羅校軍 胡盛弟

【摘 要】文章介紹了整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，起動機(jī)、蓄電池及發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)校核的方法。保證電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理有效，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)、測試環(huán)節(jié)提供理論保障。

【關(guān)鍵詞】整車電源系統(tǒng);起動機(jī);蓄電池;發(fā)電機(jī);整車供電平衡

【中圖分類號】U463.63 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）12-0062-02

0 引言

整車電源系統(tǒng)部件一般包括起動機(jī)、發(fā)電機(jī)及蓄電池。三者之間有著緊密的聯(lián)系：起動機(jī)主要用于啟動發(fā)動機(jī)，而蓄電池提供起動機(jī)工作時(shí)的電能，發(fā)電機(jī)則是為整車用電器提供電能，同時(shí)給蓄電池充電。起動機(jī)、蓄電池及發(fā)電機(jī)選型匹配是否合適，從整車角度來看，影響整車的啟動性能、成本及油耗;從零部件角度來看，不僅嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命，還會對整車用電器正常性能造成影響。

1 起動機(jī)校核

起動機(jī)主要作用是拖動發(fā)動機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)轉(zhuǎn)并使發(fā)動機(jī)達(dá)到自行穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，因此不僅要求起動機(jī)工作時(shí)可以提供足夠的扭矩，同時(shí)還要求啟動時(shí)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到可以維持正常運(yùn)行的最低轉(zhuǎn)速。如果起動機(jī)選型不合理，會影響到整車的啟動性能。

一般情況下，發(fā)動機(jī)選定之后，起動機(jī)基本上也已經(jīng)選定，因此我們需要對選定的起動機(jī)的啟動性能進(jìn)行校核，校核前需要收集的關(guān)鍵信息有以下幾個(gè)方面：①發(fā)動機(jī)在-30 ℃環(huán)境下，剛好能啟動并維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最低轉(zhuǎn)速NE;②發(fā)動機(jī)在-30 ℃環(huán)境下，穩(wěn)態(tài)拖動的反扭矩TE;③發(fā)動機(jī)帶輪與起動機(jī)帶輪齒數(shù)比i;④起動機(jī)特性曲線（如圖1所示）。

其中，起動機(jī)提供的扭矩為TS，起動機(jī)轉(zhuǎn)速為NS。根據(jù)起動機(jī)與發(fā)動機(jī)配合的原理，我們可以得到以下兩個(gè)公式：

NS=NE×i（1）

TS=TE/i（2）

通過已知的TE、i，計(jì)算出對應(yīng)的TS，通過TS讀取起動機(jī)特性曲線，得到起動電流IS，再通過IS讀取對應(yīng)的轉(zhuǎn)速NS。對比NS與NE×i，校核起動機(jī)性能：如果NS≥NE×i，則表明該起動機(jī)可以驅(qū)動發(fā)動機(jī)達(dá)到自行穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，而如果NS

2 蓄電池選型校核

蓄電池的主要作用是在發(fā)動機(jī)啟動時(shí)給起動機(jī)及點(diǎn)火系統(tǒng)供電，并在發(fā)電機(jī)發(fā)生故障不工作或者發(fā)電量不足的情況下給整車用電器供電，以及在車輛鎖車靜置時(shí)維持各控制器存儲、記憶等模塊的電流消耗。蓄電池選型不合理，不僅會影響整車啟動性能與整車靜置時(shí)長，也會對蓄電池本身的使用壽命造成影響。如果因?yàn)樾铍姵氐脑蚴褂脩粲龅杰囕v無法啟動、短時(shí)間更換蓄電池等問題，不僅對用戶本身造成極大的困擾，也會對汽車品牌的口碑造成影響。

2.1 蓄電池類型的選擇

根據(jù)不同類車型對蓄電池的功能需求與對蓄電池的充電邏輯選擇蓄電池的類型，使所選蓄電池達(dá)到性能可靠又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的目的。例如：啟停非輕混車型的蓄電池類型選擇與整車成本有關(guān)，成本上EFB更優(yōu)，性能上AGM更優(yōu);EV車的蓄電池類型選擇與蓄電池的充電邏輯有關(guān)，如果某車型對蓄電池充電的邏輯為當(dāng)蓄電池電量低于某個(gè)閾值時(shí)再對蓄電池進(jìn)行充電，則需要選用AGM蓄電池。各車型可選蓄電池類型見表1。

2.2 蓄電池性能校核

2.2.1 蓄電池冷啟動性能校核

蓄電池主要作用是在整車啟動過程中為起動機(jī)提供電能，因此校核蓄電池的冷啟動性能需要結(jié)合起動機(jī)相關(guān)的特性參數(shù)。需要校核兩個(gè)方面：①蓄電池的低溫冷啟動電流（CCA）;②蓄電池的內(nèi)阻。整車起動時(shí)，蓄電池不可能都是滿電狀態(tài)，因此需要選擇一個(gè)電量（SOC）狀態(tài)下的蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行校核。

