低溫環境下整車電性能特性測試分析研究

秦振海，趙雷雷，王曉鵬

（陜西汽車集團有限責任公司，陜西 西安 710005）

1 前言

柴油車輛在低溫高寒環境下工作，為了達到法規排放要求，保證駕駛室內溫度的舒適性，發動機能正常順利起動，柴油車輛必須做高寒環境適應性試驗。通過對整車進行低溫環境下電氣負荷的電性能測試，獲得車輛電氣系統的電氣參數，對原始數據進行分析與設計指標、相關法規進行比對，發現設計偏差、安全風險項、電氣系統漏洞等，提出對電氣系統整改的必要性及整改措施，保證電氣性能的可靠性。

2 法規要求

2.1 對整車低溫起動的要求

GB／T 12535-2007《汽車起動性能試驗方法》中低溫起動試驗對環境溫度要求-35±2℃，起動機拖動發動機的時間不得超過30s。

2.2 對電氣負荷的要求

GB／T 28046.2-2019《電氣及電子設備的環境條件和試驗 第2部分：電氣負荷》中要求在車輛起動期間工作的電氣設備功能狀態應能滿足設計要求。

2.3 對蓄電池的要求

1）GB／T 5008.1-2019《起動用鉛酸蓄電池第1部分：技術條件和試驗方法》中要求低溫起動能力對環境溫度要求-18℃和-29℃，蓄電池放電至10s時端電壓 （單個電池）不小于7.5V，30s時端電壓 （單個電池）不小于7.2V，90s時端電壓 （單個電池）不小于6.0V（參考值，不做要求）。

2）GB／T 5008.2-2013《起動用鉛酸蓄電池第2部分：產品品種規格和端子尺寸、標記》中對額定容量為180Ah／220Ah的鉛酸電池在-18℃時起動電流Icc不得低于1000A。

3 低溫環境實車測試

根據相關法規要求，整車電氣設備配置情況，柴油機的低溫起動特性以及中國北方高寒地區冬季氣候情況，特設定低溫環境實車測試溫度在-33±2℃的實際氣候環境下進行。有關測試項目包括：起動過程電性能特性、汽車水暖式暖風系統、燃油加熱器、起動輔助加熱裝置、SCR、DPF再生后處理系統等。

3.1 整車低溫起動電性能特性測試

柴油機在高寒地區環境下的低溫起動過程中，由于柴油機的機油粘度變大，導致起動阻力變大，進氣溫度變低，從而導致柴油霧化燃燒性能變差；另外硫酸變濃，內阻變大，其放電性能也相對減弱，這些因素共同作用影響了整車起動性能變差。

3.1.1 整車低溫起動電性能特性對比測試—220Ah

將試驗車、待測試用蓄電池選用220Ah免維護普通蓄電池在室外溫度-33±2℃，低溫靜置8～12h后，使發動機機油、冷卻液溫度與環境溫度一致，進行低溫啟動試驗，實測電壓、電流和發動機轉速如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可知，在低溫起動時，蓄電池最低電壓為12.6V，起動機端起動電流最大為1546A，起動時間12s，發動機轉速達到700轉時發動機已能自行運轉。

圖1 不同測試點電壓及起動機電流 （220Ah）

圖2 發動機轉速 （220Ah）

3.1.2 整車低溫起動電性能特性對比測試—180Ah

將試驗車、待測試用蓄電池更換為180Ah免維護低溫蓄電池在室外溫度-33±2℃，低溫靜置8～12h后，使發動機機油、冷卻液溫度與環境溫度一致，進行低溫啟動試驗，實測電壓、電流和發動機轉速如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，在低溫起動時，蓄電池最低電壓為13.7V，起動機端起動電流最大為1318A，起動時間6.45s，發動機轉速達到599轉時發動機已能自行運轉。

3.1.3 對比測試結論

通過對上述圖1～圖4數據對比分析，起動過程中電性能得出以下結論。

1）與GB／T 28046.2-2019中章節4.6.3啟動特性的啟動電壓曲線比對。該車啟動特性的電壓曲線變化與GB／T 28046.2-2019中章節4.6.3啟動特性的啟動電壓曲線變化趨勢一致，實車US6=12.6V，US6=13.7V均大于標準中US6MAX=10V，即高于在此起動期間工作的用電設備 （比如一鍵起動控制器，發動機ECU）的工作電壓，說明電源供給系統中在起動瞬間引起瞬態電壓變化優于標準要求，不會影響到其它用電設備的正常工作。

