智能充電系統(tǒng)對油耗測試結(jié)果的影響研究

王小臣，楊正軍，于津濤

(中國汽車技術(shù)研究中心 北京100176)

智能充電系統(tǒng)對油耗測試結(jié)果的影響研究

王小臣，楊正軍，于津濤

(中國汽車技術(shù)研究中心 北京100176)

介紹了智能充電系統(tǒng)的組成和基本控制策略。選取若干輛配備和未配備該系統(tǒng)的典型車輛，研究了系統(tǒng)對油耗測試結(jié)果的影響并分析其原因，隨后測試同一輛車在不同 SOC的初始條件下的油耗變化，指出帶有智能充電系統(tǒng)的車輛節(jié)油效果更加明顯。

智能充電系統(tǒng) 油耗測試 蓄電池

0 引 言

汽車油耗的高低是其發(fā)動機本體技術(shù)與外在技術(shù)綜合作用的結(jié)果。各大汽車廠商在努力改進發(fā)動機本體技術(shù)的同時，也一直致力于改進與提升典型機外技術(shù)。近年來日益興起的機外技術(shù)，比較典型的包括啟停裝置、低阻力輪胎、智能充電系統(tǒng)、電動助力轉(zhuǎn)向等，[1]這些技術(shù)對傳統(tǒng)車輛油耗的降低有著很大的貢獻。本文旨在通過對比試驗，分析智能充電技術(shù)對油耗的影響。

1 智能充電系統(tǒng)

智能充電系統(tǒng)指在傳統(tǒng)的發(fā)電機和蓄電池基礎(chǔ)上引入了智能充放電控制策略，通過控制交流發(fā)電機輸出電壓和電流，最大限度減少發(fā)電機所使用的發(fā)動機功率。它包括智能充電和能量回收兩個功能。

1.1 智能充電

智能充電在某些車型上也稱作智能發(fā)電機調(diào)節(jié)器(Intelligent Generator Regulator，IGR)，這套系統(tǒng)由發(fā)電機、AGM 蓄電池、傳感器及控制單元構(gòu)成。[2]傳感器用于測量 AGM電池的充、放電電壓和電流，控制單元根據(jù)測量結(jié)果判斷電瓶的充電狀態(tài)(State Of Charge，SOC)和老化狀態(tài)(State Of Health，SOH)，從而控制 IGR的調(diào)節(jié)過程。智能發(fā)電系統(tǒng)工作的核心是改變蓄電池的充電策略。傳統(tǒng)車輛發(fā)電機始終對蓄電池進行 100%,充電，在恒電壓模式下電流大小主要取決于發(fā)電機轉(zhuǎn)速；而配備智能發(fā)電機的車輛，發(fā)電機不會始終對AGM蓄電池進行100%,充電，而是設(shè)定 SOCmin和 SOCmax，在車輛行駛過程中進行調(diào)節(jié)(見圖1)。

圖1 智能充電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of an intelligent charging system

如圖1所示，當電瓶電量低于SOCmin時，IGR以最大電流 100%,輸出，一方面滿足車輛用電器需求，一方面給 AGM電瓶充電；在車輛正常行駛時，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出使電瓶電量維持在SOCmin和SOCmax之間，電池既不充電也不放電，發(fā)電機輸出只為用電器供電；電池電量超過 SOCmax時，用電器絕大部分由蓄電池供電，發(fā)電機輸出最小。

1.2 能量回收

在車輛滑行期間，當發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速都超過設(shè)定值時，利用車輛的動能通過車輛和發(fā)動機作用在發(fā)電機上，從而產(chǎn)生電能。IGR向發(fā)電機提供最大勵磁電流，發(fā)電機輸出最高電壓，充分利用制動時回收的能量給蓄電池充電。

2 試驗說明

2.1 測試設(shè)備(見表1)及試驗方案

本試驗分為兩類：①冷車試驗，按照法規(guī)預(yù)處理后在環(huán)境倉 25,℃恒溫條件下浸置 12～16,h后開始試驗；②熱車試驗，即通過 80,km/h勻速行駛，使水溫、油溫達到平衡狀態(tài)后(1,min內(nèi)變化小于 1,℃)，開始進行試驗。

表1 測試設(shè)備及用途Tab.1 Test equipment and their applications

2.2 不同SOC狀態(tài)電瓶的準備

SOC用于描述電池剩余電量，是電池使用過程中的重要參數(shù)。美國先進電池聯(lián)合會(USABC)在其《電動汽車電池實驗手冊》中定義 SOC為：電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值，即：

