多工況下整車電平衡設計與分析

程斌，周勝強，李嘉博

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多工況下整車電平衡設計與分析

程斌，周勝強，李嘉博

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

電平衡是指發電機、蓄電池、整車用電器一定工況下發電量和用電量達到穩定的平衡狀態，文章主要介紹了汽車電平衡的設計流程、目的意義、設計方法（包括模型計算，蓄電池及發電機選型）以及如何進行試驗驗證。

電平衡；發電機；蓄電池；整車用電器；計算

前言

隨著科技進步，車聯網及智能汽車的高速發展，現代汽車電氣設備越來越多，各用電器工作條件及控制策略也越來越復雜，這使得整車耗電量也在逐步增加，如何保證車輛在任何工況下，如低溫、車輛靜置一段時間以及在極端工況等條件下，發動機都能夠正常起動，電氣部件能夠可靠工作，這是一個重要的課題，從整車角度來講，這是一個電氣系統電能輸出及需求的平衡問題，電平衡即汽車電氣系統電量匹配平衡，即發電機、蓄電池以及用電負載之間的電能產生及消耗的匹配和相互制約關系[1]，發電機是電能的輸出者，用電設備是電能的消耗者，蓄電池則充當為起動機供電，既協助發電機供電，又利用發電機輸出電能充電的角色[2]，蓄電池、起動機、發電機以及電氣系統作為一個整體，在設計時必須使它們的工作能相互匹配，因此電平衡設計在整車開發中尤為重要。

1 整車電平衡設計流程

圖1 電平衡設計流程

整車電平衡設計流程如圖1所示。發電機必須在絕大多數運行工況下，能夠給整車電氣系統提供足夠的電能，同時又能保證給蓄電池充電。對于傳統發電機來講，所選定的發電機特性能夠使發電機產生的電流至少等于極限工況下整車電氣系統的消耗，而對于智能發電機，發電機產生的電流可結合整車控制策略及整車極限工況的電流需求進行確定。

2 整車電平衡設計目的

要求車輛在不同使用工況下，蓄電池的容量和整車電氣系統電壓均能夠滿足設計要求：

a）車輛電氣系統低負載時，發電機能夠提供負載消耗的電能，并能給蓄電池充電；

b）車輛電氣系統高負載時，蓄電池能夠幫助發電機一起提供負載所需電能，但放電量要控制在一定范圍內；

c）車輛在標準駕駛循環后，蓄電池的容量應不能減少。

3 整車電平衡設計

3.1 蓄電池選取

蓄電池的作用主要是在發動機起動時給起動機、點火系統等用電設備供電，在發電機正常運行后作為儲能器件存在，并當發電機不發電或者故障時給整車電氣系統供電。

氣溫低時發動機的起動扭矩增大，起動機需要的起動電流也大[3]，蓄電池容量和電壓下降快，起動困難，因此冬季要保證充足的放電電流，可采用大容量蓄電池。蓄電池容量和放電電流的關系：一般來說蓄電池的容量大，放電電流就大，工作低溫性能好。

蓄電池的選取要根據車輛放置時的靜態電流值研討蓄電池的容量。車輛在車庫等處的存放時間至少為30天時能可靠起動。其判斷標準由以下算式表示：

式中：I—整車靜態電流A；P—停放天數；C—蓄電池容量Ah，因此選擇蓄電池時要考慮：使用條件、行駛條件、發電機功率、環境溫度、整車靜態電流等綜合因素，此外還要考慮到蓄電池自身的損耗，蓄電池自放電是電平衡的一個重要參數，不同的蓄電池廠商此電流會有不同，因此需要與蓄電池廠商共同確認，以保證設計時選型的定義[4]，蓄電池自放電一般為其容量的3%-5%。

3.1.1實例

某款車采用12V電源系統，其電源由蓄電池和發電機并聯后組成。從成本、維修便利性、使用壽命及起動機起動電流考慮。計劃選用起動型免維護鉛酸蓄電池，此類型蓄電池具有內阻小、電壓穩定、結構簡單、成本低廉、能迅速提供大電流、免維護、使用壽命長等優點。根據設計要求，整車靜態電流I不大于15mA，車輛停放30天后仍能可靠起動。由判斷標準計算公式：

式中：I—整車靜態電流A；P—停放天數；C—蓄電池容量Ah。

得：

考慮到蓄電池自身的損耗，容量選擇60Ah。

由表1和圖2可知，在-25℃時，發動機靜阻力矩T靜=18．3 Nm，此時的冷啟動電流為340A，為保證可靠起動，取蓄電池低溫放電電流400A。

綜上，可選容量為60Ah，低溫起動電流為400A的鉛酸蓄電池。

圖2 起動機特性曲線

表1 發動機相關參數

3.2 整車用電量的理論計算

表2 在各種情況下整車用電設備情況

根據整車電器系統常用電器設備的不同工作特性，將其分為連續接通、短時間接通、和長時間接通3種狀況。

表3 某整車用電設備額定功率和頻度系數表

3.2.1用電設備使用情況

整車用電設備在不同場合，不同氣候條件下使用，一般不會全部工作，而許多用電設備的工作時間長短，取決于季節和環境的變化，對汽車在行駛中較為典型的用電情況進行分析，大致可分為8種，平常日間、平常夜間、夏季日間、夏季夜間、夏季雨夜、冬季日間、冬季夜間、冬季雪夜。不同工況下各用電器的使用情況見表2。

