汽車電功率設計計算與分析

劉保國，雒拓，高錦

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

隨著汽車電控技術的不斷發展，電控技術在汽車控制系統中的比重逐年上升。各電控分系統均需汽車電源系統為其提供足功率、高品質的電源。整車電功率設計計算作為汽車電源系統設計的重要組成部分，必須以整車電功率需求為依據，還應有一定的功率儲備。本文通過計算某特種車電源系統的整車耗電功率、儲備功率、蓄電池電能儲備最長供電時間，評價汽車電源系統設計功率與整車電源系統功率設計需求的符合性，為汽車電源系統設計者提供一種汽車電功率設計計算與分析方法。

1 某特種車整車用電功率構成

某特種車電源系統額定電壓為24VDC， 采用單發電機、單組蓄電池、獨立配電、單/雙線制電源系統。整車電子電器系統架構為多路 CAN總線分布式電子電器系統。該車采用電控高壓共軌發動機、液力自動變速器、ABS系統、電加熱風擋玻璃、空調、空氣加熱取暖裝置、蓄電池加熱，可選裝信息管理系統、戰術電臺、北斗定位導航等信息化裝備。發動機配裝進氣加熱和缸套加熱輔助起動系統。為設計及評價該車的電源系統，其整車用電功率應包括整車配裝和選裝的所有用電設備功率。

2 用電設備功率值分析

表1 整車電器設備電功率

車輛電器設備正常工作時，其功率值并不全穩定在某一功率值附近不變。某些設備功率值基本穩定，如燈具功率、發動機進氣加熱功率、擋風玻璃加熱功率等，有些設備功率會隨設備工作狀態的變化而變化較大，如 ABS系統，ABS不起作用時，僅ABS控制器及檢測傳感器耗電，用電量不超過12W，當ABS起作用后，其用電量大增，最高可達150W，時間不超過1s。北斗導航定位設備平時平均功率約為10W。最大功率出現在峰值信號發射時，功率為50W，持續時間約0.3秒。車載式超短波電臺待機和接收時功率約為 14W，最大功率出現在大功率發射時，最高可達180W。若按照20%時間大功率發射狀態的工作頻度分布，平均功率約為47W。對于作用時間很短且工作頻率很低的用電設備工作工況，因所有用電器最大用電功率工況不會同時達到最大，且任何車輛的電源系統功率均有一定的功率儲備，因此在平時工作時很短時間且工作頻率很低的大功率消耗可忽略不計。以同樣的分析方法，可求得其他電器設備用電功率如表1。

3 整車電功率計算

3.1 最大整車用電量計算

表2 整車電器設備用電量

汽車的電器設備一般不會在同一時間全部投入工作，許多用電設備的工作及工作時間的長短取決于季節和環境的變化，在不同的季節和環境，有著不同的使用頻度系數。發動機進氣加熱、蓄電池加熱、電動泵油、發動機缸套加熱系統僅在發動機起動之前工作。發動機起動后，進氣加熱、蓄電池加熱、缸套加熱及起動機不再消耗電能。當點火鎖位于ON檔接通電源時，電動油泵開始工作； 預熱解蠟加熱器工作觸發溫度 7℃±3℃，關閉觸發溫度 24℃±3℃。當點火鎖 ON檔接通，電動泵油系統的電動泵開始自動泵油，10分鐘后自動停止。以 Ks、Ko、Kw分別表示電器設備夏季環境、與氣候無關環境及冬季環境3種情況下的使用頻度系數，根據用電功率構成，I=P/24，獲得整車電器設備的用電量，并確定與季節有關的使用頻度系數見表2。

整車用電量可利用每一用電設備用電量的等效電流來計算，計算公式如下：

其中：Idx—等效電流

Ui—第i個用電設備對應的使用頻度系數

Ii—第i個用電設備的電流

以Idxs、Idxo、Idxw分別表示電器設備夏季、與氣候無關及冬季3種環境下的等效電流，根據整車電器設備用電量，計算求得等效電流Idxs=45.3A，Idxo=34.8A，Idxw=55.3A。于是，當車輛運行于冬季環境時，其整車用電量最大，最大整車用電量為：I=55.3A。