圖3 不同測試點電壓及起動機電流 （180Ah）

圖4 發動機轉速 （180Ah）

2）該車 （用220Ah免維護普通蓄電池、180Ah免維護低溫蓄電池）起動機克服發動機阻力矩拖動時間分別為t8=2s，t8=6s，均小于標準中t8=10s，起動過程拖動時間優于標準所列值。在此期間電壓波動變化量較大為4V，劣于標準中的2V，說明柴油機的發動機阻力矩較大，應通過其它輔助方式 （比如對發動機的油底殼及水套進行預熱）減小發動機阻力矩，改善其起動性能。

3）兩組蓄電池放電至10s時端電壓 （單個電池）均大于7.5V，30s時端電壓 （單個電池）均大于7.2V，起動電流Icc均高于1000A，滿足低溫起動需要。

3.2 汽車水暖式暖風系統

汽車水暖式暖風系統中耗電器件主要是鼓風機，其電氣屬性為電感型設備，一方面由于電刷的不斷接通和斷開產生火花放電和高頻噪聲，另一方面特別是在起動瞬間，由于低溫造成的起動阻力矩增大，導致浪涌電流的存在，此時因電流瞬時增大引起對熔斷器的沖擊，如果回路的電流峰值超過其熔斷絲的極限 （開啟瞬間），可能對熔斷絲壽命造成影響。圖5為暖風鼓風機 （在-3℃時）開啟瞬間的電壓電流曲線圖，圖6為-30℃時曲線圖。

通過分析圖5～圖6暖風鼓風機不同溫度下開啟瞬間曲線，可以看出，極寒溫度對暖風鼓風機開啟瞬間浪涌電流的影響還是比較大。

3.3 燃油加熱器

燃油加熱器工作原理：開啟燃油加熱器開關，加熱器控制器收到一個啟動信號，計量油泵從油箱泵油并以脈沖形式將燃油打到燃燒室前的吸油錐襯 （金屬氈）上，同時陶瓷電熱塞加熱到1000℃左右，將吸油錐襯上的細小油滴氣化并點燃。因計量油泵和陶瓷電熱塞以脈沖式工作，電流瞬時增大引起對熔斷器的沖擊，電流峰值超過其熔斷絲的極限，需計算相對熔斷熱能I2t=（脈沖熔斷熱能／熔斷器熔斷熱能）＜22%進行驗算。圖7為燃油加熱器工作電壓電流曲線圖。脈沖熔斷熱能×0.0155=2.37 （A2S）。燃油加熱器回路選用MINI慢熔型10A熔斷器，通過圖8查表確定10A熔斷器的熔斷熱能I2t為93A2S。所以相對熔斷熱能I2t=0.025=2.5%＜22%。因此通過相對熔斷熱能的校核，脈沖電流不會對該回路熔斷器壽命產生影響。

圖5 暖風鼓風機 （在-3℃時）開啟瞬間

圖6 暖風鼓風機 （在-30℃時）開啟瞬間

3.4 起動輔助加熱裝置

本車起動輔助加熱裝置采用PTC格柵進氣預熱裝置，在起動發動機之前，PTC格柵進氣預熱裝置進入前預熱狀態，持續時間21s，電流高達110A，隨后前預熱結束，此時可以起動發動機。在發動機起動過程中，起動機處于壓縮拖動過程中，PTC格柵進氣預熱裝置不工作，以便為起動機保留足夠大的起動電流供起動機用，等壓縮拖動過程完成后進入自行運轉時，PTC格柵進氣預熱裝置進入起動中加熱狀態，持續時間43s，電流為110A；等發動機轉速穩定下來后，PTC格柵進氣預熱裝置進入后預熱狀態，持續時間21s，電流為33.67A，整個低溫起動輔助加熱也就結束。圖9為起動輔助加熱全過程電性能參數曲線。

4 總結

目前國內外針對低溫環境下整車電性能特性方面的研究比較少，可借鑒的資料比較少，在實踐中不斷摸索探究，如SCR后處理系統中的尿素溶液在-12℃時產生結晶現象，溫度再低時發生冰凍現象，盡管SCR后處理系統中尿素箱及管路帶有加熱裝置，其效果不甚明顯，因此，后處理系統中的噴射裝置處于停滯狀態。而DPF后處理系統是發動機排放為達到國Ⅵ標準而新增設的裝置，實車DPF再生電性能方面的測試幾乎沒有涉及，應加強發動機后處理系統的電性能測試研究，為整車電氣系統設計和整車排放性能方面的設計提供數據支撐。

圖7 燃油加熱器工作電壓電流曲線圖

圖8 MINI型熔斷器熔斷熱能

圖9 起動輔助加熱全過程電性能參數曲線