SOC＝Qc/Cf

式中，Qc為電池剩余的電量，Cf為電池以恒定電流I放電時所具有的容量。SOC＝100%,表示電池為充滿電狀態(tài)，SOC＝0則表示電池已處于全放電狀態(tài)。

本試驗將事先通過專用充電器對電瓶充電 8,h以上直至充電電流＜0.2,A認為該電瓶已充滿，然后通過專用放電設(shè)備進行等電流放電，監(jiān)控放電電流并對時間積分得到放電電量 Q1(Ah)，除以電瓶上標注的額定電量 Q(Ah)，得到不同狀態(tài) SOC＝1－Q1/Q的電瓶，然后分別測試不同 SOC狀態(tài)電瓶對帶有智能發(fā)電系統(tǒng)車輛油耗的影響程度。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 不同電量狀態(tài)對帶和不帶智能充電系統(tǒng)車輛油耗的影響

選取 3輛帶智能充電系統(tǒng)的車輛(編號分別為1#～3#)，試驗前分別充滿電并靜置放電使電量不足，分別在涼車時對比充電和不充電時的油耗，并選取 2輛普通不帶智能充電系統(tǒng)車輛(編號分別為 4#和5#)進行對比，結(jié)果如表2所示：

表2 配備和不配備智能充電系統(tǒng)車輛在未充電和充電后冷車油耗測試結(jié)果Tab.2 Cold test results under incomplete charging and full charging condition with/without an ICS

從表 2的 1～3行可以看出，3輛帶有智能發(fā)電機能量回收發(fā)電機的車輛在充電和不充電兩種工況下進行試驗，油耗結(jié)果出現(xiàn)較大偏差；如果試驗前不加以限制規(guī)范，帶有這種智能充電的車輛在進行油耗試驗時，由于 SOC狀態(tài)不確定從而導(dǎo)致結(jié)果的一致性很難保證；對于帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，初始蓄電池電量狀態(tài)會直接影響油耗試驗結(jié)果，本文中的樣車油耗偏差最高接近 10%,；從表 2的最后兩行可以看出，對于4#和5#兩輛不帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，初始蓄電池電量狀態(tài)不會直接影響油耗試驗結(jié)果。

3.1.1 帶有IGR車輛的模態(tài)分析

圖2和圖3為1#車輛完全充電和未充電時的工況曲線圖。從圖 2可看出，車輛在完全充電后行駛的前 600,s內(nèi)，發(fā)電機始終沒有電流輸出即沒有功率輸出，車輛始終用的是電瓶電量，電瓶電壓從 12.36,V逐漸降低至 12.31,V，從 600,s開始，電流逐漸加大，隨著不同車速轉(zhuǎn)速電流在 10～40,A之間波動；在1,140,s附近時，當車速從 120,km/h向下滑行，通過激活制動回收電流增至 100,A，發(fā)電機以最大功率輸出，充分利用回收的動能對電瓶充電，充電電壓也達到 13.05,V 左右，在此試驗過程中，燃油消耗量為7.5,L/100,km。

圖2 1#車輛完全充電時電壓電流曲線Fig.2 Voltage and current curve of 1# vehicle under full charging condition

圖3 1#車輛未充電時電壓電流曲線Fig.3 Voltage and current curve of 1# vehicle under incomplete charging condition

圖 3表示 1#車輛試驗前未充電，從啟動開始至400,s左右時，充電電流始終在 80,A左右，充電電壓也在 14,V，發(fā)電機始終在較高功率輸出，后期電瓶電量增加并超過 SOCmin限值，充電電流減小至 20～60,A，電瓶充電電壓也為12.6,V左右，此工況試驗油耗測試值為8.1,L/100,km。

3.1.2 不帶IGR車輛的模態(tài)分析(見圖4、5)

從圖4和圖5可以看出，對于不帶IGR功能的5#車輛來說，無論車輛試驗前是否充電，其發(fā)電機輸出電壓始終為 14.4,V左右、100%,的充電模式，雖然上圖充電電流在前 800,s由于負載小而比下圖略少，但對最終油耗結(jié)果基本沒有影響。

圖4 5#車輛完全充電時電壓電流曲線Fig.4 Voltage and current curve of 5# vehicle under full charging condition

圖5 5#車輛未充電時電壓電流曲線Fig.5 Voltage and current curve of 5# vehicle under incomplete charging condition

