張波

摘 要：隨著汽車向“新五化”發(fā)展，動力、底盤、車身、座艙、駕駛輔助等各域電氣化程度越來越高，汽車電子元件數(shù)量大幅度增加，加上用車場景的復(fù)雜化，使得整車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜，故正向的整車物理架構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵的電平衡設(shè)計(jì)變得異常重要。文章簡要闡述了整車物理架構(gòu)開發(fā)流程，對每一步驟的工作內(nèi)容和輸出物進(jìn)行簡要說明；以某款重型商用車為例著重介紹了整車電平衡設(shè)計(jì)的方法。對整車而言，發(fā)電機(jī)、蓄電池以及整車用電器供電及用電是一個(gè)相互平衡的過程，電平衡計(jì)算即是確保這一過程：以滿足啟動、儲運(yùn)、供電、充電、駐車運(yùn)行等多項(xiàng)性能和場景化功能為前提，圍繞蓄電池和發(fā)電機(jī)選型開展設(shè)計(jì)。合理設(shè)計(jì)整車電平衡性能，不但可保證車輛電源系統(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，降低整車油耗。[1]

關(guān)鍵詞：物理架構(gòu) 整車電平衡 駐車空調(diào) 蓄電池 發(fā)電機(jī)

1 引言

整車物理架構(gòu)是自上而下對整車電氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包含配電設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)、整車電氣原理設(shè)計(jì)、電平衡設(shè)計(jì)、線束拓?fù)湓O(shè)計(jì)等內(nèi)容，使整車在各種不同的設(shè)計(jì)工況下具有可靠的電氣性能。整車電平衡是研究整車電源系統(tǒng)電能供給和消耗之間的電平衡關(guān)系，即發(fā)電機(jī)、蓄電池、和其他各種用電設(shè)備之間的電能產(chǎn)生與消耗的動態(tài)平衡[2]。汽車電氣系統(tǒng)的電量平衡，決定著汽車在各種工況下能夠正常啟動和行駛，是汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)方法。對起動機(jī)最大輸出功率與蓄電池容量優(yōu)化匹配，既能保證車輛在不同地區(qū)環(huán)境溫度條件下可以正常啟動，同時(shí)又能降低蓄電池成本；對發(fā)電機(jī)有效輸出功率與正常電器耗電量優(yōu)化匹配，既能保證蓄電池正常充放電工作，延長發(fā)電機(jī)與蓄電池壽命，同時(shí)又能降低發(fā)電機(jī)成本[3]。

2 整車物理架構(gòu)開發(fā)流程

整車物理架構(gòu)開發(fā)流程如圖1所示：

Step1： 接收全新平臺或全新系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)任務(wù)，開展物理架構(gòu)開發(fā)工作;

Step2： 組織收集匯總所有控制器、負(fù)載、傳感器的供電模式，形成電源模式統(tǒng)計(jì)表；

Step3： 進(jìn)行電源分配設(shè)計(jì)，確定保險(xiǎn)數(shù)量、分配關(guān)系，形成電源分配圖；

Step4： 收集各零部件功率參數(shù)，匯總成電平衡數(shù)據(jù)。設(shè)備按工作時(shí)長特性分為連續(xù)工作設(shè)備、長時(shí)間工作設(shè)備、短時(shí)或隨機(jī)工作設(shè)備三大類，使用頻度系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定；

Step5：根據(jù)用電器參數(shù)和電源分配圖開展整車電平衡計(jì)算；

Step6：對蓄電池、發(fā)電機(jī)選型評估；

Step7：進(jìn)行接地方案設(shè)計(jì)，確定搭鐵點(diǎn)數(shù)量、各負(fù)載接地連接關(guān)系：接地點(diǎn)需求統(tǒng)計(jì)、接地點(diǎn)位置和數(shù)量規(guī)劃、負(fù)載接地點(diǎn)分配，繪制成接地分配圖；

