發(fā)電機(jī)效率整車轉(zhuǎn)鼓測試方法研究

葛勝迅，姚 強(qiáng)，韓 鵬

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

從能量流的角度去測定汽車燃油能量在發(fā)動機(jī)、底盤部件等部件的分布，可以找出經(jīng)濟(jì)性優(yōu)化的關(guān)鍵方向。能量轉(zhuǎn)化過程中，發(fā)動機(jī)將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動能，其中一部分動能用來驅(qū)動車輛行駛，還有一部分經(jīng)過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，向所有用電設(shè)備供電［1］。發(fā)電機(jī)將動能轉(zhuǎn)化為電能的過程中能源的轉(zhuǎn)化效率稱之為發(fā)電機(jī)效率。隨著汽車電子電器技術(shù)的不斷發(fā)展，整車用電設(shè)備的功耗越來越大［2-4］，使得發(fā)電機(jī)效率對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的影響也越來越高［5-8］。

在零部件臺架上通常采用對拖法測試發(fā)電機(jī)輸入和輸出功率后計算得到不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)電機(jī)效率。但對拖法通常難以準(zhǔn)確模擬整車狀態(tài)下的發(fā)電機(jī)的溫度場環(huán)境，以及發(fā)電機(jī)在整車上的裝配狀態(tài)，直接使用零部件臺架的發(fā)電機(jī)效率數(shù)據(jù)會影響整車能量流模型計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上開展整車條件下的發(fā)電機(jī)效率測試尤為必要［9-10］。

本文提出在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上進(jìn)行整車條件下的發(fā)電機(jī)發(fā)電效率的阻力矩法和外特性法兩種測試方法，給出了對應(yīng)測試原理，并基于多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。本研究可為整車電能計算和能量流分布仿真提供相關(guān)理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1 測試原理

整車在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，通常設(shè)置轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺在恒速控制模式。轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺在該模式下可根據(jù)設(shè)定車速自適應(yīng)控制轉(zhuǎn)鼓電機(jī)的輸出功率，以保證輪胎在該車速下恒定運(yùn)行。設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可同步測試轉(zhuǎn)鼓施加到輪邊的機(jī)械功率以及發(fā)電機(jī)的輸出電功率。

定義發(fā)動機(jī)油門全開時的車帶鼓運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)方法為外特性法，定義發(fā)動機(jī)熄火、鼓帶車運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)方法為阻力矩法。

1.1 外特性法

測試原理如圖1所示。保持全油門狀態(tài)，發(fā)動機(jī)固定轉(zhuǎn)速的總功率Pe不變，改變用電器負(fù)載，同步測試轉(zhuǎn)鼓施加輪邊的功率PD和發(fā)電機(jī)輸出電功率PA，得出發(fā)電機(jī)效率，如式（1） 和式 （2）。

圖1 外特性法測試原理

式中：PD1——第1種用電器負(fù)載下的轉(zhuǎn)鼓施加輪邊功率，W；PD2——第2種用電器負(fù)載下的轉(zhuǎn)鼓施加輪邊功率，W；PA1——第1種用電器負(fù)載下的發(fā)電機(jī)輸出電功率，W；PA2——第2種用電器負(fù)載下的發(fā)電機(jī)輸出電功率，W；PL——車輪在轉(zhuǎn)鼓上的滾動阻力功率，W；η——傳動系機(jī)械效率，為已知參數(shù)；α——發(fā)電機(jī)效率。

發(fā)電機(jī)輸出電功率PA根據(jù)式 （3）進(jìn)行計算。

式中：U——發(fā)電機(jī)端電壓，V；I——發(fā)電機(jī)輸出電流，A。

1.2 阻力矩法

測試原理如圖2所示。保持發(fā)動機(jī)斷油停噴，車輪倒拖發(fā)動機(jī)，改變用電器負(fù)載，同步測試轉(zhuǎn)鼓施加輪邊的機(jī)械功率PD和發(fā)電機(jī)輸出的電功率PA，得出發(fā)電機(jī)效率，如式 （3）和式 （4），此處發(fā)動機(jī)固定轉(zhuǎn)速的機(jī)械損失功率Pf不變。

圖2 阻力矩法測試原理

2 試驗(yàn)與分析

2.1 阻力矩法

2.1.1 樣車A測試

以某公司生產(chǎn)的某款手動擋SUV為例 （簡稱樣車A），使用阻力矩法測試，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺設(shè)置為恒速28.56 km／h，此時變速器置入Ⅱ檔，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2 000 r／min。按照用電器開關(guān)設(shè)置7個工況，并且同步測試發(fā)電機(jī)電流I、電壓U和轉(zhuǎn)鼓施加輪邊的功率PD。開展兩次的測試結(jié)果如表1、圖3所示，其中第1到第7序號為第1次，第8到第14序號為第2次。

將試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線，兩次試驗(yàn)結(jié)果的曲線重合性高。按照公式每兩個點(diǎn)均可計算出發(fā)電機(jī)效率，本文將每次7個工況點(diǎn)線性擬合得到平均的斜率，再使用已知傳動系機(jī)械效率0.95，得出發(fā)電機(jī)效率，計算得出兩次試驗(yàn)相對偏差0.1%。