3.2.2用電設備使用頻率

電氣系統負荷與用電設備的使用和工作狀態相關，用電設備工作狀態決定于季節、環境、交通狀況和個人喜好，復雜的使用條件使電氣系統負荷的計算變得困難，為了分析計算方便，引入用電設備使用頻度系數概念來計算整車用電量。

在不同的季節和環境，汽車用電設備有著不同的氣候環境頻度系數，本文采用的頻度系數及其有主要關系的用電設備如下：

1）μS與夏季相關頻度系數。相關電設備：空調壓縮機、雨刮、風扇、鼓風機等。

2）μo與季節氣候無關頻度系數。相關電設備：制動燈、室內燈等隨機工作的設備。

3）μw與冬季相關頻度系數。相關用電設備：空調鼓風機、除霜等。

如表3所示，為了便于說明，下面我的論述將結合實例進行。

3.2.3整車用電設備等效負荷計算

汽車用電設備的電量理論上可以由公式1進行估算，序號為的車用電器的加權電流，用I加權來表示，則：I加權=P加權/U

P加權=Piμi

式中：μi是第i個用電器所對應的使用頻度系數。Pi是第i個用電器的功率。

不同工況下各用電器的功率分配見表4。

表4 用電設備在不同環境下的功率分配

根據圖3的計算結果，在夏季雨夜時，整車用電量為125.36A。因此經圓整，發電機選取應不小于140A。

4 電量平衡試驗驗證

電平衡試驗項目一般有以下6項[5]：

1）怠速、夏季、雨夜。

2）怠速、冬季、雪夜。

3）低速(20~40km/h)、夏季、雨夜。

4）低速(20~40km/h)、冬季、雪夜。

5）高速(80~100km/h)、夏季、雨夜。

6）高速(80~100km/h)、冬季、雪夜。

圖3 不同工況下整車用電量

試驗中要記錄發動機轉速、汽車檔位、環境溫度、運行時間等參數。鑒于車輛的使用是城市運行工況，且夏季雨夜工況工作電流值比較大，所以夏季雨夜低速工況為主要試驗考核項目，其它試驗僅作參考。

在一款車型的電源系統設計中，采用了上述的設計驗證方法，設計開發出的新產品。在通過汽車線束及整車的一系列試驗后，整車供電系統未發生任何故障，起動機、發電機、蓄電池及線束均正常工作，以上可以有效驗證整車電平衡設計的合理性。

5 結論

對整車而言，發電機、蓄電池以及整車用電器供電及用電是一個相互平衡的過程。本文詳細描述了起動機、發電機、蓄電池等幾個電平衡關鍵零部件的選型方法。合理設計整車電平衡性能，不但可保證車輛電源系統的安全可靠，還可指導零部件選型，有效降低發電機、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[6][7]，因此整車電平衡是重要的性能指標。另外，對于智能發電機系統，發電機的輸出控制及能量管理策略的進一步研究以及合理的設計也會對整車節油、排放、電氣系統的可靠性及經濟性進行進一步的優化和提升[8]。

[1] 羅育長,葉勤書.汽車交流發電機與電量平衡分析[J].汽車電器,1998(3):4-7.

[2] 李高林,劉鐵山,鄒圣星,范學.整車靜態電平衡測試研究[J].汽車電器,2014(8):60-62.

[3] 石志勇,韓勇,王宜海.汽車電平衡匹配設計淺析[J].汽車實用技術,2015(4):28-30.

[4] 劉德生,胡定輝,張百山,張松,陳忠橋.汽車電平衡的設計計算與驗證方法[J].汽車電器,2014(1):3-5.

[5] 安永嶺,端木瓊,王子龍,汪春華,王東升.基于某款車型的整車電平衡驗證測試,汽車電器,2015(7):64-66.

[6] EBERHARD M,GEROLF R. Vehicle Electric Power Systems are Under Change! Implications for Design, Monitoring and Manage ment of Automotive Batteries[J]. Journal of Power Sources, 2001, 95(1):13-23.

[7] 程斌,李嘉博.汽車電氣負荷對節能減排的影響研究[J].企業文化, 2017(3):220.

[8] IOLANDA M,DOMENICO T,ALESSANDRO C,et al. Intelligent Alternator Employment To Reduce CO2 Emission and to Improve Engine Performance[C].SAE Paper 2011-01-2444.

The Design And Analysis Of Vehicle Load Balance Under Various Condition

Cheng Bin, Zhou Shengqiang, Li Jiabo

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Load balance refers to the equilibrium state among generator, battery, the power consumption of the whole vehicle appliances under the certain condition, this article mainly introduced the design of vehicle load balance process, the purpose, significance, design methods (including calculation and selection of the battery and generator) and how to do the test.

Load Balance; Generator; Battery; Electric Appliance; Calculation

A

1671-7988(2018)16-124-04

U462.2

A

1671-7988(2018)16-124-04

CLC NO.: U462.2

程斌，碩士，高級工程師，就職于華晨汽車工程研究院。主要從事整車電能管理及EMC的設計與開發。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.16.045