客車(chē)整車(chē)電量平衡計(jì)算

聶石啟

(金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 215026)

客車(chē)電氣系統(tǒng)的電量平衡，是指客車(chē)啟動(dòng)型蓄電池、交流發(fā)電機(jī)和其他各種用電設(shè)備之間電量的消耗和產(chǎn)生的相互平衡關(guān)系。起動(dòng)機(jī)與蓄電池、整車(chē)用電設(shè)備與發(fā)電機(jī)是一個(gè)電能需求和供給關(guān)聯(lián)系統(tǒng)[1-2]。蓄電池的主要作用是向起動(dòng)機(jī)供給起動(dòng)電能，發(fā)電機(jī)是客車(chē)上的主電源設(shè)備，除在正常運(yùn)行狀態(tài)下保證整車(chē)用電設(shè)備(除起動(dòng)機(jī)外)的用電量外，還要向蓄電池充電。所以，合理地計(jì)算蓄電池容量和發(fā)電機(jī)輸出功率，既能夠保證車(chē)輛在惡劣氣候環(huán)境和不同地區(qū)條件下可以正常運(yùn)營(yíng)，又能降低蓄電池消耗量和成本[3];既能延長(zhǎng)發(fā)電機(jī)和蓄電池的壽命,又能降低發(fā)電機(jī)成本和油耗量。本文以海格牌KLQ6109T車(chē)型為例進(jìn)行論述。

1 起動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功率計(jì)算

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件

在起動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4]規(guī)定的前提下，起動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須大于發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力矩是確保發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常啟動(dòng)的必要條件[5]，其中發(fā)動(dòng)機(jī)的阻力矩主要包括壓縮阻力矩、摩擦阻力矩和慣性阻力矩3項(xiàng)。

發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所必須的轉(zhuǎn)矩M可以用式(1)求得：

M=C×L

(1)

式中：L為發(fā)動(dòng)機(jī)排量；C為比例系數(shù)，0 ℃時(shí)柴油機(jī)取70～75。

該車(chē)配置WP6.245E4發(fā)動(dòng)機(jī)，此發(fā)動(dòng)機(jī)的排量為6.75 L，計(jì)算出：

M=(70～75)×6.75=(472.5～506.25)N·m

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功率計(jì)算

起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速必須大于發(fā)動(dòng)機(jī)能夠啟動(dòng)并自行運(yùn)轉(zhuǎn)的最低曲軸轉(zhuǎn)速nmin,柴油發(fā)動(dòng)機(jī)一般為100～150 r/min。WP6.200E40發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功率P按式(2)求得：

(2)

1.3 起動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

取起動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪與發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒環(huán)的傳動(dòng)效率η(工程計(jì)算一般η取0.85～0.95)，則起動(dòng)機(jī)功率P′可按P′=P/η計(jì)算。傳動(dòng)效率η按照0.9取值，則起動(dòng)機(jī)功率P′約在5.5～9 kW之間，可以選取24 V/6 kW型的起動(dòng)機(jī)。

1.4 起動(dòng)機(jī)傳動(dòng)比選擇

計(jì)算起動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)比一般以最大功率點(diǎn)的起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為依據(jù)，并使拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于發(fā)動(dòng)機(jī)能夠啟動(dòng)成功的轉(zhuǎn)速[6]。根據(jù)起動(dòng)機(jī)工作特性可知，起動(dòng)機(jī)最大功率點(diǎn)一般在1/2最大制動(dòng)電流處。鑒于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，傳動(dòng)比較小，因此一般選取起動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)比為8～10。

2 蓄電池容量計(jì)算

蓄電池在客車(chē)上有3種工作狀態(tài)：起動(dòng)狀態(tài)、車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的充放電循環(huán)狀態(tài)和車(chē)輛靜置狀態(tài)時(shí)需要消耗電量的狀態(tài)。在進(jìn)行蓄電池的計(jì)算選型時(shí)，應(yīng)計(jì)算蓄電池的20小時(shí)率額定容量C20和-18 ℃冷啟動(dòng)電流CCA 2個(gè)參數(shù)[7]。

2.1 蓄電池的20 h率額定容量C20的估算

2.1.1 根據(jù)啟動(dòng)功率估算蓄電池額定容量

在整車(chē)電器系統(tǒng)中，蓄電池的主要功能之一是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)向起動(dòng)機(jī)提供大電流，故以啟動(dòng)容量為依據(jù)計(jì)算選擇蓄電池。蓄電池額定容量C20按經(jīng)驗(yàn)公式(3)計(jì)算：

C20=C×P′/U

(3)

