江濤
(柳州悠進電裝有限公司 廣西柳州 545616)
汽車電量平衡的設(shè)計計算與驗證研究
江濤
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在一定時間內(nèi),整車用電器、蓄電池、發(fā)電機的電能消耗與產(chǎn)生表現(xiàn)為一種平衡且較為穩(wěn)定的狀態(tài)即為整車電平衡,這是對整車性能進行衡量的重要指標。這一指標能夠?qū)⒄囉秒娦枨?、發(fā)電機輸出能力間的匹配關(guān)系體現(xiàn)出來,電平衡性能要求并不是固定統(tǒng)一的,會因整車性能目標定義的不同而變化,因此,其設(shè)計計算與驗證方法是否適宜關(guān)系重大。本文主要圍繞汽車電量平衡設(shè)計計算與驗證展開討論。
電動機;蓄電池;整車電平衡
整車用電設(shè)備增多是汽車電子技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,這一變化加大了整車電源系統(tǒng)的壓力,只有合理設(shè)計整車電源系統(tǒng),才能確保電量能夠滿足使用需求,為行車的安全與可靠提供重要保障[1]。設(shè)計整車電源系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何匹配用電設(shè)備、蓄電池以及發(fā)電機間的電量,匹配不當(dāng)?shù)那闆r下會對整車正常運行產(chǎn)生直接影響。
設(shè)計汽車電平衡需將對下因素考慮充分,具體如整車用電器使用頻度與功率、發(fā)動機參數(shù)等,關(guān)鍵零部件影響因素與選型順序可經(jīng)圖1進行描述。本文主要對發(fā)電機、蓄電池以及起動機的選型進行討論。
圖1
1.1 發(fā)電機
發(fā)電機運轉(zhuǎn)過程中,將電量發(fā)出以確保用電器用電需求得以滿足,同時對蓄電池所消耗電能進行補充,以上即為發(fā)電機的主要作用。作為汽車電能的主要來源,發(fā)電機的選型需確保電量供給滿足用電設(shè)備需求,提升發(fā)動機動力性,選擇確定其功率時需考慮到蓄電池充電量與正常電器用電量。這一零部件的轉(zhuǎn)速與其發(fā)電能力存在關(guān)聯(lián)性,其發(fā)電量會因轉(zhuǎn)速的提高而增大。各運行工況下整車用電器的使用頻度與其電能消耗量存在一定的關(guān)聯(lián)性,發(fā)電機的選型可對整車用電器用電量、發(fā)電機發(fā)電能力關(guān)系進行計算來完成。
整車用電器功率計算方法說明。以汽車電器用電性質(zhì)為依據(jù)進行分類,分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類汽車電器。在行駛過程中用電器的使用為長期性的即為Ⅰ類用電器,包含冷卻風(fēng)扇等有條件長期使用和油泵等無條件長期使用的用電器;短期使用但為安全行駛必備如轉(zhuǎn)向燈等為Ⅱ類用電器;隨機使用,具有改善舒適性作用如電動門窗等為Ⅲ類用電器。以Ⅰ加權(quán)=Ⅰi×μi公式進行整車用電電流的計算。
1.2 蓄電池
將發(fā)動機起動是蓄電池最主要的功用,因此,需對發(fā)動機或起動機的特性進行分析后再進行蓄電池的選型。應(yīng)首先對起動機輸出特性曲線圖進行分析,以最大功率對應(yīng)起動電流為準確定蓄電池低溫起動電流,蓄電池低溫起動電流應(yīng)較大才能為起動發(fā)動機提供保障,同時,不可比力矩曲線、功率曲線交點對應(yīng)電流大。為加大發(fā)動機起動的可靠程度,應(yīng)對滿足條件的蓄電池進行篩選,以容量較大者為最終選擇[2]。依據(jù)上述原則對蓄電池進行選型,可避免體積增大而對整車裝配質(zhì)量與空間造成影響,以及容量太大造成浪費等問題。
起動發(fā)動機應(yīng)能在車輛長時停放或長途運輸?shù)那闆r下進行,因此,需對整車靜態(tài)電流驗證來進行蓄電池的選型。儲運時間以T表示,1d中蓄電池自耗損率以1‰表示,車輛正常啟動蓄電池最小額定電量、實際電量之比為65%,下線情況下,蓄電池額定容量、實際容量之比為90%,20h率額定容量以C20表示,則(90%-65%-1‰×T)×C20/(24×T)可得整車靜態(tài)電流。最后,還需以車輛主要用途、銷售區(qū)域、蓄電池布置位置等因素為依據(jù)對蓄電池參數(shù)進行微調(diào)。
1.3 起動機
將發(fā)動機起動是起動機的主要作用,2~5s大電流工作是對起動機的常規(guī)要求。這一關(guān)鍵零部件的性能參數(shù)由其起動特性決定,起動轉(zhuǎn)速與起動轉(zhuǎn)矩是其起動特性的主要參數(shù)。以極限低溫工況為前提進行試驗設(shè)定,以M0代表起動轉(zhuǎn)矩,以n0代表起動轉(zhuǎn)速對起動需求功率進行計算,M0×n0×2π/60 即為起動需求功率。