Step8：根據(jù)車輛布置信息、零部件布置方案開展線束拓?fù)湓O(shè)計(jì)；

Step9：根據(jù)電源分配圖、接地點(diǎn)、整車planview、零件ICD，制作整車原理圖，確定各電器部件的硬線連接關(guān)系；

Step10：依據(jù)線束planview圖、整車電器原理圖開展線束設(shè)計(jì)，包含接插件、導(dǎo)線、護(hù)套等選型工作；

Step11：流程結(jié)束。

3 整車電平衡設(shè)計(jì)方法

整車電平衡研究的目的是使得車輛在所有工況下，蓄電池、發(fā)電機(jī)與整車用電器三者間的電能產(chǎn)生與消耗達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，需要考慮的因素主要有：滿足起動機(jī)工作要求；滿足各工況下整車用電供電需求；滿足車輛儲運(yùn)時(shí)長需求；滿足駐車情況下大功率用電器續(xù)航需求；滿足發(fā)電機(jī)故障時(shí)車輛能正常、安全行駛的續(xù)航時(shí)間需求；滿足蓄電池補(bǔ)電時(shí)長需求。整車電平衡的設(shè)計(jì)工作主要是基于整車用電信息開展蓄電池和發(fā)電機(jī)的選型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖2示。

3.1 整車用電信息統(tǒng)計(jì)

3.1.1 用電設(shè)備分類

根據(jù)汽車行駛中用電設(shè)備的工作時(shí)間長短，將用電設(shè)備分為3類：連續(xù)工作制設(shè)備（Ⅰ類）、長時(shí)間工作制設(shè)備（Ⅱ類）、短時(shí)或隨機(jī)工作制設(shè)備（Ⅲ類）。

（1）連續(xù)工作制設(shè)備（Ⅰ類）

連續(xù)工作制設(shè)備是指汽車在行駛過程中持續(xù)工作的設(shè)備，包括發(fā)動機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、儀表、網(wǎng)關(guān)、行駛記錄儀、各個(gè)控制器的工作電源等。

（2）長時(shí)間工作制設(shè)備（Ⅱ類）

長時(shí)間工作制設(shè)備指汽車行駛中長時(shí)間工作的用電設(shè)備，包括遠(yuǎn)光燈、近光燈、鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、車載冰箱、飲水機(jī)等。

（3）短時(shí)或隨機(jī)工作制設(shè)備（Ⅲ類）

短時(shí)或隨機(jī)工作制設(shè)備是指汽車行駛過程中隨機(jī)使用或工作時(shí)長不確定的用電設(shè)備，包括室內(nèi)燈、電動門窗、洗滌電機(jī)、喇叭、點(diǎn)煙器、ABS系統(tǒng)及其他用電設(shè)備。

3.1.2 用電設(shè)備使用頻度系數(shù)

汽車上配備的用電設(shè)備一般不會在同一時(shí)間全部都投入工作，而是根據(jù)不同工況下整車或駕駛員的需求開啟或關(guān)閉，許多的用電設(shè)備的工作及時(shí)長，主要取決于季節(jié)和環(huán)境的變化。通常以用電設(shè)備使用頻度系數(shù)來計(jì)算整車的用電量（正常行駛工況和怠速工況的頻度系數(shù)可能不同）。使用頻度系數(shù)的選取原則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)如下：

（1）在不同工況下或特定的工況下需連續(xù)工作的設(shè)備，頻度系數(shù)為1（如：EMS、TCU、IC、BCM、TPMS控制器電源，小燈、近光燈、雨刮等）；

（2）在不同工況下需長時(shí)間工作，工作頻次相對較高的設(shè)備，頻度系數(shù)在[0.5-1）之間選取（如：MMI、鼓風(fēng)機(jī)等）；

（3）在不同工況下需長時(shí)間工作，但工作頻次相對較低的設(shè)備，頻度系數(shù)在[0.2-0.5）之間選?。ㄈ纾哼h(yuǎn)光燈、輔助遠(yuǎn)光燈等）；

（4）在不同工況下需長時(shí)間工作，但工作頻次很低的設(shè)備，頻度系數(shù)在[0.1-0.2）之間選取（如：冰箱、飲水機(jī)等）；

（5）在不同工況下需短時(shí)或隨機(jī)工作，但工作頻次相對較高的設(shè)備，頻度系數(shù)在[0.1-0.5]之間選?。ㄈ纾红F燈、24V取電口、座椅通風(fēng)等）；

（6）在不同工況下需短時(shí)或隨機(jī)工作，但工作頻次相對較低的設(shè)備，頻度系數(shù)在[0.01-0.1）之間選?。ㄈ纾豪取⑻齑暗龋?；

（7）在不同工況下不可能工作的設(shè)備，頻度系數(shù)為0（如：日間近光燈、雨夜天窗、夏季座椅加熱等）。

3.1.3 用電信息統(tǒng)計(jì)

