某SUV車(chē)型整車(chē)電源系統(tǒng)計(jì)算研究

王翔 崔婷婷

摘要：介紹了某suv車(chē)型電源系統(tǒng)構(gòu)成，使用工況、功率、電流的計(jì)算，蓄電池、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)選型匹配。

關(guān)鍵詞：設(shè)備使用頻率;電平衡;用電器負(fù)荷功率

中圖分類(lèi)號(hào)：U461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

現(xiàn)在汽車(chē)電源系統(tǒng)主要包含：蓄電池、發(fā)電機(jī)和用電器，要求整車(chē)蓄電池有足夠的電能儲(chǔ)備，發(fā)電機(jī)發(fā)電量能夠滿足各種工況下眾多用電器的需求。能夠保證車(chē)輛任何時(shí)候都能正常起動(dòng)和工作，也包括發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)期電氣設(shè)備工作一段時(shí)間后仍然能夠正常起動(dòng)，整車(chē)電氣系統(tǒng)在充放電上始終要接近動(dòng)態(tài)平衡。

為了滿足整車(chē)電能達(dá)到動(dòng)平衡，需要對(duì)某SUV車(chē)型蓄電池、起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及電氣系統(tǒng)進(jìn)行功率匹配，以便為發(fā)電機(jī)選型和蓄電池選型和整車(chē)電路保護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)（圖1）。

1 計(jì)算分析條件

1.1 整車(chē)運(yùn)行工況分析

汽車(chē)用電負(fù)荷是進(jìn)行發(fā)電機(jī)選型的重要依據(jù)，汽車(chē)上配置的所有用電器設(shè)備一般不會(huì)在同一時(shí)間全部都投入工作。而許多用電設(shè)備的工作及工作時(shí)間長(zhǎng)短，取決于季節(jié)和環(huán)境的變化。

一般來(lái)說(shuō)汽車(chē)在行駛中幾種較為典型的用電情況大致可分為8種：平常日間、平常夜間、冬季日間、冬季夜間、冬季雪夜、夏季日間、夏季夜間以及夏季雨夜。

1.2 整車(chē)電器設(shè)備使用頻度分析

整車(chē)用電設(shè)備可分為連續(xù)工作制，短時(shí)工作制和隨機(jī)工作制3種。

連續(xù)工作制用電器是指汽車(chē)行駛中連續(xù)不間斷用電的設(shè)備。如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器、散熱器風(fēng)扇系統(tǒng)、儀表及監(jiān)控系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)以及車(chē)聯(lián)網(wǎng)等。

短時(shí)工作制用電器是指汽車(chē)行駛中常使用電的設(shè)備。如轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)燈、位置燈（LED）、

遠(yuǎn)光燈、近光燈、前霧燈、后霧燈、日行燈、倒車(chē)燈、喇叭、牌照燈、氛圍燈、前/后雨刮、一鍵起動(dòng)、前座椅加熱、后座椅加熱和TCU等。

隨機(jī)工作制用電器是指汽車(chē)行駛中使用時(shí)間不確定而隨即使用的用電設(shè)備。如室內(nèi)燈、電動(dòng)門(mén)窗、電動(dòng)洗滌、空調(diào)壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、點(diǎn)煙器、視聽(tīng)系統(tǒng)、天窗、電動(dòng)后視鏡、ABS、EPS和EPB等。

綜合季節(jié)、氣候、環(huán)境、行駛工況和個(gè)人使用習(xí)慣，用電器的使用頻度系數(shù)L1分析如表1。夏季相關(guān)頻度系數(shù)相關(guān)用電器有散熱風(fēng)扇、雨刮器、空調(diào)壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī);冬季相關(guān)頻度系數(shù)相關(guān)用電器有散熱風(fēng)扇、雨刮器和鼓風(fēng)機(jī)。

2 計(jì)算分析過(guò)程

整車(chē)電源系統(tǒng)計(jì)算也就是整車(chē)供電平衡計(jì)算，主要由整車(chē)用電設(shè)備等效負(fù)荷計(jì)算、發(fā)電機(jī)選型和蓄電池選型三部分組成[1]。

2.1 整車(chē)用電設(shè)備等效負(fù)荷計(jì)算

2.1.1 整車(chē)供電平衡的最大動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)等效電流計(jì)算

電氣設(shè)備在整車(chē)電氣負(fù)載中的實(shí)際等效功率從理論上可以由公式（1）來(lái)計(jì)算。

P加權(quán)=μi×Pi

（1）

公式（1）中，P加權(quán) 權(quán)為第i個(gè)用電器設(shè)備的等效功率;μi為第i個(gè)用電設(shè)備所對(duì)應(yīng)的使用頻度系數(shù);Pi為第i個(gè)用電設(shè)備的標(biāo)稱(chēng)功率。

用電設(shè)備在整車(chē)電器中的實(shí)際等效電流從理論上可以由公式（2）來(lái)計(jì)算。

l加權(quán)=P加權(quán)/U

（2）

公式（2）中，l加權(quán) 為第i個(gè)用電器設(shè)備的等效電流;P加權(quán)為第i個(gè)用電器設(shè)備的等效功率;U為系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓。

