發電機效率整車轉鼓測試方法研究

葛勝迅，姚 強，韓 鵬

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

從能量流的角度去測定汽車燃油能量在發動機、底盤部件等部件的分布，可以找出經濟性優化的關鍵方向。能量轉化過程中，發動機將燃料化學能轉化為動能，其中一部分動能用來驅動車輛行駛，還有一部分經過發電機轉化為電能，向所有用電設備供電［1］。發電機將動能轉化為電能的過程中能源的轉化效率稱之為發電機效率。隨著汽車電子電器技術的不斷發展，整車用電設備的功耗越來越大［2-4］，使得發電機效率對汽車燃油經濟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電機輸入和輸出功率后計算得到不同轉速下的發電機效率。但對拖法通常難以準確模擬整車狀態下的發電機的溫度場環境，以及發電機在整車上的裝配狀態，直接使用零部件臺架的發電機效率數據會影響整車能量流模型計算結果的準確性。因此在轉鼓試驗臺上開展整車條件下的發電機效率測試尤為必要［9-10］。

本文提出在轉鼓試驗臺上進行整車條件下的發電機發電效率的阻力矩法和外特性法兩種測試方法，給出了對應測試原理，并基于多組試驗數據進行對比分析。本研究可為整車電能計算和能量流分布仿真提供相關理論和試驗依據。

1 測試原理

整車在轉鼓試驗臺上進行試驗，通常設置轉鼓試驗臺在恒速控制模式。轉鼓試驗臺在該模式下可根據設定車速自適應控制轉鼓電機的輸出功率，以保證輪胎在該車速下恒定運行。設計數據采集系統可同步測試轉鼓施加到輪邊的機械功率以及發電機的輸出電功率。

定義發動機油門全開時的車帶鼓運轉的試驗方法為外特性法，定義發動機熄火、鼓帶車運轉的試驗方法為阻力矩法。

1.1 外特性法

測試原理如圖1所示。保持全油門狀態，發動機固定轉速的總功率Pe不變，改變用電器負載，同步測試轉鼓施加輪邊的功率PD和發電機輸出電功率PA，得出發電機效率，如式（1） 和式 （2）。

圖1 外特性法測試原理

式中：PD1——第1種用電器負載下的轉鼓施加輪邊功率，W；PD2——第2種用電器負載下的轉鼓施加輪邊功率，W；PA1——第1種用電器負載下的發電機輸出電功率，W；PA2——第2種用電器負載下的發電機輸出電功率，W；PL——車輪在轉鼓上的滾動阻力功率，W；η——傳動系機械效率，為已知參數；α——發電機效率。

發電機輸出電功率PA根據式 （3）進行計算。

式中：U——發電機端電壓，V；I——發電機輸出電流，A。

1.2 阻力矩法

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

圖2 阻力矩法測試原理

2 試驗與分析

2.1 阻力矩法

2.1.1 樣車A測試

以某公司生產的某款手動擋SUV為例 （簡稱樣車A），使用阻力矩法測試，轉鼓試驗臺設置為恒速28.56 km／h，此時變速器置入Ⅱ檔，發動機轉速2 000 r／min。按照用電器開關設置7個工況，并且同步測試發電機電流I、電壓U和轉鼓施加輪邊的功率PD。開展兩次的測試結果如表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。

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

表1 樣車A阻力矩法試驗結果

圖3 樣車A阻力矩法試驗結果曲線

2.1.2 樣車B測試

以另一家公司生產的另一款手動擋SUV為例 （簡稱樣車B），使用阻力矩法測試，轉鼓試驗臺設置恒速22.86 km／h，此時變速器置入Ⅱ檔，發動機轉速1 600 r／min。按照用電器開關設置5個工況，開展兩次試驗，得出相關數據，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測試結果對比

對A車用阻力矩法也進行了測試。將A、B兩車測試結果對比，如表3所示，相對偏差均較小，樣車A為0.1%，樣車B為0.2%，試驗數據重復性好。

2.2 外特性法

繼續使用樣車B，使用外特性法測試，轉鼓試驗臺設置恒速22.86 km／h，此時變速器置入Ⅱ檔，發動機轉速1 600r／min。按照用電器開關設置5個工況，開展4次的測試結果如表4所示。

表2 樣車B阻力矩法試驗結果

表3 樣車A和B阻力矩法試驗結果對比

表4 樣車B外特性法試驗結果

將試驗結果繪制成曲線如圖4所示，4次試驗結果的曲線重合性一般。將每次5個工況點線性擬合，再使用已知傳動系機械效率0.95，得出發電機效率，計算得出4次試驗相對標準偏差為2.3%，如表5所示。進一步計算得出樣車B的外特性法與阻力矩法測試結果的相對偏差為1.3%。

2.3 精度分析

發電機電壓測試數據的一致性非常高，隨著用電器開啟負荷的增加，發電機電壓略微降低；樣車A測試電流達到最大值時，電壓僅僅下降0.02 V，可以認為發電機電壓對試驗結果沒有影響。

相同用電器開啟的工況下發電機電流的數據稍有不同，這是因為試驗過程中發電機不斷給蓄電池充電，隨著電池電量的增加，發電機電流不斷下降，輪邊功率也成比例變化。從最終斜率的數據看，用電器功率對試驗結果的影響也可以忽略。

用阻力矩法測得的輪邊功率重復性較好，但外特性法重復性較差。從樣車B外特性法數據看，盡管輪邊功率的相對偏差僅0.4%，但是輪邊功率的數值達到了21 kW，導致功率絕對偏差達到了81 W，使得每次試驗曲線不重合。分析過程數據認為有如下原因：①在外特性法過程中，發動機全負荷工作，輸出的功率較大，數據比電能高兩個數量級，而阻力矩法比電能高一個數量級；②外特性法導致發動機水溫、變速器油溫處于上升的過程，造成輪邊輸出功率存在系統誤差，且容易觸發發動機因出水溫度造成的功率變化。

圖4 樣車B外特性法試驗結果曲線

表5 樣車B外特性法試驗結果

2.4 不同樣車對比分析

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

圖5 不同樣車測試結果對比曲線

3 結論

1）本文提出了利用轉鼓試驗臺，在整車條件下進行發電機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，研究結果為發電機選型提供重要方法依據，對相關節能技術研究具有較強的指導意義。