收集整車所有用電設(shè)備的用電信息，按圖3示的模板進(jìn)行匯編。可通過以下公式估算出不同工況下的整車用電量：

I等效=∑ni=1*Ii*μi? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

或I等效=∑ni=1*Ii*μi*αi? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：I等效—整車等效電流，單位A；

Ii—負(fù)載額定電流，單位A；

μi—負(fù)載使用頻度系數(shù)；

αi—最小行駛系數(shù)。當(dāng)用電設(shè)備是安全行駛必須項(xiàng)時(shí)，該系數(shù)為1，否則為0。

當(dāng)發(fā)電機(jī)故障無法供電時(shí)采用公式（2）計(jì)算，其它工況采用公式（1）。

某重型商用車的用電信息計(jì)算結(jié)果如下：

（1）正常行駛工況（表1）

（2）最小行駛工況（表2）

（3）怠速工況（表3）

3.2 蓄電池選型設(shè)計(jì)

蓄電池通過20h率容量、儲備容量、冷啟動電流等特性參數(shù)選型確定，表4是某重型商用車常用蓄電池的規(guī)格參數(shù)表。

3.2.1 20小時(shí)率容量計(jì)算

1、起動機(jī)功率要求計(jì)算

根據(jù)起動機(jī)功率初步計(jì)算蓄電池的容量范圍，行業(yè)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

Cn=K*P/U? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

式中：

Cn—蓄電池20小時(shí)率容量，單位Ah；

P—起動機(jī)額定功率，單位kW；

U—起動機(jī)額定工作電壓，單位V；

K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)車輛狀態(tài)靈活選取，重型商用車一般取K=450～600。

某重型商用車起動機(jī)額定功率為8.5kW，額定工作電壓為24V，則蓄電池容量范圍為Cn=K*P/U=（450～600）*8.5/24=159.375～212.5Ah。根據(jù)表4，可初步確定蓄電池選型范圍為165Ah和180Ah的兩種容量規(guī)格的型號。

2、駐車大功率用電設(shè)備續(xù)航計(jì)算

在駐車（熄火）場景下，若有大功率用電設(shè)備使用需求，蓄電池應(yīng)能保證用電續(xù)航需求。在重型商用車中，駐車空調(diào)是典型的駐車用電設(shè)備，本文以之作為案例展開介紹，其它用電設(shè)備計(jì)算方法類似。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，蓄電池容量和駐車空調(diào)續(xù)航時(shí)間的關(guān)系公式為

Cn=T駐 I駐/（SOCpark-SOCstart）? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：

Cn—蓄電池20小時(shí)率容量，單位Ah；

SOCpark—初始蓄電池的實(shí)際容量百分比，按90%；

SOCstart—退出工作時(shí)蓄電池最低容量百分比（確保車輛能正常起動）；

I駐—駐車空調(diào)等效工作電流，單位A；

T駐—駐車空調(diào)工作續(xù)航時(shí)間，單位h；

某重型商用車可選裝雙模變頻駐車空調(diào)，它的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求如下：

（1）功率：變頻，800W-1400W。在一定環(huán)境工況下，夜晚等效功率800W，等效工作電流33.3A；白天等效功率1400W，等效工作電流58.3A；

（2）續(xù)航目標(biāo)：夜晚續(xù)航不少于6小時(shí)，白天續(xù)航不少于4小時(shí)；

（3）斷電保護(hù)：為避免蓄電池過度放電導(dǎo)致車輛無法正常啟動，蓄電池實(shí)際容量過低（或電壓過低）時(shí)駐車空調(diào)自動退出工作，蓄電池最低容量設(shè)定為20%。

根據(jù)計(jì)算公式，蓄電池最小容量應(yīng)不小于：夜晚Cn=6*33.3/（90%-20%）=285.4Ah，白天Cn=4*58.3/（90%-20%）=333.1Ah，即不小于333.1Ah。查表4可得，6-QW-330MF/D的容量為330Ah，基本滿足需求。