式中：C為配電系數(shù)，600～800；P′為起動(dòng)機(jī)功率；U為電源端電壓。

經(jīng)1.3節(jié)計(jì)算并選取的起動(dòng)機(jī)，其參數(shù)為24 V/6 kW，通過(guò)式(3)可以計(jì)算出蓄電池額定容量C20=(600～800)×6÷24=(150～200)Ah。

2.1.2 根據(jù)靜態(tài)電流估算蓄電池容量

靜態(tài)電量消耗一般分為3部分：一是車(chē)輛靜態(tài)電流在規(guī)定停放時(shí)間T內(nèi)消耗的電量；二是蓄電池自放電消耗的電量，按蓄電池自放電率為1‰/天計(jì)算；三是停車(chē)時(shí)的慣性負(fù)載消耗的電量，為確保車(chē)輛能夠正常啟動(dòng)的最低電量需求，按蓄電池額定容量的75%預(yù)留計(jì)算。

蓄電池額定容量C20可按式(4)計(jì)算：

(4)

按規(guī)定，車(chē)輛停放時(shí)間T為30天，本車(chē)的靜態(tài)電流Is控制在60 mA以下，經(jīng)式(4)計(jì)算得出：

結(jié)合2.1.1中的計(jì)算結(jié)果可選用蓄電池容量為200 Ah的蓄電池。

2.2 蓄電池-18 ℃冷啟動(dòng)電流CCA的確定

蓄電池的冷啟動(dòng)電流直接關(guān)系到起動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能，蓄電池的冷啟動(dòng)電流應(yīng)大于起動(dòng)機(jī)功率曲線上功率最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)電流，同時(shí)小于功率曲線與扭矩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流。從圖1所示的24 V/6 kW起動(dòng)機(jī)輸出特性曲線可以看出，在+20 ℃時(shí)，起動(dòng)機(jī)輸出最大功率6 kW對(duì)應(yīng)啟動(dòng)電流為750 A；功率曲線與扭矩曲線交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流為1 100 A，因此選用-18 ℃時(shí)蓄電池冷啟動(dòng)電流要大于750 A，小于1 100 A。經(jīng)查蓄電池容量200 Ah的參數(shù)可知，-18 ℃冷啟動(dòng)電流CCA為1 000 A。

圖1 24 V/6 kW起動(dòng)機(jī)輸出特性曲線

通過(guò)2.1的計(jì)算和2.2中蓄電池-18 ℃冷啟動(dòng)電流CCA參數(shù)的驗(yàn)證，選用容量為200 Ah的蓄電池滿(mǎn)足使用需求。

3 發(fā)電機(jī)功率計(jì)算

3.1 整車(chē)主要工況的用電量計(jì)算

3.1.1 整車(chē)用電量統(tǒng)計(jì)

為了整車(chē)電器系統(tǒng)的輸入與輸出總電量的動(dòng)態(tài)平衡，首先要計(jì)算整車(chē)用電量[8-10]。整車(chē)用電量計(jì)算存在多種工況：怠速常用工況、怠速極限工況、綜合工況、極限工況(夏季雨夜、冬季雪夜)、超極限工況等。

為便于客車(chē)電量平衡數(shù)據(jù)庫(kù)管理，簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，本計(jì)算方法選3種代表工況(夏季雨夜工況、綜合工況、冬季雪夜工況)進(jìn)行用電量統(tǒng)計(jì)，結(jié)合加權(quán)系數(shù)綜合計(jì)算。

對(duì)各工況下用電設(shè)備使用頻度及等效功率按表1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中“加權(quán)系數(shù)”是經(jīng)驗(yàn)值，可以根據(jù)車(chē)輛實(shí)際銷(xiāo)售的區(qū)域和實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，“額定功率”視實(shí)車(chē)配置和同規(guī)格設(shè)備匹配數(shù)量調(diào)整，對(duì)于未統(tǒng)計(jì)新增設(shè)備可以在表1中增加功率和適當(dāng)?shù)募訖?quán)值。

表1 用電設(shè)備使用頻度及等效功率表

3.1.2 總電負(fù)荷計(jì)算公式

總電負(fù)荷If可按式(5)進(jìn)行計(jì)算：

(5)

式中：j為整車(chē)用電設(shè)備的數(shù)量；Pi為第i個(gè)用電設(shè)備的額定功率；Ub為用電設(shè)備的標(biāo)稱(chēng)電壓；Ue為發(fā)電機(jī)輸出電壓；Ki為第i個(gè)用電設(shè)備的加權(quán)值。

