程斌，周勝?gòu)?qiáng)，李嘉博

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多工況下整車(chē)電平衡設(shè)計(jì)與分析

程斌，周勝?gòu)?qiáng)，李嘉博

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

電平衡是指發(fā)電機(jī)、蓄電池、整車(chē)用電器一定工況下發(fā)電量和用電量達(dá)到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，文章主要介紹了汽車(chē)電平衡的設(shè)計(jì)流程、目的意義、設(shè)計(jì)方法（包括模型計(jì)算，蓄電池及發(fā)電機(jī)選型）以及如何進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

電平衡；發(fā)電機(jī)；蓄電池；整車(chē)用電器；計(jì)算

前言

隨著科技進(jìn)步，車(chē)聯(lián)網(wǎng)及智能汽車(chē)的高速發(fā)展，現(xiàn)代汽車(chē)電氣設(shè)備越來(lái)越多，各用電器工作條件及控制策略也越來(lái)越復(fù)雜，這使得整車(chē)耗電量也在逐步增加，如何保證車(chē)輛在任何工況下，如低溫、車(chē)輛靜置一段時(shí)間以及在極端工況等條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)都能夠正常起動(dòng)，電氣部件能夠可靠工作，這是一個(gè)重要的課題，從整車(chē)角度來(lái)講，這是一個(gè)電氣系統(tǒng)電能輸出及需求的平衡問(wèn)題，電平衡即汽車(chē)電氣系統(tǒng)電量匹配平衡，即發(fā)電機(jī)、蓄電池以及用電負(fù)載之間的電能產(chǎn)生及消耗的匹配和相互制約關(guān)系[1]，發(fā)電機(jī)是電能的輸出者，用電設(shè)備是電能的消耗者，蓄電池則充當(dāng)為起動(dòng)機(jī)供電，既協(xié)助發(fā)電機(jī)供電，又利用發(fā)電機(jī)輸出電能充電的角色[2]，蓄電池、起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及電氣系統(tǒng)作為一個(gè)整體，在設(shè)計(jì)時(shí)必須使它們的工作能相互匹配，因此電平衡設(shè)計(jì)在整車(chē)開(kāi)發(fā)中尤為重要。

1 整車(chē)電平衡設(shè)計(jì)流程

圖1 電平衡設(shè)計(jì)流程

整車(chē)電平衡設(shè)計(jì)流程如圖1所示。發(fā)電機(jī)必須在絕大多數(shù)運(yùn)行工況下，能夠給整車(chē)電氣系統(tǒng)提供足夠的電能，同時(shí)又能保證給蓄電池充電。對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)來(lái)講，所選定的發(fā)電機(jī)特性能夠使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流至少等于極限工況下整車(chē)電氣系統(tǒng)的消耗，而對(duì)于智能發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流可結(jié)合整車(chē)控制策略及整車(chē)極限工況的電流需求進(jìn)行確定。

2 整車(chē)電平衡設(shè)計(jì)目的

要求車(chē)輛在不同使用工況下，蓄電池的容量和整車(chē)電氣系統(tǒng)電壓均能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求：

a）車(chē)輛電氣系統(tǒng)低負(fù)載時(shí)，發(fā)電機(jī)能夠提供負(fù)載消耗的電能，并能給蓄電池充電；

b）車(chē)輛電氣系統(tǒng)高負(fù)載時(shí)，蓄電池能夠幫助發(fā)電機(jī)一起提供負(fù)載所需電能，但放電量要控制在一定范圍內(nèi)；

c）車(chē)輛在標(biāo)準(zhǔn)駕駛循環(huán)后，蓄電池的容量應(yīng)不能減少。

3 整車(chē)電平衡設(shè)計(jì)

3.1 蓄電池選取

蓄電池的作用主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)給起動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火系統(tǒng)等用電設(shè)備供電，在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行后作為儲(chǔ)能器件存在，并當(dāng)發(fā)電機(jī)不發(fā)電或者故障時(shí)給整車(chē)電氣系統(tǒng)供電。

