辛瑜，張寶平，徐峰，種博軒，韓文文，王永

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

整車電能平衡分析

辛瑜，張寶平，徐峰，種博軒，韓文文，王永

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

通過(guò)整車電平衡總體技術(shù)要求對(duì)車輛在不同運(yùn)行情況下蓄電池和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)測(cè)量和分析，得到蓄電池容量校核結(jié)果和發(fā)電機(jī)選型校核結(jié)果，以及設(shè)計(jì)方面需改進(jìn)內(nèi)容。

電能平衡；蓄電池容量；發(fā)電機(jī)電流；設(shè)計(jì)改進(jìn)

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-123-04

隨著重卡行業(yè)的設(shè)計(jì)與開發(fā)水平的提升，整車電平衡計(jì)算越發(fā)有著實(shí)用價(jià)值，整車電平衡計(jì)算方法也一直是車企設(shè)計(jì)者們所探索和鉆研的重要部分。

蓄電池與起動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)及整車作為一個(gè)電能供需關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，在整車設(shè)計(jì)、開發(fā)過(guò)程中，這是一個(gè)至關(guān)重要的考慮環(huán)節(jié)。由于起動(dòng)機(jī)最大輸出功率與蓄電池容量?jī)?yōu)化匹配，既能保證車輛在任何地區(qū)環(huán)境溫度條件下都能正常啟動(dòng)，同時(shí)又能夠降低蓄電池成本和油耗；對(duì)發(fā)電機(jī)有效輸出功率與整車電器（除起動(dòng)機(jī)外）耗電量?jī)?yōu)化匹配，即能夠保證蓄電池正常充放電，延長(zhǎng)蓄電池壽命，同時(shí)又能降低發(fā)電機(jī)成本和油耗。因此，需對(duì)重卡電氣系統(tǒng)進(jìn)行電量平衡計(jì)算。

本文對(duì)整車電平衡進(jìn)行了分析，并用實(shí)例進(jìn)行了簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)驗(yàn)證實(shí)例中發(fā)電機(jī)和蓄電池的匹配情況。

1 整車電平衡總體技術(shù)要求

根據(jù)整車電源系統(tǒng)的電能平衡原理，等效出發(fā)電機(jī)、蓄電池及整車負(fù)載電路如圖1。圖中，Ig ——發(fā)電機(jī)輸出電流；If ——車輛負(fù)載電流；Ib ——蓄電池電流。

圖1 發(fā)電機(jī)、蓄電池及整車負(fù)載等效電路圖

1.1 蓄電池容量應(yīng)能滿足起動(dòng)機(jī)最低環(huán)境溫度一次性起動(dòng)要求；

1.2 發(fā)電機(jī)輸出功率＞用電器電量+蓄電池充電電量（充電系數(shù)τ＝0.05-1.5）；

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)要求

發(fā)動(dòng)機(jī)不同狀態(tài)下發(fā)電機(jī)電流應(yīng)滿足：

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速：Ig≈額定電流60%-80%；

車速= 40Km/h：Ig≥If+Ib

Ig ——發(fā)電機(jī)輸出電流

If ——車輛負(fù)載電流

Ib ——蓄電池充電電流（≈0.1C20）

1.4 發(fā)電機(jī)電流要求

在各種工況下，發(fā)電機(jī)輸出電流均符合如下要求：Ige≥If+Ib

極限工況下，發(fā)電機(jī)輸出電流符合如下要求：Ige≥（Ifc+Ify）- 15A

Ige——發(fā)電機(jī)額定輸出電流；

Ifc——車輛本身負(fù)載電流；

Ify——用戶加裝負(fù)載電流；

2 整車電平衡計(jì)算分析

2.1 蓄電池容量核算

蓄電池容量確定原則：

1）保證發(fā)動(dòng)機(jī)（起動(dòng)機(jī)）起動(dòng)性能，起動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能主要考慮低溫起動(dòng)性能；

2）考慮充電系統(tǒng)失效，蓄電池提供用電器基本電能，保證車輛行駛180-200min 。

2.1.1 起動(dòng)機(jī)功率計(jì)算

起動(dòng)機(jī)功率同發(fā)動(dòng)機(jī)平均阻轉(zhuǎn)矩Ms有關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)阻轉(zhuǎn)矩同發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸工作容積、壓縮比、曲軸旋轉(zhuǎn)不均勻系數(shù)、Km系數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油運(yùn)動(dòng)粘度、曲軸平均轉(zhuǎn)速等有關(guān)，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)廠家根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算確定。

2.1.2 蓄電池耐久能力計(jì)算

2.1.2.1 常溫情況下，蓄電池提供負(fù)載等效電流：I（白） 和I（夜）

2.1.2.2 蓄電池提供最小放電電流所需放電容量計(jì)算

常溫情況下，單個(gè)完全充足電蓄電池（荷電 100%）放電下降到需充電狀態(tài)（荷電60%），此時(shí)蓄電池所放電的容量分別以白天和黑夜不同放電電流 I（I（白） 或 I（夜）），根據(jù)所保證車輛行駛時(shí)間，即可計(jì)算出蓄電池放電容量C放電=It，進(jìn)而算出蓄電池荷電100%情況下，C蓄=C放電/60%。

