汽車高效發(fā)電機(jī)效率測(cè)試優(yōu)化研究

何衛(wèi)、張雪、高麗仙

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007；2.柳州孔輝汽車科技有限公司，柳州545616）

0 引言

根據(jù)工業(yè)和信息化部新推出的《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)》，其中規(guī)定，我國(guó)乘用車的油耗水平需在2025 年下降至4 L/100 km。同時(shí)，測(cè)試循環(huán)將由全球輕型汽車測(cè)試循環(huán)（WLTC）改為中國(guó)汽車測(cè)試循環(huán)（CLTC），整車的油耗和排放更加嚴(yán)苛。隨著汽車電子電器技術(shù)的不斷發(fā)展，整車用電功耗越來(lái)越大，作為內(nèi)燃機(jī)上扭矩需求較大的附件，使得發(fā)電機(jī)效率對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響也越來(lái)越大[1]。

目前國(guó)內(nèi)車企均使用歐洲指定的VDA 效率來(lái)定義發(fā)電機(jī)效率，選取50%額定輸出電流在23℃的環(huán)境溫度下測(cè)試效率[2]，對(duì)于在整車評(píng)價(jià)發(fā)電機(jī)有一定局限性。例如，在整車油耗試驗(yàn)中，分別選取65%、68%和75%的高效發(fā)電機(jī)按照GB/T 19233-2020《輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法》測(cè)試整車油耗，發(fā)現(xiàn)整車節(jié)油貢獻(xiàn)并不與效率成正比。為分析這種差異的來(lái)源，本文通過(guò)比較發(fā)電機(jī)VDA 效率以及發(fā)電機(jī)在整車工況測(cè)試的差異，優(yōu)化了發(fā)電機(jī)效率的測(cè)試方法，可作為新形勢(shì)下發(fā)電機(jī)效率測(cè)試及評(píng)價(jià)的補(bǔ)充。

1 VDA 效率

1.1 VDA 效率的概念

德國(guó)汽車工業(yè)聯(lián)合會(huì)（VDA）制定了汽車標(biāo)準(zhǔn)和最佳實(shí)踐，以滿足德國(guó)汽車行業(yè)公司的需求。協(xié)會(huì)成員包括汽車制造商和汽車零部件供應(yīng)商，其制定的發(fā)電機(jī)效率簡(jiǎn)稱VDA 效率[3]。

V D A 效率在發(fā)電機(jī)性能臺(tái)架上測(cè)得，按給定的轉(zhuǎn)速（1 800 r/min、3 000 r/min、6 000 r/min、10 000 r/min）和給定的負(fù)載（50%負(fù)載）在25℃工作溫度下測(cè)得。此工況和整車測(cè)試下的工況有較大出入，綜合效率按式（1）計(jì)算得出。

式中ηVDA— —VDA 效率

η1800— —發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速1 800 r/min、進(jìn)氣溫度為25℃、負(fù)載為50%時(shí)候的效率

η3000— —發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速3 000 r/min、進(jìn)氣溫度為25℃、負(fù)載為50%時(shí)候的效率

η6000— —發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速6 000 r/min、進(jìn)氣溫度為25℃、負(fù)載為50%時(shí)候的效率；

η10000— —發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速10 000 r/min、進(jìn)氣溫度為25℃、負(fù)載為50%時(shí)候的效率；

本研究通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上代表車型的發(fā)電機(jī)VDA 效率測(cè)試結(jié)果如圖1 所示，可以看出，國(guó)內(nèi)通用的發(fā)電機(jī)VDA 效率大概分為63%～65%區(qū)域和69%～71%區(qū)域。行業(yè)內(nèi)將VDA 效率高于及等于69%的發(fā)電機(jī)統(tǒng)稱為高效發(fā)電機(jī)。

圖1 中國(guó)汽車發(fā)電機(jī)搭載現(xiàn)狀

1.2 用VDA 效率評(píng)估整車節(jié)油貢獻(xiàn)的不足

在同一車輛上搭載同體型但不同VDA 效率（65%、68%和75%）的發(fā)電機(jī)，將車輛按照GB/T 19233—2020 中的6.1、6.2、6.3、6.4 及6.5 所述的方法，在23℃恒溫試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理和浸車[4]。之后按照?qǐng)D2 中的車速曲線，將試驗(yàn)車輛在試驗(yàn)艙轉(zhuǎn)鼓上運(yùn)行一個(gè)1 800 s 的循環(huán)。通過(guò)試驗(yàn)艙的尾氣分析儀，可以計(jì)算出每一個(gè)循環(huán)的整車百公里油耗。

