大型客車發(fā)電機的匹配設(shè)計

蔣新奉

【摘? 要】系統(tǒng)介紹某大型客車發(fā)電機匹配設(shè)計的方法，根據(jù)配置參數(shù)分析不同狀態(tài)下車輛的總耗電量，對照發(fā)電機的輸出特性曲線進行選型和優(yōu)化，并確定最優(yōu)配置方案。

【關(guān)鍵詞】發(fā)電機；總耗電量；分析；優(yōu)化

中圖分類號：U463.6? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）04-0038-03

【Abstract】This paper systematically introduces the method of generator matching design for a large bus. Analyze the total power consumption of vehicles in different states according to configuration parameters，Select and optimize according to the output characteristic curve of the generator. At last，determining the best configuration.

【Key words】generator；total power consumption；analyses；optimize

發(fā)電機作為車輛的主要供電設(shè)備，是汽車供電系統(tǒng)的重要組成部分，在發(fā)動機工作時，由發(fā)動機帶動發(fā)電機向用電設(shè)備供能并向蓄電池充電。發(fā)電機匹配的合理性直接影響整車的使用性能。

1? 設(shè)計目標(biāo)

根據(jù)項目要求，整車采用電壓24V直流電系統(tǒng)，根據(jù)動力配置參數(shù)確定發(fā)電機配置的最優(yōu)方案。要求滿足國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，符合廠內(nèi)實際生產(chǎn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，確保各用電設(shè)備電量供給充足，無過度成本浪費、蓄電池饋電等缺陷，滿足全國大部分省市區(qū)域運行。

2? 發(fā)電機匹配計算分析

發(fā)電機的主要作用是為車輛的用電設(shè)備提供電能供給，并有一定冗余量為蓄電池充電。在發(fā)電機的匹配設(shè)計過程中，整車的電量消耗是發(fā)電機選型的一個重要參考依據(jù)，為確保車輛所配置的用電設(shè)備供電充足，要求所配置的發(fā)電機在不同工況下輸出量必須大于當(dāng)時的消耗量。

2.1? 整車配置用電設(shè)備消耗電量的分析

按照項目的配置清單，列表整車配置的用電設(shè)備參數(shù)，如表1所示。考慮到發(fā)電機輸出特性曲線以電流量來表示，為了方便后續(xù)計算的統(tǒng)一，各用電設(shè)備額定功率全部換算成電流。運用公式：

I = P / U（1）

式中：I——用電設(shè)備的工作電流，A；P——用電設(shè)備的額定功率，W；U——工作電壓（U=24V），V；按公式1計算各用電設(shè)備的工作電流，并將數(shù)值填入表1，如表1所示。

2.2? 行車狀態(tài)用電設(shè)備電流量的計算分析

在實際使用中，車輛配置的用電設(shè)備一般不會在同一時間全部投入工作，車輛用電設(shè)備實際的工作狀態(tài)取決于季節(jié)、環(huán)境、交通狀況和個人使用愛好。因環(huán)境、氣候條件的不同，可分為冬季、夏季、白晝、夜晚、晴天、雨天等。車輛運行路況的不同又可分為城間道路運輸、市區(qū)道路運輸?shù)?。為了更加貼合車輛實際運行時用電設(shè)備的實際工作狀態(tài)，我們引入一個使用權(quán)重系數(shù)值的概念來計算用電設(shè)備的消耗等效電流。如夜間行車時，側(cè)標(biāo)志燈全程滿負(fù)荷工作，權(quán)重系數(shù)值取100%；大雨天氣，雨刮器的權(quán)重系數(shù)值取100%；小雨天氣，雨刮開間歇擋，權(quán)重系數(shù)值取50%，開低速擋為80%；城間道路運輸工況，緩速器約30%的時間工作，工作擋位平均為3擋，功率約為滿負(fù)載的80%，那么緩速器的權(quán)重系數(shù)值為30%×80%=24%，其他電器權(quán)重系數(shù)以此類推。在核算過程中，通常選取比較惡劣的外部因素組合作為核算點。從表1可以發(fā)現(xiàn)，制冷系統(tǒng)滿負(fù)荷工作的總電流為93.2A，大于暖氣系統(tǒng)的總電流21.1A，所以選取夏季而不是冬季。再結(jié)合該目標(biāo)設(shè)計車型主要服務(wù)于城間道路運輸，夜間用電設(shè)備工作頻率高于白天，所以我們選取夏季雨夜城間道路運輸作為計算的外部因素權(quán)重系數(shù)。計算用電設(shè)備實際消耗等效電流的公式為：

