fā)電機(jī)的選型需確保電量供給滿足用電設(shè)備需求，提升發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性，選擇確定其功率時(shí)需考慮到蓄電池充電量與正常電器用電量。這一零部件的轉(zhuǎn)速與其發(fā)電能力存在關(guān)聯(lián)性，其發(fā)電量會(huì)因轉(zhuǎn)速的提高而增大。各運(yùn)行工況下整車用電器的使用頻度與其電能消耗量存在一定的關(guān)聯(lián)性，發(fā)電機(jī)的選型可對(duì)整車用電器用電量、發(fā)電機(jī)發(fā)電能力關(guān)系進(jìn)行計(jì)算來(lái)完成。

整車用電器功率計(jì)算方法說(shuō)明。以汽車電器用電性質(zhì)為依據(jù)進(jìn)行分類，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類汽車電器。在行駛過(guò)程中用電器的使用為長(zhǎng)期性的即為Ⅰ類用電器，包含冷卻風(fēng)扇等有條件長(zhǎng)期使用和油泵等無(wú)條件長(zhǎng)期使用的用電器；短期使用但為安全行駛必備如轉(zhuǎn)向燈等為Ⅱ類用電器；隨機(jī)使用，具有改善舒適性作用如電動(dòng)門窗等為Ⅲ類用電器。以Ⅰ加權(quán)=Ⅰi×μi公式進(jìn)行整車用電電流的計(jì)算。

1.2 蓄電池

將發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是蓄電池最主要的功用，因此，需對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或起動(dòng)機(jī)的特性進(jìn)行分析后再進(jìn)行蓄電池的選型。應(yīng)首先對(duì)起動(dòng)機(jī)輸出特性曲線圖進(jìn)行分析，以最大功率對(duì)應(yīng)起動(dòng)電流為準(zhǔn)確定蓄電池低溫起動(dòng)電流，蓄電池低溫起動(dòng)電流應(yīng)較大才能為起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供保障，同時(shí)，不可比力矩曲線、功率曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)電流大。為加大發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的可靠程度，應(yīng)對(duì)滿足條件的蓄電池進(jìn)行篩選，以容量較大者為最終選擇[2]。依據(jù)上述原則對(duì)蓄電池進(jìn)行選型，可避免體積增大而對(duì)整車裝配質(zhì)量與空間造成影響，以及容量太大造成浪費(fèi)等問(wèn)題。

起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)能在車輛長(zhǎng)時(shí)停放或長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)那闆r下進(jìn)行，因此，需對(duì)整車靜態(tài)電流驗(yàn)證來(lái)進(jìn)行蓄電池的選型。儲(chǔ)運(yùn)時(shí)間以T表示，1d中蓄電池自耗損率以1‰表示，車輛正常啟動(dòng)蓄電池最小額定電量、實(shí)際電量之比為65%，下線情況下，蓄電池額定容量、實(shí)際容量之比為90%，20h率額定容量以C20表示，則（90%-65%-1‰×T）×C20/（24×T）可得整車靜態(tài)電流。最后，還需以車輛主要用途、銷售區(qū)域、蓄電池布置位置等因素為依據(jù)對(duì)蓄電池參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。

1.3 起動(dòng)機(jī)

將發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是起動(dòng)機(jī)的主要作用，2～5s大電流工作是對(duì)起動(dòng)機(jī)的常規(guī)要求。這一關(guān)鍵零部件的性能參數(shù)由其起動(dòng)特性決定，起動(dòng)轉(zhuǎn)速與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是其起動(dòng)特性的主要參數(shù)。以極限低溫工況為前提進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)定，以M0代表起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以n0代表起動(dòng)轉(zhuǎn)速對(duì)起動(dòng)需求功率進(jìn)行計(jì)算，M0×n0×2π/60 即為起動(dòng)需求功率。

以齒輪嚙合效率η與傳動(dòng)比i為依據(jù)對(duì)起動(dòng)機(jī)輸出參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通常情況下，η即0.9，則發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，P0/η為功率，N0×i為轉(zhuǎn)速，M0×i為轉(zhuǎn)矩。溫度的變化會(huì)對(duì)起動(dòng)機(jī)輸出功率產(chǎn)生影響，因此，需以溫度系數(shù)為依據(jù)對(duì)起動(dòng)機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行計(jì)算，將其修正為常溫下參數(shù)，至此才是起動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇的真正完成。