圖2 整車CLTC-P 循環(huán)

由于CLTC-P 循環(huán)中車輛開(kāi)啟的電器負(fù)載較少，發(fā)電機(jī)的發(fā)電量也相應(yīng)比較低。但實(shí)際駕駛中，存在各種電器負(fù)載的工作，所以還需要進(jìn)行用電器的開(kāi)啟和關(guān)閉試驗(yàn)。在發(fā)電機(jī)VDA 效率實(shí)驗(yàn)中，每組試驗(yàn)由連續(xù)進(jìn)行的一次用電器開(kāi)啟（設(shè)定為國(guó)家推薦的50 A 電器負(fù)載）和用電器關(guān)閉試驗(yàn)組成。不過(guò)，試驗(yàn)車在關(guān)閉用電器測(cè)試中，由于儀表、日間行車燈以及燃油泵等還會(huì)產(chǎn)生基礎(chǔ)用電，通過(guò)儀器測(cè)量，基礎(chǔ)用電負(fù)載接近21 A。測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 不同VDA 效率下的整車油耗

由測(cè)試結(jié)果可以看出，68%效率發(fā)電機(jī)的油耗較65%降低了0.2 L（約2.2%），但75%效率發(fā)電機(jī)較68%效率發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢(shì)不明顯。由此可見(jiàn)，VDA 效率測(cè)試具有一定局限性，降低整車油耗不能單看VDA 效率高低。另一方面，由于不同VDA 效率的發(fā)電機(jī)成本相差100 ～200 元/臺(tái)，所以更需要準(zhǔn)確評(píng)估在整車循環(huán)工況中發(fā)電機(jī)效率的影響。

2 獲取整車循環(huán)下的發(fā)電機(jī)工況

為分析在整車CLTC-P 循環(huán)工況中發(fā)電機(jī)是怎樣工作的，試驗(yàn)車輛在轉(zhuǎn)鼓上測(cè)試整車油耗時(shí)，需要同時(shí)采集發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)，包括發(fā)電機(jī)工作溫度、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機(jī)的輸出電壓、電流。其中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以在采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速后，通過(guò)速比轉(zhuǎn)換獲得；溫度和電壓、電流數(shù)據(jù)可以借助相關(guān)測(cè)試設(shè)備采集。

2.1 發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)采集

在整車循環(huán)試驗(yàn)中，利用DEWETRON 臺(tái)架油耗測(cè)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集發(fā)電機(jī)的輸出電流In、電壓Un和環(huán)境溫度Tn，數(shù)據(jù)采樣頻率要求不超過(guò)100 Hz，且3 個(gè)參數(shù)的采樣頻率要一致。其中，輸出電流In由鉗表獲得，電壓Un由電壓傳感器獲得，環(huán)境溫度Tn由溫敏電阻獲得。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Nn就可通過(guò)CAN 線中的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)按式（2）轉(zhuǎn)換。

式中Nn— —發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min

Ne— —發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，單位為r/min

i— —發(fā)電機(jī)速比

2.2 發(fā)電機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)分析

將試驗(yàn)中測(cè)得的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Nn、輸出電流In、發(fā)電機(jī)電壓Un和環(huán)境溫度Tn數(shù)據(jù)分別繪制運(yùn)行曲線，如圖3 ～圖6 所示。

圖3 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖4 發(fā)電機(jī)輸出電流

圖5 發(fā)電機(jī)電壓

圖6 環(huán)境溫度

2.3 整車循環(huán)工況下發(fā)電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)可知，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Nn為2 130 ～7 000 r/min，發(fā)電機(jī)電壓Un平均值為14.2 V，發(fā)電機(jī)輸出電流In為20 ～30 A，環(huán)境溫度Tn平均溫度為50℃。由此可以設(shè)置整車循環(huán)工況下發(fā)電機(jī)效率測(cè)試工況點(diǎn)（表2）。

3 發(fā)電機(jī)新工況點(diǎn)效率測(cè)試

前文通過(guò)采集試驗(yàn)車輛在整車油耗測(cè)試循環(huán)中的發(fā)電機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)，獲得了發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行點(diǎn)。這些運(yùn)行點(diǎn)的效率對(duì)油耗有直接影響，所以有必要針對(duì)發(fā)電機(jī)在這些運(yùn)行點(diǎn)下的效率進(jìn)行臺(tái)架效率測(cè)試。