2.1.2.3 蓄電池提供靜態(tài)功耗電流持續(xù)時(shí)間估算

常溫情況下，單個(gè)完全充足電蓄電池（荷電 100%），以小電流放電到需充電狀態(tài)（荷電85%），大約可提供一定量的蓄電池容量，該蓄電池容量以靜態(tài)功耗電流放電，可計(jì)算出放電時(shí)間 C放電=靜態(tài)功耗×t，而算出蓄電池荷電 100%情況下，C蓄=C放電/85%。

2.2 發(fā)電機(jī)輸出功率核算

發(fā)電機(jī)輸出功率工況一般可分為怠速、車速40Km/h兩種工況：

2.2.1 怠速工況發(fā)電機(jī)（熱態(tài)）輸出電流計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速=n怠×i（i為發(fā)動(dòng)機(jī)速比）。

2.2.2 40Km/h工況下，發(fā)電機(jī)輸出電流計(jì)算

2.2.2.1 40Km/h工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算：g=1000×40×變×橋／120π×R

g ——40Km/h工況發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；

變——變速器適合檔位速比；

橋——驅(qū)動(dòng)橋主減速比；

R ——輪胎半徑；

計(jì)算出轉(zhuǎn)速，通過(guò)發(fā)電機(jī)輸出特性曲線可得到發(fā)電機(jī)輸出電流。

2.2.2.2 40Km/h工況發(fā)電機(jī)輸出電流：

Ig ——發(fā)電機(jī)輸出電流

Ifmax ——車輛負(fù)載電流

Ib ——蓄電池充電電流（≈0.1C20）

2.3 各種工況下，發(fā)電機(jī)輸出電流計(jì)算公式

Ig——發(fā)電機(jī)輸出電流（熱態(tài) ）；

Ib——0.1C20；

If——車輛本身負(fù)載電流；

Ify——用戶加裝負(fù)載電流；

2.3.1 用戶自行加裝電器負(fù)載計(jì)算

2.3.1.1 用戶加裝負(fù)載值計(jì)算：

采用發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，各種工況下，用戶可加裝負(fù)載平均值的80%為用戶允許加載值：

其中：Ify用戶可加裝負(fù)載電流

i=1、2……n，分別代表不同工況。

Ii代表與之對(duì)應(yīng)的的最大加裝負(fù)載限值（發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)）

其中：Pfy 用戶可加裝負(fù)載功率

Ify 圓整后電流

Ue 電氣線路額定電壓

2.3.1.2 用戶加裝負(fù)載最大極限值計(jì)算：

采用車速為 40km/h時(shí)，各種工況下，用戶可加裝負(fù)載平均值的70%為用戶允許最大加載極限值：

其中：Ifymax用戶可加裝負(fù)載最大極限值電流

j=1、2……n，分別代表不同工況。

Ij代表與之對(duì)應(yīng)的的最大加裝負(fù)載限值（車速40km/時(shí)）

其中：Pfy max用戶可加裝負(fù)載最大極限值功率

Ue 電氣線路額定電壓

由此可計(jì)算出用戶可加載電器負(fù)載最大極限電流、最大極限功率。

3 舉例某車型電平衡分析

3.1 該車型部分參數(shù)

整車電壓：24V；起動(dòng)機(jī)功率：-20℃，5.58KW；蓄電池容量：135Ah；發(fā)電機(jī)額定電流：80A。

3.2 該車型電平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)測(cè)得實(shí)例車型不同工況下發(fā)電機(jī)電流、用電器等效電流情況如下表：

表1 不同條件下整車用電器等效電流（部分）

3.3 該車型蓄電池容量校核

3.3.1 蓄電池容量計(jì)算

根據(jù)起動(dòng)機(jī)功率和起動(dòng)機(jī)最低工作溫度，查詢蓄電池比能量和最大功率關(guān)系，確定比能量系數(shù) L（與蓄電池性能有關(guān)），通過(guò)表2即該車型使用蓄電池比能量和最大功率關(guān)系對(duì)照表（該表是通過(guò)大量試驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)值表）得到：

表2 蓄電池比能量和最大功率關(guān)系對(duì)照表

-20℃時(shí)，C20（Ah）= P2（KW)×L／U(V）=5.58×680／24=158Ah，135Ah蓄電池?zé)o法充分滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)要求。

-15℃時(shí)，C20（Ah）= P2（KW)×L／U(V）=5.58×600／24=139.5Ah，135Ah蓄電池基本能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)要求。

3.1.2 蓄電池不同工況下的供電電流

從表1中可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)，在較差和最差工況下蓄電池的充電電流為負(fù)值，即蓄電池處于放電狀態(tài)。而在車速 40Km/h，工況較好的情況下蓄電池均處于充電狀態(tài)。對(duì)于蓄電池適當(dāng)?shù)姆烹姡怯兄谙铍姵貥O板極化現(xiàn)象，從而達(dá)到快速充電的目的。所以，蓄電池的這種緩沖作用是汽車電源系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)保持電能動(dòng)態(tài)平衡的前提。