以齒輪嚙合效率η與傳動比i為依據(jù)對起動機輸出參數(shù)進行計算,通常情況下,η即0.9,則發(fā)動機起動過程中,P0/η為功率,N0×i為轉(zhuǎn)速,M0×i為轉(zhuǎn)矩。溫度的變化會對起動機輸出功率產(chǎn)生影響,因此,需以溫度系數(shù)為依據(jù)對起動機輸出功率與轉(zhuǎn)矩進行計算,將其修正為常溫下參數(shù),至此才是起動機參數(shù)選擇的真正完成。
2.1 靜態(tài)平衡驗證
①對靜態(tài)電流進行測定,將所有用電器關(guān)閉,并將車輛鎖好,在電流無明顯變化情況下(即進入休眠狀態(tài))將此時電流值記錄下來,確定靜止狀態(tài)下整車的耗電量。②低溫下測定最低起動容量,以-30℃低溫條件為前提對整車起動情況進行測試,所用鉛酸蓄電池充電量分別為50%、40%、30%、20%,對蓄電池低溫起動能力進行考核。③對蓄電池自放電電流進行測量確定,蓄電池廠商不同所設(shè)置的自放電電流也存在一定的差異,為確保設(shè)計時選型定義的全面準確,應(yīng)向蓄電池廠商進行這一重要參數(shù)的確定[3]。④測量汽車用電器負載,在一般用電狀態(tài)下令汽進行30min的運行,使蓄電池電壓在一定電量水平下達到基本穩(wěn)定。在這一情況下對各主要用電器不同功耗耗電量進行測量,即一般功耗、低功耗、高功耗,特別是最高值測量,從而保證理論值能夠與實測值吻合。
2.2 動態(tài)平衡驗證
主要以汽車電平衡道路試驗方法對動態(tài)平衡進行驗證,在各類典型工況下對汽車各關(guān)鍵部件溫度狀態(tài),用電器、蓄電池以及發(fā)電機的用電狀態(tài)進行測量,通過上述方法來對實車電平衡狀態(tài)進行全面評測。通用蓄電池測試儀、數(shù)字采集軟件、筆記本計算機、萬用表、電流傳感器以及數(shù)據(jù)采集器為道路試驗所用設(shè)備,電流傳感器有開口與閉口兩種,測量蓄電池充放電電流若要求量程不超過500A,精度需超過0.2%,則以閉口電流傳感器進行測量較為適宜,開口電流傳感器主要應(yīng)用于其他情況。
測試參數(shù),對溫度值、電壓與電流進行監(jiān)控,測量蓄電池端電壓、發(fā)電機端電壓、用電器耗電總電流、發(fā)電機發(fā)電電流、蓄電池充放電電流。同時以特殊要求測量點為依據(jù)對車內(nèi)溫度、環(huán)境溫度、發(fā)電機外殼溫度、蓄電池周圍溫度等進行測量。
預(yù)處理蓄電池。拆下樣車上的蓄電池,應(yīng)用16V恒壓通過通用蓄電池測試儀進行2h的充電,再以4A恒流進行1h充電,然后以電流C20/20A進行放電,直至10.5V,測量蓄電池C20。對蓄電池充電完全,以蓄電池測量容量50%為準進行I20放電,在蓄電池剩余電量為50%時對其電壓進行測量。蓄電池充電電流與電量密切相關(guān),電量低則電流大,二者為負相關(guān),對蓄電池電流進行統(tǒng)一,確保試驗具備可重復(fù)性與一致性[4]。
確定汽車負載。電氣負載在汽車運行時的狀態(tài)常常發(fā)生變化,試驗通常選擇低功耗與高功耗條件進行。因發(fā)動機轉(zhuǎn)速與其發(fā)電能力相關(guān),而汽車行駛工況又與發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān),因此,試驗需考慮多種工況因素,山區(qū)公路工況、高速公路工況、城市工況、怠速工況為試驗的主要工況。各工況試驗?zāi)康囊姳?。
表1 不同工況試驗?zāi)康姆治?/p>
對整車電平衡性能進行合理設(shè)計具有重要意義,一方面合理設(shè)計可為電源系統(tǒng)的可靠安全提供保障,另一方面,合理設(shè)計對于零部件選型具有指導(dǎo)作用,可減少零部件如蓄電池以及發(fā)電機等的成本,提高零部件的使用壽命和質(zhì)量,使整車油耗降低,值得深入探討并不斷完善其設(shè)計與驗證方法。
[1]焦慶宏,王溫銳,宋寧.輕型商用車電量平衡試驗研究[J].汽車技術(shù),2015(02):24~28.
[2]趙文慶.整車用電量平衡計算[J].汽車電器,2015(08):32~34.
[3]韓海川,王子龍.某乘用車電平衡驗證方法與應(yīng)用[J].汽車工程師,2015(10):47~48.
[4]安永嶺,端木瓊,王子龍,等.基于某款車型的整車電平衡驗證測試[J].汽車電器,2015(07):63~66.
U463.6
A
1004-7344(2016)18-0302-02
2016-6-10
江 濤(1984-),男,廣西來賓人,助理工程師,主要從事技術(shù)開發(fā)方面的工作。