為比較VDA 效率68%和75%樣件在新工況下的效率差異，將測(cè)試樣件水平地安裝在LDFD-10 型發(fā)電機(jī)性能試驗(yàn)臺(tái)上[5]。將驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接好測(cè)試樣件的輸入端，確保測(cè)試臺(tái)架可以運(yùn)轉(zhuǎn)平順，輸出端電源線連接到設(shè)備電流電壓接線柱上，調(diào)節(jié)器需要接入勵(lì)磁電流線，溫度傳感器安裝在距離測(cè)試樣件后罩蓋25 mm 處，分別進(jìn)行2 次發(fā)電機(jī)臺(tái)架效率測(cè)試。

設(shè)置試驗(yàn)艙內(nèi)溫度為50℃，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)備控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Nn和輸出電流In，按表2 的工況點(diǎn)逐一進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)需穩(wěn)定20 min 達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)，待發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速Nn和輸出電流In在允許的精度范圍內(nèi)穩(wěn)定60 s 后，通過(guò)測(cè)試設(shè)備采集輸出端發(fā)電機(jī)電壓Un和輸入端發(fā)電機(jī)扭矩Tn結(jié)果。

表2 發(fā)電機(jī)效率測(cè)試工況點(diǎn)

記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速Nn、發(fā)電機(jī)電壓Un、輸出電流In和發(fā)電機(jī)扭矩Tn。發(fā)電機(jī)輸出功率按式（3）計(jì)算：

式中Pout,n——發(fā)電機(jī)輸出功率，單位為kW

Un——發(fā)電機(jī)電壓，單位為VIn——發(fā)電機(jī)輸出電流，單位為A

發(fā)電機(jī)輸入功率按式（4）計(jì)算：

式中Pin,n——發(fā)電機(jī)輸入功率，單位為kW

Nn—發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min

Tn—發(fā)電機(jī)扭矩，單位為N·m發(fā)電機(jī)效率按式（5）計(jì)算：

式中ηn——發(fā)電機(jī)效率

Pout,n——發(fā)電機(jī)輸出功率，單位為kW

Pin,n——發(fā)電機(jī)輸入功率，單位為kW

4 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)圖3 中的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和時(shí)間數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)發(fā)電機(jī)在CLTC工況下各轉(zhuǎn)速的時(shí)間比例，如圖7 所示。

圖7 發(fā)電機(jī)CLTC 工況下各轉(zhuǎn)速的時(shí)間比例

因此，可以按式（6）計(jì)算發(fā)電機(jī)的加權(quán)平均傳動(dòng)效率。

計(jì)算發(fā)電機(jī)樣件在整車工況下的加權(quán)平均傳動(dòng)效率，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同工況效率下的整車油耗

通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，VDA效率68%樣件與75%樣件的加權(quán)平均效率差距僅為2%～3%，這就解釋了為什么這2個(gè)VDA效率的發(fā)電機(jī)樣件，節(jié)油貢獻(xiàn)并不明顯。但是，這2個(gè)樣件的標(biāo)稱VDA 效率差距有7%，如果主機(jī)廠單從VDA 效率角度去評(píng)估油耗，認(rèn)為VDA 效率越高對(duì)油耗越有利，這樣會(huì)導(dǎo)致整車油耗的偏差和成本方面的巨大浪費(fèi)（不同VDA 效率的發(fā)電機(jī)，成本相差100 ～200 元/臺(tái)）。從中也可以看出，整車循環(huán)工況下的高效發(fā)電機(jī)節(jié)油貢獻(xiàn)與加權(quán)平均效率相關(guān)度更高，而不是VDA效率。整車項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中，使用VDA 效率為68%的發(fā)電機(jī)會(huì)具有更高的性價(jià)比。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從整車CLTC 循環(huán)工況下發(fā)電機(jī)的實(shí)際工作點(diǎn)入手，通過(guò)采集發(fā)電機(jī)實(shí)際工作轉(zhuǎn)速、扭矩、輸出電壓、輸出電流和工作溫度，分析了為什么發(fā)電機(jī)VDA 效率在節(jié)能評(píng)價(jià)時(shí)存在局限性。在此基礎(chǔ)上，制定了一種新的發(fā)電機(jī)效率測(cè)試方法，作為新形勢(shì)下發(fā)電機(jī)效率測(cè)試及評(píng)價(jià)的補(bǔ)充，對(duì)高效發(fā)電機(jī)本體設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)也具有借鑒意義。該測(cè)試方面可以有針對(duì)性地去提升某些點(diǎn)的效率，減少不必要的浪費(fèi)和整車開(kāi)發(fā)成本。