3.2 電氣設備耗電功率計算

整車電氣設備耗電功率計算公式如下：

式中：P—整車用電設備總耗電功率（W）

K1…Kn—各用電設備能量核算系數

P1…Pn—各用電設備耗電功率（W）

按設備使用時間的長短，確定能量核算系數與最大使用頻度系數相同。計算該特種車整車電氣設備耗電功率如下：

電能轉換功率計算公式為：

式中：P轉—轉換后整車用電設備總耗電功率（W）

K轉—轉換系數

P—整車用電設備總耗電功率（W）

則該特種車的電能轉換功率為：

P轉＝1.65×1564＝2581（W）

3.3 電能儲備功率計算

電能儲備功率公式為：

式中：P儲——整車用電設備儲備功率（W）

P發——發電機發電功率（W）

P轉——轉換后整車用電設備總耗電功率（W）

該特種車選用28VDC輸出，150A發電機，則發電機額定功率為：

P發＝28×150＝4200（W），于是

P儲＝4200－2581＝1619（W）

儲備功率系數K儲＝P儲/P轉，則電功率儲備功率系數為：

K儲＝1619/2581＝0.63

4 蓄電池放電時間計算

4.1 低溫放電時間計算

車輛起動后，蓄電池作為輔助電源為空調、風窗玻璃加熱器、暖風、點煙器及喇叭等提供電能。此時蓄電池作為負載蓄電池向整車供電，其低溫放電時間可按負載型蓄電池放電時間公式計算，計算公式如下：

式中：Q-蓄電池容量（AH）；

K-安全系數

I-負荷電流（A）

T-放電小時數(H)

t-實際電池所在地最低環境溫度值

α-電池溫度系數(1/℃)

η-放電容量系數，可按表3取值

表3 放電容量系數（η）

根據3.1節計算結果可知，當車輛在嚴寒氣候環境下正常行駛，發電機不發電時，蓄電池向整車電器設備供電量最大，其等效電流為55.3A。若按55.3A放完額定容量180Ah需要180/55.3=3.25小時。根據放電容量系數表3，按3小時蓄電池放電至 21.6V，放電容量系數為 0.75。取安全系數為1.25，電池溫度系數α取 0.008/℃（即溫度每升高 1度，容量增加0.8%），則-41℃環境下可持續放電時間為：

該車輛蓄電池電源系統設計蓄電池加熱裝置。采用蓄電池加熱裝置后，蓄電池加熱器工作30分鐘，蓄電池電解液平均溫度上升可不小于15℃。若延長加熱器工作時間，可使蓄電池電解液溫度上升至常溫水平，使-41℃環境下發電機不發電的蓄電池持續放電時間延長至常溫放電時間3.25小時（見4.2節）。

4.2 常溫放電時間計算

根據3.1節計算結果，常溫環境下車輛正常行駛時，工作電器設備等效電流約為 34.8A。當發電機不發電時，用電設備消耗蓄電池儲備的電能。若按 34.8A放完額定容量180Ah需要180/34.8=5.17小時。根據放電容量系數表3，按5小時蓄電池放電至21.6V，放電容量系數為0.84（根據線性插值法求得）。按負載性蓄電池放電時間公式（2），取安全系數為1.25，電池溫度系數α取0.008/℃，則常溫環境下（25℃）可持續放電時間為：

5 整車電能分析

5.1 蓄電池組與發電機電能平衡分析

該車電源系統儲能設備采用蓄電池組儲能，電源單個蓄電池20小時率額定容量為180 Ah。按蓄電池充電電流（Ica）值為4×Ce/20計算，起動電源蓄電池充電接受能力為36A。整車的最大用電量等效電流為 55.3A。該車型采用的發電機額定輸出電流150A，因此在正常行駛過程中發電機不僅可為整車用電設備提供充足的電能，還可對蓄電池進行快速充電。

5.2 電能儲備功率分析

該車整車電氣系統儲備功率為1619W，轉換后整車用電設備耗電總功率為2581W，整車電氣設備的電能功率儲備系數為0.63，符合該車電能功率儲備系數不低于0.6的設計標準要求，因此該車電能功率儲備是充足的，完全可以滿足整車電氣設備的需要。

5.3 蓄電池低溫放電能力分析

電源蓄電池為6-QW-180MF-J低溫型蓄電池，20小時率容量為180Ah，-41℃冷啟動電流630A。蓄電池完全充電后，在-18℃環境放置24小時后，以600A電流放電，蓄電池組電池電壓不低于18V的放電時間最短為30s，放電到12V時的低溫起動容量不低于90Ah、放電時間不低于200秒。在-40℃環境放置24小時后，以540A電流放電，放電至12V時的放電時間不低于75秒。以發動機單次起動標準時間15秒計，蓄電池低溫放電能力滿足低溫使用要求。

6 結論

該特種車輛采用單發單組蓄電池電源系統，蓄電池容量180Ah，采用 28VDC150A發電機可充分滿足整車電氣設備的充電、用電需求，設計結果滿足整車設計指標要求。

[1] 桂長清,郭麗,賀必新,錢志剛.實用蓄電池手冊[M].北京:機械工業出版社,2010.

[2]郭紀明.汽車供電系統的選型設計[EB/OL]. http://www.autoinfo.gov.cn/html/051122qc.htm,2006-8-23.

[3] 桂長清.動力電池[M] .北京:機械工業出版社,2012.

[4] 朱松然.蓄電池手冊[M] .天津:天津大學出版社,1998.