蔣新奉

【摘? 要】系統(tǒng)介紹某大型客車發(fā)電機(jī)匹配設(shè)計(jì)的方法，根據(jù)配置參數(shù)分析不同狀態(tài)下車輛的總耗電量，對照發(fā)電機(jī)的輸出特性曲線進(jìn)行選型和優(yōu)化，并確定最優(yōu)配置方案。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電機(jī)；總耗電量；分析；優(yōu)化

中圖分類號：U463.6? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）04-0038-03

【Abstract】This paper systematically introduces the method of generator matching design for a large bus. Analyze the total power consumption of vehicles in different states according to configuration parameters，Select and optimize according to the output characteristic curve of the generator. At last，determining the best configuration.

【Key words】generator；total power consumption；analyses；optimize

發(fā)電機(jī)作為車輛的主要供電設(shè)備，是汽車供電系統(tǒng)的重要組成部分，在發(fā)動機(jī)工作時(shí)，由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)向用電設(shè)備供能并向蓄電池充電。發(fā)電機(jī)匹配的合理性直接影響整車的使用性能。

1? 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)項(xiàng)目要求，整車采用電壓24V直流電系統(tǒng)，根據(jù)動力配置參數(shù)確定發(fā)電機(jī)配置的最優(yōu)方案。要求滿足國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，符合廠內(nèi)實(shí)際生產(chǎn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確保各用電設(shè)備電量供給充足，無過度成本浪費(fèi)、蓄電池饋電等缺陷，滿足全國大部分省市區(qū)域運(yùn)行。

2? 發(fā)電機(jī)匹配計(jì)算分析

發(fā)電機(jī)的主要作用是為車輛的用電設(shè)備提供電能供給，并有一定冗余量為蓄電池充電。在發(fā)電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)過程中，整車的電量消耗是發(fā)電機(jī)選型的一個(gè)重要參考依據(jù)，為確保車輛所配置的用電設(shè)備供電充足，要求所配置的發(fā)電機(jī)在不同工況下輸出量必須大于當(dāng)時(shí)的消耗量。

2.1? 整車配置用電設(shè)備消耗電量的分析

按照項(xiàng)目的配置清單，列表整車配置的用電設(shè)備參數(shù)，如表1所示。考慮到發(fā)電機(jī)輸出特性曲線以電流量來表示，為了方便后續(xù)計(jì)算的統(tǒng)一，各用電設(shè)備額定功率全部換算成電流。運(yùn)用公式：

I = P / U（1）

式中：I——用電設(shè)備的工作電流，A；P——用電設(shè)備的額定功率，W；U——工作電壓（U=24V），V；按公式1計(jì)算各用電設(shè)備的工作電流，并將數(shù)值填入表1，如表1所示。

2.2? 行車狀態(tài)用電設(shè)備電流量的計(jì)算分析

在實(shí)際使用中，車輛配置的用電設(shè)備一般不會在同一時(shí)間全部投入工作，車輛用電設(shè)備實(shí)際的工作狀態(tài)取決于季節(jié)、環(huán)境、交通狀況和個(gè)人使用愛好。因環(huán)境、氣候條件的不同，可分為冬季、夏季、白晝、夜晚、晴天、雨天等。車輛運(yùn)行路況的不同又可分為城間道路運(yùn)輸、市區(qū)道路運(yùn)輸?shù)取榱烁淤N合車輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)用電設(shè)備的實(shí)際工作狀態(tài)，我們引入一個(gè)使用權(quán)重系數(shù)值的概念來計(jì)算用電設(shè)備的消耗等效電流。如夜間行車時(shí)，側(cè)標(biāo)志燈全程滿負(fù)荷工作，權(quán)重系數(shù)值取100%；大雨天氣，雨刮器的權(quán)重系數(shù)值取100%；小雨天氣，雨刮開間歇擋，權(quán)重系數(shù)值取50%，開低速擋為80%；城間道路運(yùn)輸工況，緩速器約30%的時(shí)間工作，工作擋位平均為3擋，功率約為滿負(fù)載的80%，那么緩速器的權(quán)重系數(shù)值為30%×80%=24%，其他電器權(quán)重系數(shù)以此類推。在核算過程中，通常選取比較惡劣的外部因素組合作為核算點(diǎn)。從表1可以發(fā)現(xiàn)，制冷系統(tǒng)滿負(fù)荷工作的總電流為93.2A，大于暖氣系統(tǒng)的總電流21.1A，所以選取夏季而不是冬季。再結(jié)合該目標(biāo)設(shè)計(jì)車型主要服務(wù)于城間道路運(yùn)輸，夜間用電設(shè)備工作頻率高于白天，所以我們選取夏季雨夜城間道路運(yùn)輸作為計(jì)算的外部因素權(quán)重系數(shù)。計(jì)算用電設(shè)備實(shí)際消耗等效電流的公式為：