氣溫低時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)扭矩增大，起動(dòng)機(jī)需要的起動(dòng)電流也大[3]，蓄電池容量和電壓下降快，起動(dòng)困難，因此冬季要保證充足的放電電流，可采用大容量蓄電池。蓄電池容量和放電電流的關(guān)系：一般來(lái)說(shuō)蓄電池的容量大，放電電流就大，工作低溫性能好。

蓄電池的選取要根據(jù)車(chē)輛放置時(shí)的靜態(tài)電流值研討蓄電池的容量。車(chē)輛在車(chē)庫(kù)等處的存放時(shí)間至少為30天時(shí)能可靠起動(dòng)。其判斷標(biāo)準(zhǔn)由以下算式表示：

式中：I—整車(chē)靜態(tài)電流A；P—停放天數(shù)；C—蓄電池容量Ah，因此選擇蓄電池時(shí)要考慮：使用條件、行駛條件、發(fā)電機(jī)功率、環(huán)境溫度、整車(chē)靜態(tài)電流等綜合因素，此外還要考慮到蓄電池自身的損耗，蓄電池自放電是電平衡的一個(gè)重要參數(shù)，不同的蓄電池廠商此電流會(huì)有不同，因此需要與蓄電池廠商共同確認(rèn)，以保證設(shè)計(jì)時(shí)選型的定義[4]，蓄電池自放電一般為其容量的3%-5%。

3.1.1實(shí)例

某款車(chē)采用12V電源系統(tǒng)，其電源由蓄電池和發(fā)電機(jī)并聯(lián)后組成。從成本、維修便利性、使用壽命及起動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流考慮。計(jì)劃選用起動(dòng)型免維護(hù)鉛酸蓄電池，此類(lèi)型蓄電池具有內(nèi)阻小、電壓穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、能迅速提供大電流、免維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，整車(chē)靜態(tài)電流I不大于15mA，車(chē)輛停放30天后仍能可靠起動(dòng)。由判斷標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式：

式中：I—整車(chē)靜態(tài)電流A；P—停放天數(shù)；C—蓄電池容量Ah。

得：

考慮到蓄電池自身的損耗，容量選擇60Ah。

由表1和圖2可知，在-25℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)靜阻力矩T靜=18．3 Nm，此時(shí)的冷啟動(dòng)電流為340A，為保證可靠起動(dòng)，取蓄電池低溫放電電流400A。

綜上，可選容量為60Ah，低溫起動(dòng)電流為400A的鉛酸蓄電池。

圖2 起動(dòng)機(jī)特性曲線

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)

3.2 整車(chē)用電量的理論計(jì)算

表2 在各種情況下整車(chē)用電設(shè)備情況

根據(jù)整車(chē)電器系統(tǒng)常用電器設(shè)備的不同工作特性，將其分為連續(xù)接通、短時(shí)間接通、和長(zhǎng)時(shí)間接通3種狀況。

表3 某整車(chē)用電設(shè)備額定功率和頻度系數(shù)表

3.2.1用電設(shè)備使用情況

整車(chē)用電設(shè)備在不同場(chǎng)合，不同氣候條件下使用，一般不會(huì)全部工作，而許多用電設(shè)備的工作時(shí)間長(zhǎng)短，取決于季節(jié)和環(huán)境的變化，對(duì)汽車(chē)在行駛中較為典型的用電情況進(jìn)行分析，大致可分為8種，平常日間、平常夜間、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜、冬季日間、冬季夜間、冬季雪夜。不同工況下各用電器的使用情況見(jiàn)表2。

3.2.2用電設(shè)備使用頻率

電氣系統(tǒng)負(fù)荷與用電設(shè)備的使用和工作狀態(tài)相關(guān)，用電設(shè)備工作狀態(tài)決定于季節(jié)、環(huán)境、交通狀況和個(gè)人喜好，復(fù)雜的使用條件使電氣系統(tǒng)負(fù)荷的計(jì)算變得困難，為了分析計(jì)算方便，引入用電設(shè)備使用頻度系數(shù)概念來(lái)計(jì)算整車(chē)用電量。

在不同的季節(jié)和環(huán)境，汽車(chē)用電設(shè)備有著不同的氣候環(huán)境頻度系數(shù)，本文采用的頻度系數(shù)及其有主要關(guān)系的用電設(shè)備如下：