3.1.3 蓄電池耐久能力計(jì)算

根據(jù)2.1.2.2，常溫下，經(jīng)計(jì)算該車在滿足車輛啟動(dòng)的情況下分別可滿足白天和夜間持續(xù)工作230min和152min。滿足電平衡要求（2.1）

3.1.4 根據(jù)2.1.2.3

考慮整車靜態(tài)功耗為 50mA時(shí)，（135-135*85%）/0.05/24=16.9≈17（天），該車在滿足車輛啟動(dòng)的情況下，135Ah蓄電池可持續(xù)供電17天左右，時(shí)間過(guò)短，蓄電池承擔(dān)的用電器靜態(tài)功耗偏大。

3.2 發(fā)電機(jī)輸出電流核算

表3 發(fā)電機(jī)輸出特性曲線表

3.2.1 怠速（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速600rpm）

n發(fā)電機(jī)=600×3. 73=2276（轉(zhuǎn)），根據(jù)表3得出，I=48＜I額，即發(fā)電機(jī)輸出電流為發(fā)電機(jī)額定電流的60%。滿足電平衡要求。

3.2.2 車速40Km/h（10檔變速箱時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1167rmp）

n發(fā)電機(jī)=1167×3.793=4426（轉(zhuǎn)）根據(jù)表3得出，I=76A≥Ifmax+Ib=57+13.5=70.5A(Ifmax為最差工況車輛用電器等效電流，Ib=0.1C20=0.1×135=13.5A)。滿足電平衡要求。

3.3 用戶加裝負(fù)載情況計(jì)算

3.3.1 怠速

根據(jù)2.3.1.1，怠速時(shí)，計(jì)算得到用戶可加裝負(fù)載功率為560W。

3.3.2 車速40Km/h

根據(jù)2.3.1.2，車速40Km/h時(shí)，計(jì)算得到用戶可加裝負(fù)載功率為840W。

因此，可得出該車推薦用戶加裝負(fù)載為 560W，而用戶可加裝最大負(fù)載為840W。

3.4 計(jì)算結(jié)論

經(jīng)過(guò)一系列計(jì)算得出如下結(jié)論：

（1）該車型選用的135（Ah）蓄電池，在日常環(huán)境溫度下（冬季最低溫度-10℃以上），可基本滿足起動(dòng)機(jī)啟動(dòng)要求和日常用電器功率消耗，但是在北方部分地區(qū)（冬季最低溫度在-15℃以下），應(yīng)選用20小時(shí)率容量≧165（Ah）的蓄電池。

（2）蓄電池承擔(dān)的用電器靜態(tài)功耗偏大（50mA)，在車輛長(zhǎng)時(shí)間放置后，蓄電池容易產(chǎn)生虧電現(xiàn)象，特別是在冬季低溫環(huán)境下，由于鈍化作用，蓄電池存放時(shí)間會(huì)更短（-10℃環(huán)境溫度下，蓄電池存放時(shí)間＜20天）。

4 結(jié)論

目前、比較公認(rèn)的蓄電池容量和發(fā)電機(jī)輸出功率理想匹配方案為大容量蓄電池+小功率發(fā)電機(jī)模型。對(duì)比該車型，蓄電池容量相對(duì)偏小，發(fā)電機(jī)功率相對(duì)偏大，發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)傳動(dòng)比處于臨界值。

該車型電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化目標(biāo)：

蓄電池容量：常溫：165（Ah）蓄電池；寒冷地區(qū)：180 Ah或低溫蓄電池；

發(fā)電機(jī)：輸出電流（熱態(tài)）≈70(A)；效率＞55%；調(diào)節(jié)器帶溫度補(bǔ)償；

發(fā)動(dòng)機(jī)：發(fā)電機(jī)傳動(dòng)比：≈4；

整車用電器靜態(tài)功耗≤50 （mA)；

整車用戶加裝負(fù)載≤400（W）。

[1] 魏明悅.一種簡(jiǎn)單易行的電平衡計(jì)算方法的研究[J].汽車電器,2014（3）.

[2] 李高林,劉鐵山,范學(xué).整車電平衡測(cè)試研究[J].汽車電器,2014（8）.

[3] 董利偉.乘用車整車電量平衡計(jì)算方法的研究與應(yīng)用.汽車電器,2010（2）.

[4] 石志勇,韓勇,王宜海.汽車電平衡匹配設(shè)計(jì)淺析.汽車實(shí)用技術(shù),2015（4）.

Analyse the electric balance of vehicle

Xin Yu, Zhang Baoping, Xu Feng, Zhong Boxuan, Han Wenwen, Wang Yong
（Shaanxi Heavy Duty Automobile CO., LTD, Shaanxi Xi'an 710200）

Through the electric balance overall technical requirements of vehicle under different operation conditions on the battery and alternator data measurement and analysis, selection for battery capacity and alternator checking result, to improve the content of design.

electric balance; bettery capacity; alternator current; better design

U467.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)20-123-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.043

辛瑜，就職于陜西重型汽車有限公司。