整車電平衡的計(jì)算及驗(yàn)證

賴建文, 蘇秀花, 王 堅(jiān)

(柳州五菱新能源汽車有限公司, 廣西 柳州 545007)

目前,汽車整車電平衡設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)公式估算,沒有充分研究車輛電器系統(tǒng)之間的關(guān)系,也缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持,且每個(gè)主機(jī)廠的計(jì)算方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各有不同。本文提出整車電平衡的計(jì)算原則,闡述電器電平衡計(jì)算的方法及標(biāo)準(zhǔn);并通過分析不同工況下各電氣設(shè)備的動(dòng)態(tài)參數(shù),驗(yàn)證整車電平衡設(shè)計(jì)的合理性,在保證系統(tǒng)安全、可靠的前提下,為產(chǎn)品的成本優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持與整改建議[1]。

1 整車電平衡計(jì)算

1.1 整車電平衡計(jì)算原則

目前行業(yè)內(nèi)對(duì)于整車電平衡計(jì)算的原則只是要求發(fā)電機(jī)必須在絕大多數(shù)運(yùn)行工況下,能夠給各用電設(shè)備提供足夠的電能,同時(shí)又能保證給蓄電池充電即可。本文從兼顧使用和成本角度出發(fā),按本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)電平衡的計(jì)算原則提出以下具體要求:

1) 發(fā)電機(jī)的額定輸出電流應(yīng)在整車最大負(fù)載工作電流的1.2～1.5倍之間。

2) 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí),發(fā)電機(jī)輸出電流應(yīng)為其額定電流的55%～80%。

3) 車輛怠速高負(fù)載運(yùn)行時(shí),蓄電池容量SOC降至60%的時(shí)間至少為40 min,即:

C20×(0.9-0.6)÷Ib×60≥40

(1)

式中:C20為蓄電池容量;Ib為放電電流。

4) 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速高負(fù)載時(shí),蓄電池的放電電流Ib應(yīng)不大于該蓄電池20 小時(shí)率電流的6倍,即:

Ib≤6×C20÷20

(2)

5) 必須有足夠的電能儲(chǔ)備,保證車輛在正常運(yùn)行或駐車停放一段時(shí)間后仍可以起動(dòng)及工作,即:

Ia≤C20×(0.9-0.65-d×T)÷(T×24)[2]

(3)

式中:T為允許駐車的時(shí)間,一般為42天;d為蓄電池每天的自放電率,一般為1‰;Ia為整車靜態(tài)電流,一般要求小于20 mA。

1.2 蓄電池容量計(jì)算

蓄電池容量偏小時(shí),會(huì)影響車輛的駐車時(shí)間,而長期的深度放電,也會(huì)大大影響蓄電池的壽命;蓄電池容量偏大時(shí),會(huì)影響布置空間,同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量過剩和成本增高。

1) 按式(4)計(jì)算蓄電池的額定容量:

C20=C×P÷U[2]

(4)

式中:C為配電系數(shù),本文取620～810;P為起動(dòng)機(jī)額定功率;U為車輛的電壓等級(jí)。

2) 根據(jù)式(3)的變形計(jì)算蓄電池容量,即:

C20≥Ia×(T×24)÷(0.9-0.65-d×T)

(5)

3) 蓄電池的低溫起動(dòng)電流通常指在環(huán)境溫度-17.8～28.9 ℃的條件下,發(fā)動(dòng)機(jī)正常啟動(dòng)所需的電流值,滿足汽車在低溫環(huán)境下的冷啟動(dòng)電能需求也成為蓄電池匹配的重要依據(jù)[3]。一般根據(jù)起動(dòng)機(jī)特性曲線圖進(jìn)行估算,該電流值應(yīng)大于起動(dòng)機(jī)輸出特性曲線圖上功率最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的起動(dòng)電流,同時(shí)小于功率曲線與力矩曲線交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的電流[4],如圖1所示。

圖1 起動(dòng)機(jī)特性曲線圖

1.3 發(fā)電機(jī)功率與整車耗電量的匹配計(jì)算

1.3.1 整車電氣負(fù)荷分類及典型用電工況

整車用電設(shè)備可以分為連續(xù)工作制、短時(shí)工作制和隨機(jī)工作制3種[5]。連續(xù)工作制主要包括點(diǎn)火系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、行駛系統(tǒng)、儀表燈等;短時(shí)工作制主要包括燈光系統(tǒng)、雨刮系統(tǒng)、電喇叭等;隨機(jī)工作制主要包括電動(dòng)門窗、空調(diào)系統(tǒng)、ABS及其他用電器。

汽車在行駛過程中幾種較為典型的用電工況大致可分為平常日間、平常夜間、冬季日間、冬季夜間、冬季雪夜、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜[6]。根據(jù)車輛的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),以最符合國內(nèi)城市工況的WLTC工況作為標(biāo)準(zhǔn)工況,在最初的設(shè)計(jì)中,按車速不大于50 km/h作為該工況的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.2 用電設(shè)備等效負(fù)荷計(jì)算