1）μS與夏季相關(guān)頻度系數(shù)。相關(guān)電設(shè)備：空調(diào)壓縮機(jī)、雨刮、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等。

2）μo與季節(jié)氣候無(wú)關(guān)頻度系數(shù)。相關(guān)電設(shè)備：制動(dòng)燈、室內(nèi)燈等隨機(jī)工作的設(shè)備。

3）μw與冬季相關(guān)頻度系數(shù)。相關(guān)用電設(shè)備：空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)、除霜等。

如表3所示，為了便于說(shuō)明，下面我的論述將結(jié)合實(shí)例進(jìn)行。

3.2.3整車(chē)用電設(shè)備等效負(fù)荷計(jì)算

汽車(chē)用電設(shè)備的電量理論上可以由公式1進(jìn)行估算，序號(hào)為的車(chē)用電器的加權(quán)電流，用I加權(quán)來(lái)表示，則：I加權(quán)=P加權(quán)/U

P加權(quán)=Piμi

式中：μi是第i個(gè)用電器所對(duì)應(yīng)的使用頻度系數(shù)。Pi是第i個(gè)用電器的功率。

不同工況下各用電器的功率分配見(jiàn)表4。

表4 用電設(shè)備在不同環(huán)境下的功率分配

根據(jù)圖3的計(jì)算結(jié)果，在夏季雨夜時(shí)，整車(chē)用電量為125.36A。因此經(jīng)圓整，發(fā)電機(jī)選取應(yīng)不小于140A。

4 電量平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

電平衡試驗(yàn)項(xiàng)目一般有以下6項(xiàng)[5]：

1）怠速、夏季、雨夜。

2）怠速、冬季、雪夜。

3）低速(20~40km/h)、夏季、雨夜。

4）低速(20~40km/h)、冬季、雪夜。

5）高速(80~100km/h)、夏季、雨夜。

6）高速(80~100km/h)、冬季、雪夜。

圖3 不同工況下整車(chē)用電量

試驗(yàn)中要記錄發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、汽車(chē)檔位、環(huán)境溫度、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)。鑒于車(chē)輛的使用是城市運(yùn)行工況，且夏季雨夜工況工作電流值比較大，所以夏季雨夜低速工況為主要試驗(yàn)考核項(xiàng)目，其它試驗(yàn)僅作參考。

在一款車(chē)型的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用了上述的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出的新產(chǎn)品。在通過(guò)汽車(chē)線束及整車(chē)的一系列試驗(yàn)后，整車(chē)供電系統(tǒng)未發(fā)生任何故障，起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池及線束均正常工作，以上可以有效驗(yàn)證整車(chē)電平衡設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

對(duì)整車(chē)而言，發(fā)電機(jī)、蓄電池以及整車(chē)用電器供電及用電是一個(gè)相互平衡的過(guò)程。本文詳細(xì)描述了起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池等幾個(gè)電平衡關(guān)鍵零部件的選型方法。合理設(shè)計(jì)整車(chē)電平衡性能，不但可保證車(chē)輛電源系統(tǒng)的安全可靠，還可指導(dǎo)零部件選型，有效降低發(fā)電機(jī)、蓄電池等零部件的成本，增加蓄電池等零部件壽命，降低整車(chē)油耗[6][7]，因此整車(chē)電平衡是重要的性能指標(biāo)。另外，對(duì)于智能發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的輸出控制及能量管理策略的進(jìn)一步研究以及合理的設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)整車(chē)節(jié)油、排放、電氣系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和提升[8]。

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The Design And Analysis Of Vehicle Load Balance Under Various Condition

Cheng Bin, Zhou Shengqiang, Li Jiabo

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Load balance refers to the equilibrium state among generator, battery, the power consumption of the whole vehicle appliances under the certain condition, this article mainly introduced the design of vehicle load balance process, the purpose, significance, design methods (including calculation and selection of the battery and generator) and how to do the test.

Load Balance; Generator; Battery; Electric Appliance; Calculation

A

1671-7988(2018)16-124-04

U462.2

A

1671-7988(2018)16-124-04

CLC NO.: U462.2

程斌，碩士，高級(jí)工程師，就職于華晨汽車(chē)工程研究院。主要從事整車(chē)電能管理及EMC的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.045