3、儲運(yùn)時(shí)長計(jì)算

車輛在長途運(yùn)輸或長時(shí)間停放后，應(yīng)能起動發(fā)動機(jī)，所以在蓄電池選型時(shí)，需考慮車輛長時(shí)間停放時(shí)，整車靜態(tài)電流電量消耗對蓄電池容量的影響。一般要求蓄電池能夠滿足車輛連續(xù)停放6-8周（一般國內(nèi)規(guī)定車輛停放時(shí)間為6周，歐洲為8周，也可根據(jù)項(xiàng)目需求自行定義，如國內(nèi)運(yùn)輸情況、庫存時(shí)間要求等）[4]。蓄電池容量和儲運(yùn)時(shí)長的關(guān)系公式：

Cn=I靜*（T儲運(yùn)*24）/（SOCpark-SOCstart-2‰*T儲運(yùn)）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：

Cn—蓄電池20小時(shí)率容量，單位Ah；

I靜—整車靜態(tài)電流值，單位A；

T儲運(yùn)—儲運(yùn)時(shí)間，單位天；

SOCpark—初始蓄電池的實(shí)際容量百分比，按90%；

SOCstart—確保車輛正常起動的蓄電池最低實(shí)際電量百分比，按20%；

2‰—電池每天自損耗電量；

某重型商用車靜態(tài)電流可控制在30mA（即0.03A）以內(nèi)，儲運(yùn)時(shí)長要求不小于60天，則最小蓄電池容量Cn=0.03*（60*24）/（90%-20%-2‰*60）=74.5Ah。查表4，90Ah及以上規(guī)格的蓄電池均滿足要求。

3.2.2 冷啟動電流計(jì)算

蓄電池冷起動電流CCA是衡量蓄電池的放電能力，即在規(guī)定的某一低溫狀態(tài)下（本文中MF型-18℃，D型-41℃）蓄電池在電壓降至極限饋電電壓前，連續(xù)30秒釋放出的電流量，它是決定車輛能否正常地可靠地啟動的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。

某重型商用車匹配采用的起動機(jī)型號是WP-QDJ，查看它的匹配技術(shù)要求可知推薦最小CCA值為850A，結(jié)合表4可得165Ah及以上規(guī)格的蓄電池均滿足要求。

3.2.3 儲備容量計(jì)算

蓄電池額定儲備容量的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

Cr，n≥（I1/I2）*180 ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中：

Cr，n—蓄電池額定儲備容量，單位min；

I1—保證整車安全行駛的基本用電器（通常包括發(fā)動機(jī)ECU、燈光類、雨刮、喇叭等）總電流，單位A；

I2—蓄電池儲備容量對應(yīng)的放電電流為25A，單位A；

180—發(fā)電機(jī)故障時(shí)，要求蓄電池給整車基本用電器供電的持續(xù)時(shí)間，保證車輛正常、安全地行駛至服務(wù)站，單位min（經(jīng)驗(yàn)值）；

某重型商用車最小行駛工況用電量如表2所示，最大值為冬季雪夜的37.01A（即I1=37.01A），故Cr，n≥（I1/I2）*180=（37.01/25）*180=266.47min，查表4得150Ah及以上規(guī)格的蓄電池滿足要求。

3.2.4 蓄電池選型小結(jié)

綜上，南方市場可選6-QW-165MF，北方市場可選6-QW-165D，配置駐車空調(diào)時(shí)可選6-QW-330MF/D。

3.3 發(fā)電機(jī)選型設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)選型通過計(jì)算額定輸出電流來確定，額定輸出電流通過整車用電等效負(fù)荷和充電時(shí)長需求來計(jì)算確定，表5是某重型商用車可選用的發(fā)電機(jī)規(guī)格參數(shù)表，其中怠速電流參數(shù)是根據(jù)某發(fā)動機(jī)匹配計(jì)算結(jié)果在發(fā)電機(jī)特性曲線讀取而來。

3.3.1 整車用電等效負(fù)荷計(jì)算

1、額定工況

發(fā)電機(jī)額定電流應(yīng)大于額定工況下的整車用電等效負(fù)荷電流值。根據(jù)表2可知，某重型商用車的最大用電等效負(fù)荷是在夏季雨夜工況下的58.26A，則28V 70A及以上規(guī)格的發(fā)電機(jī)滿足要求。