校核條件：環(huán)境溫度為-30 ℃，預(yù)選蓄電池電量為80%。

已知條件：發(fā)動機(jī)帶輪與起動機(jī)帶輪齒數(shù)比i;發(fā)動機(jī)在-30 ℃環(huán)境下，穩(wěn)態(tài)拖動的反扭矩TE;起動機(jī)到蓄電池線束回路電阻RC;起動機(jī)特性曲線（如圖1所示）;預(yù)選蓄電池在80%電量、-30 ℃條件下的端電壓U與內(nèi)阻RB。

校核過程如下：通過TS=TE/I，得到起動時(shí)起動機(jī)需要提供的扭矩，通過圖1與TS值查出起動電流IS、起動機(jī)端電壓US。假設(shè)起動機(jī)可正常起動所需要蓄電池的內(nèi)阻為RB1，起動回路電壓公式如下：

U=US+RC×IS+RB1×IS（1）

可得

RB1=（U-IS×RC-US）/IS（2）

要求IS

2.2.2 蓄電池額定容量（C20）校核

為保證車輛在經(jīng)過長時(shí)間不使用或運(yùn)輸后仍能正常啟動，要求車輛在不斷掉負(fù)極電纜的情況下，靜置42 d后仍能正常啟動，即要求蓄電池因整車靜態(tài)電流、蓄電池自耗電導(dǎo)致電量消耗后的剩余電量，仍能滿足起動機(jī)最低啟動要求。考慮到車輛開始靜置時(shí)蓄電池可能不是100%的電量（設(shè)為80%），以及常溫下蓄電池電量低于30%就存在無法啟動的風(fēng)險(xiǎn)，蓄電池每天的自損耗約為容量的2‰，同時(shí)收集整車靜態(tài)電流I（單位為A），所以蓄電池額定容量需要滿足：

80%C20-I×42×24-2‰C20×42≥30%C20（1）

公式轉(zhuǎn)化后可得：

C20≥（I×42×24）/（80%-30%-84‰）（2）

3 發(fā)電機(jī)校核

發(fā)電機(jī)主要是在發(fā)動機(jī)啟動后為整車用電器提供電源及為蓄電池進(jìn)行充電，因此發(fā)電機(jī)發(fā)電量必須滿足整車用電器用電需求和蓄電池充電需求。由于發(fā)電機(jī)由發(fā)動機(jī)帶輪帶動發(fā)電，因此如果發(fā)電量超過整車用電需求太多，不僅造成發(fā)電機(jī)成本偏高，也會使得燃油白白浪費(fèi)，影響整車油耗及動力性能。如果發(fā)電機(jī)發(fā)電能力低于整車用電需求，無剩余的電量為蓄電池充電，這將使蓄電池的壽命大大縮短。因此，對整車供電平衡進(jìn)行校核是十分必要的。

整車用電器在不同時(shí)間段、不同工況下的使用頻率有所不同。按經(jīng)驗(yàn)將用電器的這種不同的使用頻率設(shè)置成頻度系數(shù)k，并列出最高耗電工況下用電器的用電需求和頻度系數(shù)，見表2。

因此，夏季怠速、夏季行駛工況整車用電需求分別如下：

I總1 =（IA×KA1+IB×KB1+…）×1.2（1）

I總2 =（IA×KA2+IB×KB2+…）×1.2（2）

其中，1.2為供電安全系數(shù)。

發(fā)電機(jī)夏季怠速與夏季行駛工況發(fā)電量通過發(fā)電機(jī)輸出曲線得到（如圖2所示）。

夏季怠速工況，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為N1，一般為1 800～2 000 r/min。夏季行駛工況，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為N2，轉(zhuǎn)速一般為5 000～6 000 r/min。在N1、N2轉(zhuǎn)速下讀取發(fā)電機(jī)發(fā)電量為I1、I2，并對比I1與I總1、I2與I總2，發(fā)電機(jī)發(fā)電量比整車用電需求大5 A左右為合理。通過該方法校核整車供電平衡，選用合適的發(fā)電機(jī)，既不會造成燃油和動力性能的浪費(fèi)，也不會對蓄電池壽命和整車用電器性能造成影響。

4 結(jié)語

本文從起動機(jī)性能校核、蓄電池選型校核及發(fā)電機(jī)供電平衡校核3個(gè)方面對整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法做了探索說明。此外，在整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電壓降、電壓波動等項(xiàng)目也是測試校核的內(nèi)容。理論校核是設(shè)計(jì)的前期環(huán)節(jié)，整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，還需要通過實(shí)驗(yàn)、測試環(huán)節(jié)進(jìn)行最終驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鄧恒.整車開發(fā)過程中供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].內(nèi)燃機(jī)，2006（12）：29-32，36.

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