為分析計(jì)算方便,通常需要引入用電設(shè)備的使用頻度系數(shù)μ。各用電設(shè)備μ與環(huán)境氣候密切相關(guān),其中μs是與夏季相關(guān)的頻度系數(shù),μo是與季節(jié)氣候無關(guān)的頻度系數(shù),μw是與冬季相關(guān)的頻度系數(shù)[7],各廠家對(duì)頻度系數(shù)的定義都基本相同。

先按照式(6)計(jì)算加權(quán)功率Ps,再按照式(7)計(jì)算用電設(shè)備等效電流Is。

Ps=P×μ

(6)

Is=Ps÷U

(7)

式中:P為用電設(shè)備額定功率;μ為各用電設(shè)備的使用頻度系數(shù);U為發(fā)電機(jī)或DC/DC的標(biāo)稱輸出電壓。

根據(jù)用電工況、頻度及用電設(shè)備等效負(fù)荷計(jì)算公式計(jì)算整車在不同季節(jié)和環(huán)境下的用電量,某車型的計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 某車型用電功率匯總表(電壓等級(jí)14 V)

1.3.3 發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)確定

1) 以某車型為例,該車蓄電池容量C20為100 Ah,輪胎半徑為0.328 6 m,發(fā)動(dòng)機(jī)怠速轉(zhuǎn)速為750 r/min,怠速開空調(diào)轉(zhuǎn)速為850 r/min,發(fā)電機(jī)皮帶輪與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸皮帶輪的傳動(dòng)比為52∶136。查看該車型發(fā)電機(jī)的特性曲線圖,得出該車型發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況及開空調(diào)時(shí)的輸出電流分別為75 A和82 A。

2) 從表1可知,該車型在冬季雪夜及夏季雨夜的整車耗電量分別為68.86 A和107.01 A,蓄電池放電電流Ib等于整車耗電量減去發(fā)電機(jī)輸出電流值,得出蓄電池在冬季雪夜的放電電流Ib為-6.14 A,處于充電狀態(tài)。而夏季雨夜的放電電流Ib為25.01 A,按式(1)計(jì)算夏季雨夜蓄電池的連續(xù)放電時(shí)間為72 min,編制怠速工況下電源系統(tǒng)輸出表見表2。

表2 怠速工況電源系統(tǒng)輸出表

2 整車電平衡驗(yàn)證

2.1 測(cè)試原理及方法

整車電平衡測(cè)試的關(guān)鍵在于工況的設(shè)計(jì)和選擇[8]。而為了評(píng)價(jià)整車電平衡的測(cè)試效果,則需評(píng)估供電能力與負(fù)載消耗量之間的匹配合理性,故在測(cè)試過程中,應(yīng)記錄發(fā)電機(jī)、蓄電池等供電系統(tǒng)的電壓電流信號(hào)[9],怠速時(shí)蓄電池的放電時(shí)間等。

1) 按照?qǐng)D2正確連接CSM模塊的電壓測(cè)試探針和電流傳感器,并將溫度貼片接入前艙、乘客艙等關(guān)鍵位置。

圖2 電平衡測(cè)試原理圖

2) 試驗(yàn)工況的選擇上,各廠家的怠速工況和高速工況測(cè)試方案大體相同,而電平衡試驗(yàn)的關(guān)鍵在于城市工況的選擇,城市工況的選擇越合理,越能反映車輛在實(shí)際道路中的表現(xiàn)[10]。該測(cè)試工況應(yīng)包含夏季雨夜和冬季雪夜,試驗(yàn)過程中的換擋應(yīng)速度平穩(wěn),實(shí)際車速與工況設(shè)定車速的偏差不應(yīng)超過±3 km/h,并按不同的頻度系數(shù)表打開相應(yīng)的電器負(fù)載,測(cè)試時(shí)間60 min,以WLTC工況作為測(cè)試工況,工況曲線如圖3所示。

圖3 WLTC工況圖

2.2 測(cè)試結(jié)果

夏季雨夜時(shí),蓄電池最小充電電流為1.69 A,蓄電池SOC變化率為4.82%,怠速空調(diào)時(shí),蓄電池放電電流為10.95 A,蓄電池SOC變化率為-7.3%;冬季雪夜時(shí),蓄電池最小充電電流為2.02 A,蓄電池SOC變化率為3.02%,怠速暖風(fēng)時(shí),蓄電池放電電流為-1.79 A,蓄電池SOC變化率為1.19%。車輛滿足電平衡測(cè)試的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試結(jié)果見3。

表3 電平衡測(cè)試結(jié)果(WLTC工況)

3 結(jié)束語

本文通過一套電平衡的設(shè)計(jì)原則及計(jì)算方法,在研發(fā)的初期階段得出供放電系統(tǒng)較佳的配合參數(shù),并通過后期的試驗(yàn)驗(yàn)證電平衡設(shè)計(jì)的有效性。在未來的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證中,可以應(yīng)用仿真軟件更好地模擬整車電氣性能,并對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行修正,從而得到更精準(zhǔn)的數(shù)值;而工況的模擬也應(yīng)能進(jìn)行更多參數(shù)的修正,使車輛的運(yùn)行更接近客戶所需要的實(shí)際工況,進(jìn)而更準(zhǔn)確地分析電源系統(tǒng)的效率及壽命,使車輛電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[11]。