表1 樣車A阻力矩法試驗(yàn)結(jié)果

圖3 樣車A阻力矩法試驗(yàn)結(jié)果曲線

2.1.2 樣車B測試

以另一家公司生產(chǎn)的另一款手動擋SUV為例 （簡稱樣車B），使用阻力矩法測試，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺設(shè)置恒速22.86 km／h，此時變速器置入Ⅱ檔，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r／min。按照用電器開關(guān)設(shè)置5個工況，開展兩次試驗(yàn)，得出相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示，其中第1到第5序號為第1次，第6到第10序號為第2次。

2.1.3 樣車A、B測試結(jié)果對比

對A車用阻力矩法也進(jìn)行了測試。將A、B兩車測試結(jié)果對比，如表3所示，相對偏差均較小，樣車A為0.1%，樣車B為0.2%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性好。

2.2 外特性法

繼續(xù)使用樣車B，使用外特性法測試，轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺設(shè)置恒速22.86 km／h，此時變速器置入Ⅱ檔，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 600r／min。按照用電器開關(guān)設(shè)置5個工況，開展4次的測試結(jié)果如表4所示。

表2 樣車B阻力矩法試驗(yàn)結(jié)果

表3 樣車A和B阻力矩法試驗(yàn)結(jié)果對比

表4 樣車B外特性法試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線如圖4所示，4次試驗(yàn)結(jié)果的曲線重合性一般。將每次5個工況點(diǎn)線性擬合，再使用已知傳動系機(jī)械效率0.95，得出發(fā)電機(jī)效率，計算得出4次試驗(yàn)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.3%，如表5所示。進(jìn)一步計算得出樣車B的外特性法與阻力矩法測試結(jié)果的相對偏差為1.3%。

2.3 精度分析

發(fā)電機(jī)電壓測試數(shù)據(jù)的一致性非常高，隨著用電器開啟負(fù)荷的增加，發(fā)電機(jī)電壓略微降低；樣車A測試電流達(dá)到最大值時，電壓僅僅下降0.02 V，可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)電壓對試驗(yàn)結(jié)果沒有影響。

相同用電器開啟的工況下發(fā)電機(jī)電流的數(shù)據(jù)稍有不同，這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中發(fā)電機(jī)不斷給蓄電池充電，隨著電池電量的增加，發(fā)電機(jī)電流不斷下降，輪邊功率也成比例變化。從最終斜率的數(shù)據(jù)看，用電器功率對試驗(yàn)結(jié)果的影響也可以忽略。

用阻力矩法測得的輪邊功率重復(fù)性較好，但外特性法重復(fù)性較差。從樣車B外特性法數(shù)據(jù)看，盡管輪邊功率的相對偏差僅0.4%，但是輪邊功率的數(shù)值達(dá)到了21 kW，導(dǎo)致功率絕對偏差達(dá)到了81 W，使得每次試驗(yàn)曲線不重合。分析過程數(shù)據(jù)認(rèn)為有如下原因：①在外特性法過程中，發(fā)動機(jī)全負(fù)荷工作，輸出的功率較大，數(shù)據(jù)比電能高兩個數(shù)量級，而阻力矩法比電能高一個數(shù)量級；②外特性法導(dǎo)致發(fā)動機(jī)水溫、變速器油溫處于上升的過程，造成輪邊輸出功率存在系統(tǒng)誤差，且容易觸發(fā)發(fā)動機(jī)因出水溫度造成的功率變化。

圖4 樣車B外特性法試驗(yàn)結(jié)果曲線

表5 樣車B外特性法試驗(yàn)結(jié)果

2.4 不同樣車對比分析

采用阻力矩法對不同樣車進(jìn)行試驗(yàn)對比分析。樣車A匹配高效發(fā)電機(jī)，樣車B匹配普通發(fā)電機(jī)，樣車C為在樣車B的基礎(chǔ)上更換另一種發(fā)電機(jī)。將3臺車對比分析，樣車A發(fā)電機(jī)效率顯著優(yōu)于樣車B和樣車C；樣車B在低轉(zhuǎn)速時優(yōu)于樣車C，高轉(zhuǎn)速時差于樣車C。另外，通過整車NEDC工況油耗仿真，樣車B的發(fā)電機(jī)選型綜合效率優(yōu)于樣車C。如圖5所示。

圖5 不同樣車測試結(jié)果對比曲線

3 結(jié)論

1）本文提出了利用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺，在整車條件下進(jìn)行發(fā)電機(jī)效率測試的兩種方法，即阻力矩法和外特性法，給出了具體測試原理。實(shí)車測試分析表明兩種方法是有效可行的，且阻力矩法測試精度優(yōu)于外特性法。

2）本文為整車電能計算、能量流分布仿真提供了理論支持，研究結(jié)果為發(fā)電機(jī)選型提供重要方法依據(jù)，對相關(guān)節(jié)能技術(shù)研究具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。