Ii = Ki × Ii（2）

式中：Ii——第i個(gè)用電設(shè)備實(shí)際工作等效電流，A；Ki——第i個(gè)用電設(shè)備的權(quán)重系數(shù)；Ii——第i個(gè)用電設(shè)備的工作電流，A。根據(jù)公式2計(jì)算各用電設(shè)備的加權(quán)等效電流，將計(jì)算結(jié)果填入表1。經(jīng)過計(jì)算和匯總，該車行車時(shí)用電設(shè)備實(shí)際工作的總消耗等效電流I1=377.4A。

2.3? 怠速狀態(tài)用電設(shè)備電流量的計(jì)算分析

在同樣外部環(huán)境因素條件下，怠速與行車狀態(tài)時(shí)用電設(shè)備的工作狀態(tài)相比較，差異主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：制動燈、緩速器、AEBS+ESC系統(tǒng)不工作，權(quán)重值皆為0%，風(fēng)扇散熱中冷系統(tǒng)未滿程工作，權(quán)重值為60%（144×60%=86.4A），ECU+DCU系統(tǒng)權(quán)重值為70%（50×70%=35A），其他用電設(shè)備工作狀態(tài)與行車時(shí)基本相同。按照怠速時(shí)的權(quán)重系數(shù)再次計(jì)算匯總，得出怠速時(shí)車輛用電設(shè)備的總消耗等效電流I2=273.7A。

2.4? 蓄電池充電電量的計(jì)算分析

在計(jì)算用電設(shè)備實(shí)際工作的總消耗等效電流時(shí)已經(jīng)運(yùn)用了加權(quán)數(shù)據(jù)，為確保整車電平衡，計(jì)算發(fā)電機(jī)輸出功率時(shí)除了滿足在正常運(yùn)行狀態(tài)下須保證整車電器用電量外，還應(yīng)滿足向蓄電池補(bǔ)充電量（充電系數(shù)為0.05～1.5）的要求[1]。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選取充電系數(shù)Ki=0.15[2]，計(jì)算蓄電池充電的電流量可運(yùn)用公式：

I3 = I × Ki（3）

式中：I3——蓄電池充電電流量，A；I——車輛用電設(shè)備的總消耗等效電流，A；Ki——充電系數(shù)。計(jì)算得出怠速狀態(tài)時(shí)I3=41.1A，正常行駛狀態(tài)時(shí)I3=56.6A。

2.5? 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速匹配分析

發(fā)動機(jī)起動后，通過皮帶輪帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)的輸出電流大小與轉(zhuǎn)速息息相關(guān)。計(jì)算發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)用公式：

N = N1 × R1 / R2（4）

式中：N——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；N1——發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；R1——發(fā)動機(jī)飛輪半徑，mm；R2——發(fā)電機(jī)飛輪半徑，mm。

根據(jù)動力系統(tǒng)提供參數(shù)，R1=115mm，R2=41mm，發(fā)動機(jī)怠速狀態(tài)轉(zhuǎn)速N1=700r/min，空轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速N1=2200r/min。計(jì)算得出怠速時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速N為1960r/min，空轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速N為6160r/min。

在汽車行駛中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與車速、汽車擋位有關(guān)，隨著車速和擋位的變化，其轉(zhuǎn)速也相應(yīng)改變。計(jì)算發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)用公式：

式中：N——發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；V——車速，km/h；i——發(fā)電機(jī)速比；i1——驅(qū)動橋速比；i2——變速器速比；R——驅(qū)動輪滾動半徑，m。根據(jù)動力參數(shù)，發(fā)電機(jī)速比i=2.8，驅(qū)動橋速比i1=3.545，變速器速比I～VI擋i2值分別為6.25，3.71，2.22，1.36，1.0，0.74，驅(qū)動輪滾動半徑R=0.508m，按照公式5計(jì)算出該車行駛時(shí)車速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的對應(yīng)情況，如表2所示。

