蓄電池電壓對(duì)整車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

馮華帥 黃宇琪 黃春海 葉才盛 姜宏霞 朱海龍

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 前言

隨著全球車輛燃油消耗法規(guī)的日益嚴(yán)格，油耗的降低需要提上日程。其次，低油耗也是一項(xiàng)客戶選擇購(gòu)買(mǎi)該車型車輛的因素之一，在國(guó)內(nèi)的油耗測(cè)試過(guò)程主要包含NEDC 和WLTC 循環(huán)曲線，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，EMS（engine model system）發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化會(huì)參考油耗測(cè)試結(jié)果，逐步的優(yōu)化標(biāo)定手段。油耗測(cè)試中，如果邊界條件的不同造成油耗測(cè)試結(jié)果散差較大的話，反而會(huì)影響工程人員的正確判斷或者歪曲了標(biāo)定優(yōu)化方向。所以，規(guī)范循環(huán)曲線測(cè)試中的邊界條件如試驗(yàn)前的蓄電池電壓、環(huán)境溫度等顯得尤為重要。

2 理論分析

為了讓整車不同控制模塊之間的信號(hào)簡(jiǎn)單交互，市場(chǎng)主流的EMS 控制模塊架構(gòu)一般都采用扭矩結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常包含內(nèi)部扭矩請(qǐng)求和外部扭矩干預(yù)。

2.1 扭矩補(bǔ)償

扭矩補(bǔ)償?shù)姆绞揭话闶荅MS 控制系統(tǒng)在接收到某一信號(hào)作為觸發(fā)機(jī)制，如CAN總線信號(hào)標(biāo)志位，主動(dòng)的增加扭矩以防止發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)過(guò)大。這種方式的好處是能夠有效精準(zhǔn)的施加扭矩到發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端，但是需要一種激活機(jī)制/ 信號(hào)。一些常規(guī)的負(fù)載如助力轉(zhuǎn)向、壓縮機(jī)結(jié)合等都可以從自身的控制模塊通過(guò)CAN 總線信號(hào)告知EMS 控制系統(tǒng)，但是由于成本限制，整車一些用電器負(fù)載標(biāo)志位沒(méi)有辦法通過(guò)CAN總線信號(hào)輸出，所以不能采用扭矩補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

圖1 儲(chǔ)備扭矩和扭矩補(bǔ)償原理簡(jiǎn)圖

2.2 儲(chǔ)備扭矩

儲(chǔ)備扭矩的原理是讓發(fā)動(dòng)機(jī)相同運(yùn)行工況下時(shí)保持相同扭矩輸出的同時(shí)，通過(guò)增加進(jìn)氣量和減小點(diǎn)火角來(lái)達(dá)到相同扭矩值的輸出，通過(guò)這種方式的好處是，發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩余量充分。當(dāng)未知負(fù)載施加到發(fā)動(dòng)機(jī)端或者其他模塊有扭矩干預(yù)請(qǐng)求時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)點(diǎn)火角的控制快速提高扭矩來(lái)增加發(fā)動(dòng)機(jī)控制的穩(wěn)定性和響應(yīng)性，比如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由于未知負(fù)載的影響導(dǎo)致轉(zhuǎn)速掉坑嚴(yán)重，EMS 控制系統(tǒng)可以通過(guò)點(diǎn)火角的快速調(diào)控，把發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速拉上來(lái)從而防止熄火，這是一種后知后覺(jué)的扭矩增加方式。但是儲(chǔ)備扭矩通常不宜過(guò)大，過(guò)大的儲(chǔ)備扭矩反而會(huì)影響發(fā)電機(jī)的燃燒性能，如下圖2 所示。

圖2 儲(chǔ)備扭矩的影響因素示意圖

2.3 發(fā)電機(jī)充放電

發(fā)電機(jī)一般包含電壓調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)子、定子、限流電路等常規(guī)零部件，發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器會(huì)根據(jù)整車負(fù)載實(shí)時(shí)調(diào)控工作電壓，一般12V-13V 左右。發(fā)電機(jī)通過(guò)皮帶與發(fā)動(dòng)機(jī)皮帶輪連接，所以發(fā)電機(jī)供電的時(shí)候是發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)負(fù)載，除了自身的摩擦損失還有發(fā)電損失，需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的能量。

1>車輛啟動(dòng)前，蓄電池負(fù)責(zé)給整車用電器供電。

2>車輛啟動(dòng)后，當(dāng)蓄電池的電壓較小時(shí)，發(fā)電機(jī)除了滿足整車用電器的用電需求外還需要給蓄電池充電。當(dāng)蓄電池充滿電后，最終達(dá)到電平衡，此后發(fā)電機(jī)只負(fù)責(zé)給整車用電器供電。

3>車輛啟動(dòng)后，當(dāng)蓄電池電壓較大時(shí)，蓄電池和發(fā)電機(jī)可以同時(shí)給整車用電器供電，這樣就可以減輕發(fā)電機(jī)的能量消耗，最終達(dá)到電平衡。這個(gè)充放電過(guò)程的不同在油耗測(cè)試中能夠起到一定的作用，不但減少了發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩的輸出，還優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)備扭矩所帶來(lái)的的燃燒惡化。