系統(tǒng)標(biāo)稱(chēng)電壓U取值參考發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出電壓，計(jì)算上取值13.5 V。

結(jié)合表l中用電設(shè)備在各種環(huán)境下的所對(duì)應(yīng)的使用頻度系數(shù)，整車(chē)電量計(jì)算值見(jiàn)表2。

縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、EPS、制動(dòng)真空泵及后除霜加熱參數(shù)值等為供應(yīng)商提供，其余為經(jīng)驗(yàn)值。

根據(jù)表2可得出夏季雨夜為整車(chē)用電負(fù)荷最大工況，因此計(jì)算發(fā)電機(jī)額定輸出電流時(shí)，應(yīng)確保發(fā)電機(jī)額定輸出電流大于夏季雨夜情況下整車(chē)的用電負(fù)荷。

整車(chē)在夏季雨夜工況下的整車(chē)用電電流如下。

連續(xù)工作制：

l1= P1/U =625/13.5=46.3 A

短時(shí)工作制：

12=P2/U=179.4/13.5=13.3 A

隨機(jī)工作制：

13= P3/U =1200.38/13.5=88.9 A

整車(chē)用電附負(fù)荷：

l加權(quán)=l1+l2+l3=46.3+13.29+88.92=148.5 A

綜上，整車(chē)供電平衡的最大動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)等效電流為148.5 A。

2.1.2 整車(chē)怠速工況時(shí)等效電流計(jì)算

在夏季雨夜怠速工況下，整車(chē)電平衡動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)要求滿足連續(xù)工作制與短時(shí)工作制用電器工作。

考慮怠速工況發(fā)電機(jī)輸出電流不能滿足要求，同時(shí)為了避免選定發(fā)電機(jī)額定輸出電流過(guò)大，導(dǎo)致成本浪費(fèi)，車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，允許蓄電池短時(shí)間協(xié)助發(fā)電機(jī)同時(shí)給整車(chē)用電器供電，并且蓄電池放電后能夠保證下次發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的電流和電壓。即：怠速工況下用電器消耗電流=發(fā)電機(jī)怠速工況下的輸出電流+蓄電池放電電流[2]。

怠速狀態(tài)使用空調(diào)時(shí)，整車(chē)用電需求相對(duì)不使用空調(diào)時(shí)增加了鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)?？紤]到空調(diào)功率較大，需要進(jìn)行區(qū)分計(jì)算。

（1）空調(diào)系統(tǒng)工作需求為：

lac= （P鼓風(fēng)機(jī)+P壓縮機(jī)） /U= （430+48） /13.5=35.4A

（2）怠速工況下不使用空調(diào)時(shí)，整車(chē)電量需求：

ldx=μi.li=連續(xù)工作制電流+短時(shí)工作制電流=46.3+13.29=59.6 A

（3）怠速工況下使用空調(diào)時(shí)，則有：

ldx=μi·l1=連續(xù)工作制電流+短時(shí)工作制電流+空調(diào)系統(tǒng)=59.59+35.4=95.0 A

2.2 蓄電池選型

蓄電池的選用主要功能是通過(guò)起動(dòng)機(jī)來(lái)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。因此蓄電池選型主要根據(jù)起動(dòng)機(jī)的功率來(lái)選擇，還需考慮整車(chē)靜態(tài)電流、起動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)電流參數(shù)以及蓄電池固定方式、空間布置等因素。

2.2.1 依據(jù)起動(dòng)機(jī)功率初步選型

蓄電池的主要功能之一是通過(guò)起動(dòng)機(jī)來(lái)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)機(jī)功率為1.4 kW。通過(guò)起動(dòng)機(jī)的特性曲線分析（圖2），起動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用最高功率點(diǎn)在1.4 kW，所以根據(jù)功率1.4 kW來(lái)進(jìn)行蓄電池的選型。環(huán)境溫度的不同，蓄電池的供電能力會(huì)發(fā)生很大的變化，蓄電池的選用主要考慮其冷起動(dòng)性能。

按公式（3）選擇蓄電池：

Q= （600～800） P/U

（3）

式中，Q為蓄電池的容量（A.h）;P為起動(dòng)機(jī)的功率（kW）;U為蓄電池的額定電壓（V）。

將P=1.4，U=12代入式（3），得：

Q=（600～800）×1.4/l2=70.0～93.3A.h

因此，蓄電池的容量建議在70.0～93.3A.h選取[3]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的蓄電池容量與起動(dòng)機(jī)功率的匹配參考表3。

根據(jù)同類(lèi)車(chē)及參考樣車(chē)，蓄電池的容量定為80 A.h。

2.2.2整車(chē)靜態(tài)電流與蓄電池容量

根據(jù)車(chē)輛放置時(shí)的暗電流來(lái)驗(yàn)證蓄電池容量。車(chē)輛在車(chē)庫(kù)等處存放時(shí)間至少為30天時(shí)，仍然能夠可靠起動(dòng)。