2.6? 發(fā)電機(jī)的選型和匹配分析

車輛總的電流量應(yīng)該等于當(dāng)時(shí)狀態(tài)下用電設(shè)備實(shí)際工作的總消耗電流量與蓄電池充電電流量之和，怠速狀態(tài)整車總消耗電流量為I2+I3=314.8A。行車狀態(tài)整車總的消耗電流量為I1+I3=434A。根據(jù)行車狀態(tài)時(shí)整車總的耗電電流量，初步可確定選擇的發(fā)電機(jī)輸出總電流必須大于434A。有3種可選方案：單臺28V/440A發(fā)電機(jī)（方案1），一臺無蓄電池28V/95A空調(diào)發(fā)電機(jī)和一臺28V/350A的組合模式（方案2），2臺28V/220A并聯(lián)安裝模式（方案3）。

根據(jù)動力工程師的配重計(jì)算和運(yùn)動仿真分析，方案3因?yàn)閱闻_發(fā)電機(jī)質(zhì)量輕、體形最小，整體配重分布勻稱，運(yùn)動仿真時(shí)振動源位置對稱，振點(diǎn)分布均勻，為最優(yōu)方案。雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)安裝模式相比較單發(fā)電機(jī)模式，使用條件相對苛刻，主要體現(xiàn)在雙發(fā)電機(jī)的同步控制、輸出電壓波動差異控制等方面，近2年雙發(fā)電機(jī)并聯(lián)安裝模式，在配置國V發(fā)動機(jī)的大型旅游客車上已經(jīng)廣泛使用，技術(shù)已相對成熟，其技術(shù)要點(diǎn)本文不在此敘述。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算結(jié)果顯示，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速工作范圍在1960～6160r/min之間，選取的28V/220A發(fā)電機(jī)使用轉(zhuǎn)速范圍1500～8000r/min，符合設(shè)計(jì)需求。對照發(fā)電機(jī)輸出特性曲線圖（圖1），怠速時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1960r/min，單臺發(fā)電機(jī)輸出電流156A，合計(jì)312A，小于怠速總耗電電流314.8A，不符合設(shè)計(jì)需求；在車速40km/h時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速N=2821r/min為最低，以車速40km/h時(shí)刻作為行車狀態(tài)的核算點(diǎn)，該狀態(tài)下單臺發(fā)電機(jī)輸出電流為204A，合計(jì)408A，小于行車總耗電電流434A，不符合設(shè)計(jì)需求。

調(diào)整發(fā)電機(jī)為28V/240A，使用轉(zhuǎn)速范圍1500～8000r/min，對照發(fā)電機(jī)輸出特性曲線圖（圖2），怠速時(shí)單臺發(fā)電機(jī)輸出電流為176A，合計(jì)352A，大于怠速總耗電電流314.8A，符合設(shè)計(jì)需求；在車速40km/h時(shí)，單臺發(fā)電機(jī)輸出電流為220.5A，合計(jì)441A，大于行車總耗電電流434A，符合設(shè)計(jì)需求。

經(jīng)計(jì)算分析，并聯(lián)模式安裝2臺28V/240A的發(fā)電機(jī)，符合設(shè)計(jì)需求，可以為該項(xiàng)目設(shè)計(jì)車型配置安裝使用。

3? 發(fā)電機(jī)匹配的優(yōu)化分析

在2.4蓄電池充電電流量的計(jì)算中，充電系數(shù)Ki是車輛用電設(shè)備總消耗電流量的比例系數(shù)，在國V發(fā)動機(jī)以前的傳統(tǒng)車型中，除去制冷系統(tǒng)的消耗，其他用電設(shè)備總消耗電流量維持在180A左右，以0.15的充電系數(shù)來核算沒有任何問題。但隨著電控散熱風(fēng)扇式中冷系統(tǒng)在國VI發(fā)動機(jī)中的標(biāo)配使用，整車總消耗電流量成倍增長，沿用傳統(tǒng)的比例系數(shù)Ki=0.15，勢必會增大蓄電池充電電流量的計(jì)算值。如上文，車輛行車狀態(tài)用電設(shè)備總的耗電電流量I1=377.4A，經(jīng)過核算最終配置結(jié)果是安裝2臺28V/240A發(fā)電機(jī)，其最大輸出電流量合計(jì)高達(dá)480A，有將近100A的冗余電流量被配置為充電流量，有成本浪費(fèi)的可能，優(yōu)化空間大。