2 驗(yàn)證方法

2.1 靜態(tài)平衡驗(yàn)證

①對(duì)靜態(tài)電流進(jìn)行測(cè)定，將所有用電器關(guān)閉，并將車輛鎖好，在電流無(wú)明顯變化情況下（即進(jìn)入休眠狀態(tài)）將此時(shí)電流值記錄下來(lái)，確定靜止?fàn)顟B(tài)下整車的耗電量。②低溫下測(cè)定最低起動(dòng)容量，以-30℃低溫條件為前提對(duì)整車起動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試，所用鉛酸蓄電池充電量分別為50%、40%、30%、20%，對(duì)蓄電池低溫起動(dòng)能力進(jìn)行考核。③對(duì)蓄電池自放電電流進(jìn)行測(cè)量確定，蓄電池廠商不同所設(shè)置的自放電電流也存在一定的差異，為確保設(shè)計(jì)時(shí)選型定義的全面準(zhǔn)確，應(yīng)向蓄電池廠商進(jìn)行這一重要參數(shù)的確定[3]。④測(cè)量汽車用電器負(fù)載，在一般用電狀態(tài)下令汽進(jìn)行30min的運(yùn)行，使蓄電池電壓在一定電量水平下達(dá)到基本穩(wěn)定。在這一情況下對(duì)各主要用電器不同功耗耗電量進(jìn)行測(cè)量，即一般功耗、低功耗、高功耗，特別是最高值測(cè)量，從而保證理論值能夠與實(shí)測(cè)值吻合。

2.2 動(dòng)態(tài)平衡驗(yàn)證

主要以汽車電平衡道路試驗(yàn)方法對(duì)動(dòng)態(tài)平衡進(jìn)行驗(yàn)證，在各類典型工況下對(duì)汽車各關(guān)鍵部件溫度狀態(tài)，用電器、蓄電池以及發(fā)電機(jī)的用電狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)上述方法來(lái)對(duì)實(shí)車電平衡狀態(tài)進(jìn)行全面評(píng)測(cè)。通用蓄電池測(cè)試儀、數(shù)字采集軟件、筆記本計(jì)算機(jī)、萬(wàn)用表、電流傳感器以及數(shù)據(jù)采集器為道路試驗(yàn)所用設(shè)備，電流傳感器有開(kāi)口與閉口兩種，測(cè)量蓄電池充放電電流若要求量程不超過(guò)500A，精度需超過(guò)0.2%，則以閉口電流傳感器進(jìn)行測(cè)量較為適宜，開(kāi)口電流傳感器主要應(yīng)用于其他情況。

測(cè)試參數(shù)，對(duì)溫度值、電壓與電流進(jìn)行監(jiān)控，測(cè)量蓄電池端電壓、發(fā)電機(jī)端電壓、用電器耗電總電流、發(fā)電機(jī)發(fā)電電流、蓄電池充放電電流。同時(shí)以特殊要求測(cè)量點(diǎn)為依據(jù)對(duì)車內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、發(fā)電機(jī)外殼溫度、蓄電池周圍溫度等進(jìn)行測(cè)量。

預(yù)處理蓄電池。拆下樣車上的蓄電池，應(yīng)用16V恒壓通過(guò)通用蓄電池測(cè)試儀進(jìn)行2h的充電，再以4A恒流進(jìn)行1h充電，然后以電流C20/20A進(jìn)行放電，直至10.5V，測(cè)量蓄電池C20。對(duì)蓄電池充電完全，以蓄電池測(cè)量容量50%為準(zhǔn)進(jìn)行I20放電，在蓄電池剩余電量為50%時(shí)對(duì)其電壓進(jìn)行測(cè)量。蓄電池充電電流與電量密切相關(guān)，電量低則電流大，二者為負(fù)相關(guān)，對(duì)蓄電池電流進(jìn)行統(tǒng)一，確保試驗(yàn)具備可重復(fù)性與一致性[4]。

確定汽車負(fù)載。電氣負(fù)載在汽車運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)常常發(fā)生變化，試驗(yàn)通常選擇低功耗與高功耗條件進(jìn)行。因發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與其發(fā)電能力相關(guān)，而汽車行駛工況又與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，因此，試驗(yàn)需考慮多種工況因素，山區(qū)公路工況、高速公路工況、城市工況、怠速工況為試驗(yàn)的主要工況。各工況試驗(yàn)?zāi)康囊?jiàn)表1。

表1 不同工況試驗(yàn)?zāi)康姆治?/p>

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)整車電平衡性能進(jìn)行合理設(shè)計(jì)具有重要意義，一方面合理設(shè)計(jì)可為電源系統(tǒng)的可靠安全提供保障，另一方面，合理設(shè)計(jì)對(duì)于零部件選型具有指導(dǎo)作用，可減少零部件如蓄電池以及發(fā)電機(jī)等的成本，提高零部件的使用壽命和質(zhì)量，使整車油耗降低，值得深入探討并不斷完善其設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法。

[1]焦慶宏，王溫銳，宋寧.輕型商用車電量平衡試驗(yàn)研究[J].汽車技術(shù)，2015（02）：24～28.

[2]趙文慶.整車用電量平衡計(jì)算[J].汽車電器，2015（08）：32～34.

[3]韓海川，王子龍.某乘用車電平衡驗(yàn)證方法與應(yīng)用[J].汽車工程師，2015（10）：47～48.

[4]安永嶺，端木瓊，王子龍，等.基于某款車型的整車電平衡驗(yàn)證測(cè)試[J].汽車電器，2015（07）：63～66.

U463.6

A

1004-7344（2016）18-0302-02

2016-6-10

江 濤（1984-），男，廣西來(lái)賓人，助理工程師，主要從事技術(shù)開(kāi)發(fā)方面的工作。