3.2 不同 SOC狀態(tài)對帶有智能充電系統(tǒng)車輛油耗的影響

在試驗開始時，只是將電瓶靜置放電至 SOC為70%,～80%,左右，并沒有精確測量，為了進一步準確對比同一輛車在不同 SOC狀態(tài)下，電瓶電量對油耗的影響，針對 2#車輛使用了 3塊容量為 70,Ah的電瓶進行熱車狀態(tài)下的工況油耗試驗。3塊電瓶首先均充滿，然后將2#和3#兩塊電瓶分別以5,A的恒流放電方式分別進行放電，一塊放電 3,h，另一塊放電5.5,h，放電同時接上功率計對電流進行采集并積分顯示總放電量，因此3塊電瓶容量見表3。

表3 將3塊電瓶分別放電至不同SOCTab.3 Discharging 3 batteries to different SOC states

不同于冷車狀態(tài)下的測試，本部分試驗用3塊電瓶分別在熱車狀態(tài)下進行油耗試驗，結(jié)果如圖 6，分別為7.0,L/100,km、6.2,L/100,km和5.9,L/100,km。

圖6 2#車輛在不同SOC狀態(tài)下工況油耗Fig.6 Fuel consumption test result of 2# vehicle under different SOC states

目前，我國現(xiàn)行標準對試驗前車輛是否允許充電并未加以限制，而從上述數(shù)據(jù)中可見，對于帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，不同 SOC狀態(tài)下油耗會有很大差別，2#車輛在 60%,SOC和 100%,SOC的不同電瓶狀態(tài)下油耗相差可達15.7%,，因此在認證試驗前應(yīng)規(guī)范SOC狀態(tài)。

3.3 理論驗證

為驗證在循環(huán)工況測試中發(fā)電機消耗功率占發(fā)動機輸出的百分比，特針對 1#車輛記錄以下數(shù)據(jù)并根據(jù)下列公式進行計算：，發(fā)電機輸出端電壓和電流的乘積即為發(fā)電機的輸出功率，此輸出功率在整個循環(huán)工況中進行累加即得到發(fā)電機的輸出電能，kJ；

1#車輛在充電和不充電時，在整個 NEDC在1,180,s的過程中，發(fā)電機輸出電能以及發(fā)動機輸出能量如表4所示：

表4 1#車輛發(fā)電機電能和發(fā)動機能量Tab.4 Generator’s electricity and engine’s power of 1# vehicle

可以看出，發(fā)電機在整個NEDC過程中耗費的能量可占到發(fā)動機總輸出能量的16.4%,，因此使用智能發(fā)電機在 NEDC整個循環(huán)中如果始終不工作或處于低負載狀態(tài)最多可以節(jié)省 10%,左右的燃油，這與試驗結(jié)果也是相符的。

4 結(jié) 論

①對于帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，在試驗前將電瓶充滿電則節(jié)油效果明顯；而對于不帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，初始蓄電池電量狀態(tài)不會直接影響油耗試驗結(jié)果。②帶有智能充電系統(tǒng)的車輛充電和不充電兩種工況下試驗，油耗結(jié)果出現(xiàn)較大偏差；如果試驗前不加以限制規(guī)范，由于 SOC狀態(tài)不確定從而導(dǎo)致結(jié)果的一致性很難保證。③同一輛車試驗前初始SOC狀態(tài)不同，油耗差值可高達 15%,以上。④為保證合理反映帶有智能充電系統(tǒng)車輛的真實油耗水平，不建議在試驗前對蓄電池進行充電，同時也應(yīng)該避免車輛在極度饋電的狀況下進行試驗。建議在預(yù)處理之后檢查確認好蓄電池的電量狀態(tài)，預(yù)處理之后不再對車輛蓄電池進行外接充電。

［1］ 李偉，于津濤，楊正軍. 典型機外技術(shù)對工況法油耗測試結(jié)果影響的研究[J]. 天津科技，2014(4)：34-37.

［2］ 程麗群. 寶馬E70車智能化發(fā)電機調(diào)節(jié)裝置[J]. 汽車維護與修理，2009(8)：64-65.

［3］ 國家環(huán)境保總局. GB,18352. 3—2005：輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)[S]. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

［4］ 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局. GB/T 19233—2008 輕型汽車燃料消耗量試驗方法[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

The Impact of Intelligent Charging System on Fuel Consumption

WANG Xiaochen，YANG Zhengjun，YU Jintao
(China Automotive Technology and Research Center，Beijing 100176，China)

This paper describes the structure and control strategy of an Intelligent Charging System(ICS)．Several typical vehicles with and without ICS were selected and studied regarding its influence on their fuel consumption. Then，fuel consumptions of the same vehicle with ICS under different battery initial SOC statuses were probed．It was concluded that vehicles with ICS have better efficiency of fuel saving.

intelligent charging system；fuel consumption；storage battery

TK417

A

1006-8945(2016)01-0056-04

2015-12-20