實(shí)際整車工況情況較多，發(fā)電機(jī)的充放電動(dòng)態(tài)過(guò)程較為復(fù)雜，總體來(lái)說(shuō)發(fā)電機(jī)充放電原理如下圖3 簡(jiǎn)單舉例：

圖3 發(fā)電機(jī)和蓄電池充放電原理簡(jiǎn)圖

3 試驗(yàn)研究

選取車輛在不同初始蓄電池電壓下進(jìn)行NEDC 循環(huán)測(cè)試，同時(shí)接上采集電流測(cè)試設(shè)備采集電流方向和大小，測(cè)試點(diǎn)實(shí)車布置的原理如圖6 和圖7 所示。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)NEDC 循環(huán)曲線中：

1>當(dāng)初始蓄電池電壓低時(shí)，發(fā)電機(jī)放電電流和蓄電池的充電電流值較大（藍(lán)色線），原因是發(fā)電機(jī)除了滿足整車用電器的基本需求外，還會(huì)給蓄電池充電，但是此時(shí)蓄電池負(fù)載較大。

2>當(dāng)初始蓄電池電壓高時(shí)，發(fā)電機(jī)放電電流和蓄電池的充電電流較?。t色線），同理，發(fā)電機(jī)滿足整車用電器的基本需求外，也會(huì)給蓄電池充電，而此時(shí)蓄電池的負(fù)載較小。

另外還可以發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的輸出端負(fù)載在不同初始蓄電池電壓下整體呈現(xiàn)延遲效果，電壓越小延遲越大，最終輸出負(fù)載波形會(huì)逐漸同步。發(fā)電機(jī)負(fù)載的定義是發(fā)電機(jī)的工作狀態(tài)的波動(dòng)，正常工作時(shí)發(fā)電機(jī)控制芯片內(nèi)設(shè)定一個(gè)目標(biāo)電壓，發(fā)電機(jī)的實(shí)際發(fā)電的電壓會(huì)圍繞這個(gè)設(shè)定值閉環(huán)控制。而當(dāng)蓄電池電壓高時(shí)，發(fā)電機(jī)占空比輸出可以減少（即負(fù)載）就能保持目標(biāo)電壓的控制收斂。而當(dāng)蓄電池電壓低時(shí)，輸出的占空比相應(yīng)要提高。所以在實(shí)際的發(fā)電機(jī)輸出負(fù)載波動(dòng)如圖6 所示。

圖4 NEDC 循環(huán)發(fā)電機(jī)放電電流圖

圖5 NEDC 循環(huán)蓄電池充電電流圖

圖6 NEDC 循環(huán)發(fā)電機(jī)負(fù)載對(duì)比圖

圖7 試驗(yàn)設(shè)備部分布置實(shí)物圖

如下圖圖9 所示，不同初始蓄電池下的儲(chǔ)備扭矩不一樣，蓄電池電壓較小時(shí)儲(chǔ)備扭矩較大，電壓較小時(shí)儲(chǔ)備扭矩較大。原因是蓄電池作為負(fù)載發(fā)動(dòng)機(jī)之一，引起怠速控制上的轉(zhuǎn)速波動(dòng)最終會(huì)通過(guò)儲(chǔ)備扭矩體現(xiàn)，并且可以發(fā)現(xiàn)蓄電池電壓越高，儲(chǔ)備扭矩之間的差別越小，蓄電池電壓越低，儲(chǔ)備扭矩之間的差別則越明顯。

圖8 電流測(cè)試布置原理簡(jiǎn)圖

圖9 不同蓄電池初始電壓下的儲(chǔ)備扭矩圖

4 效果評(píng)價(jià)

NEDC 油耗測(cè)試結(jié)果證明初始蓄電池電壓是影響油耗測(cè)試的關(guān)鍵因素，通過(guò)規(guī)范的初始蓄電池電壓邊界能有效收斂油耗大約0.2L/100Km。所以，油耗測(cè)試前需要將蓄電池充滿，否則會(huì)影響結(jié)果的評(píng)判。

5 總結(jié)

本文針對(duì)不同初始蓄電池電壓下的油耗測(cè)試結(jié)果深入分析了EMS 控制系統(tǒng)儲(chǔ)備扭矩的原理，并且分析了儲(chǔ)備扭矩大小對(duì)油耗測(cè)試結(jié)果的影響。由于怠速工況在整個(gè)循環(huán)曲線中占比較大，所以優(yōu)化儲(chǔ)備扭矩可以顯著的改善油耗測(cè)試結(jié)果。然而儲(chǔ)備扭矩則是系統(tǒng)外部負(fù)載的客觀真實(shí)，一般情況下與零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、功率等有關(guān)所以較難直接改善。另一種簡(jiǎn)單的辦法是規(guī)范測(cè)試邊界條件，可以在短期內(nèi)得到較大的測(cè)試收益。

圖10 不同蓄電池初始電壓下NEDC油耗測(cè)統(tǒng)計(jì)