3.2 發(fā)電機(jī)功率的選取

3.2.1 發(fā)電機(jī)的選用原則

在選用發(fā)電機(jī)時(shí)，不僅要考慮發(fā)電機(jī)在滿(mǎn)足整車(chē)電器設(shè)備用電的同時(shí)，還應(yīng)有一定的余量給蓄電池充電。具體選用時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

1) 保證在常用行駛速度(一般取40 km/h)時(shí)有20小時(shí)率放電電流C20/20 A以上的充電電流。

2) 為確保蓄電池在綜合工況下能可靠地充電，使蓄電池的充放電也能達(dá)到平衡，發(fā)電機(jī)熱態(tài)最大輸出電流應(yīng)不小于整車(chē)綜合工況下的最大總電流的1.2倍。

3) 極限工況時(shí)，發(fā)電機(jī)的發(fā)電量應(yīng)不小于該工況下的用電量。如果發(fā)電機(jī)發(fā)電量不滿(mǎn)足要求，則以極限用電2 h內(nèi)蓄電池容量保證75%為原則進(jìn)行計(jì)算。

3.2.2 發(fā)電機(jī)選取

依據(jù)式(5)(其中Ub=24 V，Ue=28.5 V)和表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，計(jì)算出3種工況下的總電負(fù)荷If，見(jiàn)表2。

表2 整車(chē)用電設(shè)備總電負(fù)荷If表 A

由上計(jì)算，初步選定輸出曲線如圖2所示的28 V/140 A發(fā)電機(jī)。

圖2 28 V/140 A發(fā)電機(jī)輸出特性曲線圖

3.2.3 選用發(fā)電機(jī)的驗(yàn)證

根據(jù)交流發(fā)電機(jī)的選用原則，對(duì)選用的28 V/140 A發(fā)電機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。

1) 常用行駛速度選取40 km/h，3擋時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為1 400 r/min，扭矩約為806 N·m，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)比為2.5，此時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3 500 r/min。對(duì)照?qǐng)D2發(fā)電機(jī)的輸出特性曲線，此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出電流約為135 A，大于冬季雪夜工況下的最大總電負(fù)荷121.41 A，并且差值13.59 A大于該車(chē)型匹配的蓄電池(蓄電池容量200 Ah)20小時(shí)率放電電流200 Ah/20 h=10 A，滿(mǎn)足要求。

2) 發(fā)電機(jī)熱態(tài)最大輸出電流應(yīng)大于整車(chē)綜合工況下的最大總電流的1.2倍。綜合工況下總電負(fù)荷為102.88 A，1.2倍為102.88×1.2≈123.46 A。28 V/140 A發(fā)電機(jī)熱態(tài)最大輸出電流為143 A，大于123.46 A，滿(mǎn)足要求。

3) 發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的傳動(dòng)比為2.5，未開(kāi)空調(diào)的發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為700 r/min，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速約為1 750 r/min。 對(duì)照?qǐng)D2發(fā)電機(jī)的輸出特性曲線，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電流約為100 A，小于冬季雪夜極限工況下的最大總電負(fù)荷121.41 A。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以極限用電高峰怠速2 h、蓄電池容量確保75%為原則計(jì)算Q=I×t=(121.41-100)×2=42.82 Ah，所選取的蓄電池容量不小于42.82÷(1-75%)=171.28 Ah。該車(chē)型選用的蓄電池容量為200 Ah，可以增補(bǔ)28 V/140 A發(fā)電機(jī)在冬季雪夜怠速極限工況下在2 h內(nèi)的用電需求。

通過(guò)以上計(jì)算驗(yàn)證選用28 V/140 A發(fā)電機(jī)滿(mǎn)足該車(chē)型需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于起動(dòng)機(jī)、蓄電池和發(fā)電機(jī)的技術(shù)日益成熟，如電激磁行星減速兩級(jí)嚙合結(jié)構(gòu)的大功率起動(dòng)機(jī)已成為發(fā)動(dòng)機(jī)匹配主流趨勢(shì)，兩并聯(lián)或三并聯(lián)小功率發(fā)電機(jī)整車(chē)匹配技術(shù)已成為客車(chē)發(fā)展趨勢(shì)，低內(nèi)阻無(wú)集流器鉛酸蓄電池技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，均會(huì)對(duì)本文中提出的部分經(jīng)驗(yàn)參數(shù)產(chǎn)生影響；并且還需要根據(jù)地理區(qū)域、氣候條件、駕駛習(xí)慣等客車(chē)營(yíng)運(yùn)的實(shí)際狀態(tài)的差異，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)、概率學(xué)等知識(shí)對(duì)表1中的加權(quán)系數(shù)不斷進(jìn)行完善，使客車(chē)電器系統(tǒng)電量平衡計(jì)算更加優(yōu)化。