整車(chē)的合理靜態(tài)電流計(jì)算方式為：

l靜=C20×（90%一65%一1‰×T）÷（T×24）

（4）

公式（4）中，l靜為靜態(tài)電流目標(biāo)值;C20為蓄電池的20 h率額定容量（A.h）;90%為下線時(shí)蓄電池的實(shí)際容量與額定容量的比值;65%為確保車(chē)輛正常起動(dòng)的最低實(shí)際容量與額定容量的比值;T為儲(chǔ)運(yùn)時(shí)間（國(guó)內(nèi)30天，長(zhǎng)途運(yùn)輸45天）;1‰為蓄電池一天的自損耗率。

按照國(guó)內(nèi)市場(chǎng)儲(chǔ)運(yùn)要求，驗(yàn)算45 A.h額定容量的蓄電池：

l靜=C20×（90%一65%一1‰×T）÷（T×24）=13.了mA

按照國(guó)際市場(chǎng)儲(chǔ)運(yùn)要求，驗(yàn)算45Ah額定容量的蓄電池：

l靜=C20×（90%一65%一1‰×T）÷（T×24）=8.5 mA

根據(jù)設(shè)計(jì)，整車(chē)靜態(tài)電流須不大于13.7mA，節(jié)電保護(hù)后不大于8.5 mA。參照靜態(tài)電流分配計(jì)算書(shū)，國(guó)內(nèi)儲(chǔ)運(yùn)可以滿足要求[4]。

2.2.3 起動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)對(duì)蓄電池的要求

蓄電池容量越大，放電電流越大，工作低溫性能越好。

蓄電池電量越小，電解液密度越小，凝點(diǎn)越低，越容易結(jié)冰。

根據(jù)圖2所示，為了保證車(chē)輛在低溫氣候環(huán)境下能夠正常起動(dòng)，蓄電池的冷起動(dòng)電流必須大于滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的最低輸出軸阻力距對(duì)應(yīng)的起動(dòng)電流420.0 A。并且要滿足該起動(dòng)電流持續(xù)放電10 s后，仍能保證蓄電池電壓大于起動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的最低電壓。

此SUV車(chē)型蓄電池在低溫（-30℃）條件下的放電電流為500.0 A，大于滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)的最低輸出軸阻力距對(duì)應(yīng)的起動(dòng)電流420.0 A，持續(xù)放電30 s后的電壓了.2V（大于起動(dòng)機(jī)工作所需最低電壓4.0 V）。所以蓄電池的冷起動(dòng)電流能夠滿足起動(dòng)機(jī)所需的冷起動(dòng)電流。

2.3 發(fā)電機(jī)選型

2.3.1最大用電量時(shí)的發(fā)電機(jī)功率校核分析

發(fā)電機(jī)熱態(tài)額定輸出電流應(yīng)大于夏季雨夜的最大用電負(fù)荷，車(chē)型最大電流為148.5 A。此SUV車(chē)型發(fā)電機(jī)熱態(tài)額定輸出電流為150.0A。

如圖3所示，發(fā)動(dòng)機(jī)配150.0 A發(fā)電機(jī)的熱態(tài)額定輸出為150.0 A，比整車(chē)要求的148.5 A多出1.5 A，滿足電平衡要求。

正常行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n為1500～2 500 r/min，發(fā)電機(jī)皮帶輪傳動(dòng)比i為2.了。換算到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速N為：

N=i×n

（5）

N1=2.7×1500=4 050 r/min

N2=2.7×2 500=6 750 r/min

則發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下發(fā)電量為150.0 - 155.0 A，滿足最大電流需求[5]。

2.3.2 怠速時(shí)的發(fā)電機(jī)功率校核分析

（1）不使用空調(diào)時(shí)

怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n為750 r/min，發(fā)電機(jī)皮帶輪傳動(dòng)比i為2.了。則發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速N為：

N=i×n =2.7×750=2 025 r/min.

根據(jù)圖3，對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)輸出電流約為115.0 A，相對(duì)2.1.2中的計(jì)算結(jié)果59.6 A，滿足電平衡要求。

（2）使用空調(diào)時(shí)

此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速補(bǔ)償后為1 000 r/min，發(fā)電機(jī)速比為2.7，則發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 700 r/min，對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)輸出電流為135.0 A。相對(duì)3.1.2中的計(jì)算結(jié)果95.0 A，滿足電平衡要求。

3 計(jì)算分析結(jié)果及結(jié)論

①綜上分析，夏季雨夜為整車(chē)用電負(fù)荷最大工況，整車(chē)用電負(fù)荷為148.5A。

②基于當(dāng)前計(jì)算，整車(chē)蓄電池選用80A.h。

③發(fā)電機(jī)性能輸出滿足怠速以及全工況下電流需求，選用150.0A發(fā)電機(jī)。

④此suv車(chē)型用電設(shè)備等效負(fù)荷滿足動(dòng)態(tài)平衡。

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作者簡(jiǎn)介：

王翔，本科，助理工程師，研究方向?yàn)槠?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。

崔婷婷，本科，工程師，研究方向?yàn)槠?chē)發(fā)動(dòng)機(jī)。