蓄電池充電電流量的計(jì)算，其主要目的是為了滿足蓄電池充電需求。上文是以用電設(shè)備總消耗電流比例系數(shù)的方式來計(jì)算蓄電池充電電流量，優(yōu)化時(shí)不妨從蓄電池本身充電參數(shù)方面入手。依據(jù)GB/T5008.1—2013《起動用鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》中關(guān)于閥控式蓄電池恒流充電的描述（5.2.2.1.2）：蓄電池在25℃±10℃條件下，以2In（A）恒定電流進(jìn)行充電，待所有參試蓄電池端電壓達(dá)到14.80V時(shí)，以In（A）電流恒流充電4h[3]。結(jié)合蓄電池廠家提供的資料，蓄電池充電電流為0.5In即可滿足蓄電池的最低充電要求。考慮到設(shè)計(jì)目標(biāo)車型為城間運(yùn)輸，國內(nèi)城間距離約3～4h行程，按往返8h運(yùn)行時(shí)間估算。在行車狀態(tài)，發(fā)電機(jī)最低轉(zhuǎn)速時(shí)能保證2倍In的電流量為蓄電池充電，足以滿足整車電平衡需求。In為20h率放電電流，數(shù)值為Cn/20，單位為A[3]。計(jì)算蓄電池充電電流可運(yùn)用公式：

I3 = Cn × KC / 20（4）

式中：I3——蓄電池充電電流量，A；Cn——蓄電池20h率額定容量，Ah；KC——蓄電池充電系數(shù)。

蓄電池20h率額定容量Cn=180Ah，充電系數(shù)KC=2，計(jì)算得出充電電流量I3=18A。

按充電電流量I3=18A重新計(jì)算，怠速狀態(tài)時(shí)整車總的消耗電流為I2+I3=273.7+18=291.7A，行車狀態(tài)整車總消耗電流為I1+I3=377.4+18=395.4A。

對照28V/200A發(fā)電機(jī)輸出特性曲線圖（圖3），發(fā)電機(jī)使用轉(zhuǎn)速范圍1500～8000r/min，滿足設(shè)計(jì)需求。怠速時(shí)單臺發(fā)電機(jī)輸出電流為150A，合計(jì)300A，大于怠速總耗電電流291.7A，符合設(shè)計(jì)需求；在車速40km/h時(shí)，單臺發(fā)電機(jī)輸出電流為182A，合計(jì)364A，小于行車總耗電電流395.4A，不符合設(shè)計(jì)需求。

調(diào)整為28V/220A發(fā)電機(jī)，對照圖1，怠速時(shí)單臺發(fā)電機(jī)輸出電流為156A，合計(jì)312A，大于怠速總耗電電流291.7A，符合設(shè)計(jì)需求；在車速40km/h時(shí)，單臺發(fā)電機(jī)輸出電流為204A，合計(jì)408A，大于行車總耗電電流395.4A，符合設(shè)計(jì)需求。配置2臺28V/220A發(fā)電機(jī)，符合該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求。

從技術(shù)方面看，調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速速比也可達(dá)到優(yōu)化目的，但是對于大多數(shù)汽車整車廠來說，發(fā)電機(jī)、發(fā)動機(jī)等配件都是從配件廠家成品購買，一般不建議對傳動速比擅自更改，因?yàn)樯婕暗较嚓P(guān)部件標(biāo)定參數(shù)以及售后保修條款，操作流程復(fù)雜，可行性不高。

綜合考慮，最終確定并聯(lián)安裝2臺28V/220A發(fā)電機(jī)（8014YB-3701100型）為最優(yōu)配置方案。

4? 總結(jié)

該項(xiàng)目開發(fā)的車輛按照上述設(shè)計(jì)方法配置發(fā)電機(jī)，在可靠性試驗(yàn)、起動試驗(yàn)、加載加速耐久試驗(yàn)中，發(fā)電機(jī)工作正常、運(yùn)行穩(wěn)定，車輛配置的用電設(shè)備工作供電充足，蓄電池未出現(xiàn)饋電現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，本文敘述的發(fā)電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)方法有效可行，可應(yīng)用于大型客車發(fā)電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)和優(yōu)化核算。

參考文獻(xiàn)：

[1] 董利偉. 乘用車整車電平衡計(jì)算方法的研究與應(yīng)用[J]. 長沙：汽車電器，2010（2）：9-15.

[2] 鄒晴，陳子明. 汽車交流發(fā)電機(jī)的匹配設(shè)計(jì)[J]. 重慶：客車技術(shù)與研究，2009（1）：45-47.

[3] GB/T 5008.1—2013，起動用鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件和試驗(yàn)方法[S]. 2013.

（編輯? 楊? 景）