2、怠速工況

在怠速工況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速無法達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速下的熱態(tài)發(fā)電電流應(yīng)不小于整車用電等效負(fù)荷電流值。根據(jù)表3可知，某重型商用車怠速時(shí)的最大用電等效負(fù)荷是在夏季雨夜工況下的49.09A，結(jié)合表5可知，28V 70A及以上規(guī)格的發(fā)電機(jī)滿足要求。

3.3.2 充電時(shí)長計(jì)算

1、常規(guī)充電需求計(jì)算

當(dāng)正常為蓄電池充電時(shí)，一般要求發(fā)電機(jī)提供給蓄電池每小時(shí)充電量約為其容量的10%，這樣蓄電池可在幾小時(shí)內(nèi)充滿。所以發(fā)電機(jī)輸出電流Ig應(yīng)滿足：

Ig≥I等效+I10 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：Ig—發(fā)電機(jī)額定電流，單位A；

I等效—整車等效電流，單位A；

I10—每小時(shí)提供蓄電池20h率額定容量Cn的10%的充電電流，單位A。

根據(jù)表1可知某重型商用車的最大等效電流是58.26A，結(jié)合前述蓄電池選型結(jié)果是165Ah規(guī)格，則發(fā)電機(jī)額定電流應(yīng)不小于58.26+165*10%=74.76A，讀表5可知28V 80A及以上規(guī)格的發(fā)電機(jī)滿足要求。

2、特殊充電需求計(jì)算

在某些應(yīng)用場景下蓄電池需大量放電致其剩余電量比較低，對充電時(shí)長有特殊要求。在重型商用車中，本文繼續(xù)以駐車空調(diào)應(yīng)用場景作為案例展開介紹，發(fā)電機(jī)發(fā)電電流計(jì)算公式為：

Ig≥Cn*（SOCpark-SOCstart）/T充+I等效（8）

式中：Ig—發(fā)電機(jī)額定電流，單位A；

Cn—蓄電池20小時(shí)率容量，單位Ah；

SOCpark—初始蓄電池的實(shí)際容量百分比，按90%；

SOCstart—確保車輛正常起動的蓄電池最低實(shí)際電量百分比，按20%；

T充-充電時(shí)長需求，單位h；

I等效—整車等效電流，單位A；

某重型商用車，從上文可知選裝駐車空調(diào)時(shí)配置330Ah蓄電池，車輛蓄電池SOC從20%，充到90%的所用時(shí)間要求不超過4小時(shí)（客戶單次行車周期），Ig按夏季最大用電選取，則Ig≥Cn*（SOCpark-SOCstart）/T充+I等效=330*（90%-20%）/4+58.26=116.01A，根據(jù)表5可知28V 120A及以上規(guī)格的發(fā)電機(jī)滿足要求。

3.3.3 發(fā)電機(jī)選型小結(jié)

綜上，發(fā)電機(jī)選型規(guī)格為28V 80A；選裝駐車空調(diào)時(shí)，則可選型28V 80A。

4 結(jié)論與展望

為確保整車在各種不同的設(shè)計(jì)工況下具有可靠的電氣性能，遵循正向的物理架構(gòu)開發(fā)流程方法是必要的。本文簡單介紹了物理架構(gòu)開發(fā)流程，并以某一款重型商用車為案例詳細(xì)介紹了電平衡計(jì)算方法。從上述方法可以看出，電平衡設(shè)計(jì)不僅為了保證發(fā)動機(jī)啟動等基本性能，更要結(jié)合用戶使用場景進(jìn)行匹配，在汽車電氣化發(fā)展的浪潮下，場景化開發(fā)愈發(fā)重要。未來隨著鋰電池和智能發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，能量管理策略的進(jìn)一步研究以及合理的設(shè)計(jì)也會對整車節(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，本文的一些設(shè)計(jì)理念亦可提供借鑒和參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]程斌，周勝強(qiáng)，李嘉博.多工況下整車電平衡設(shè)計(jì)與分析[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018，2018（16）：124-127.

[2]付國良.整車電平衡設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方法[J].汽車電器，2015，2015（01）：6-8+14.

[3]屈穎，李遠(yuǎn)，楊明.整車電量平衡計(jì)算[J].汽車電器，2014，2014（04）：10-12.

[4]書華許，豐趙，有為.車輛蓄電池虧電測試分析[J].汽車電器，2022，2022（05）：74-76.