Ii = Ki × Ii（2）

式中：Ii——第i個用電設(shè)備實際工作等效電流，A；Ki——第i個用電設(shè)備的權(quán)重系數(shù)；Ii——第i個用電設(shè)備的工作電流，A。根據(jù)公式2計算各用電設(shè)備的加權(quán)等效電流，將計算結(jié)果填入表1。經(jīng)過計算和匯總，該車行車時用電設(shè)備實際工作的總消耗等效電流I1=377.4A。

2.3? 怠速狀態(tài)用電設(shè)備電流量的計算分析

在同樣外部環(huán)境因素條件下，怠速與行車狀態(tài)時用電設(shè)備的工作狀態(tài)相比較，差異主要表現(xiàn)在以下幾個方面：制動燈、緩速器、AEBS+ESC系統(tǒng)不工作，權(quán)重值皆為0%，風(fēng)扇散熱中冷系統(tǒng)未滿程工作，權(quán)重值為60%（144×60%=86.4A），ECU+DCU系統(tǒng)權(quán)重值為70%（50×70%=35A），其他用電設(shè)備工作狀態(tài)與行車時基本相同。按照怠速時的權(quán)重系數(shù)再次計算匯總，得出怠速時車輛用電設(shè)備的總消耗等效電流I2=273.7A。

2.4? 蓄電池充電電量的計算分析

在計算用電設(shè)備實際工作的總消耗等效電流時已經(jīng)運用了加權(quán)數(shù)據(jù)，為確保整車電平衡，計算發(fā)電機輸出功率時除了滿足在正常運行狀態(tài)下須保證整車電器用電量外，還應(yīng)滿足向蓄電池補充電量（充電系數(shù)為0.05～1.5）的要求[1]。在傳統(tǒng)設(shè)計中，選取充電系數(shù)Ki=0.15[2]，計算蓄電池充電的電流量可運用公式：

I3 = I × Ki（3）

式中：I3——蓄電池充電電流量，A；I——車輛用電設(shè)備的總消耗等效電流，A；Ki——充電系數(shù)。計算得出怠速狀態(tài)時I3=41.1A，正常行駛狀態(tài)時I3=56.6A。

2.5? 發(fā)電機轉(zhuǎn)速匹配分析

發(fā)動機起動后，通過皮帶輪帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機的輸出電流大小與轉(zhuǎn)速息息相關(guān)。計算發(fā)電機轉(zhuǎn)速運用公式：

N = N1 × R1 / R2（4）

式中：N——發(fā)電機轉(zhuǎn)速，r/min；N1——發(fā)動機轉(zhuǎn)速，r/min；R1——發(fā)動機飛輪半徑，mm；R2——發(fā)電機飛輪半徑，mm。

根據(jù)動力系統(tǒng)提供參數(shù)，R1=115mm，R2=41mm，發(fā)動機怠速狀態(tài)轉(zhuǎn)速N1=700r/min，空轉(zhuǎn)最高轉(zhuǎn)速N1=2200r/min。計算得出怠速時發(fā)電機轉(zhuǎn)速N為1960r/min，空轉(zhuǎn)發(fā)電機最高轉(zhuǎn)速N為6160r/min。

在汽車行駛中，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與車速、汽車擋位有關(guān)，隨著車速和擋位的變化，其轉(zhuǎn)速也相應(yīng)改變。計算發(fā)電機轉(zhuǎn)速運用公式：

式中：N——發(fā)電機轉(zhuǎn)速，r/min；V——車速，km/h；i——發(fā)電機速比；i1——驅(qū)動橋速比；i2——變速器速比；R——驅(qū)動輪滾動半徑，m。根據(jù)動力參數(shù)，發(fā)電機速比i=2.8，驅(qū)動橋速比i1=3.545，變速器速比I～VI擋i2值分別為6.25，3.71，2.22，1.36，1.0，0.74，驅(qū)動輪滾動半徑R=0.508m，按照公式5計算出該車行駛時車速與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的對應(yīng)情況，如表2所示。

2.6? 發(fā)電機的選型和匹配分析

車輛總的電流量應(yīng)該等于當(dāng)時狀態(tài)下用電設(shè)備實際工作的總消耗電流量與蓄電池充電電流量之和，怠速狀態(tài)整車總消耗電流量為I2+I3=314.8A。行車狀態(tài)整車總的消耗電流量為I1+I3=434A。根據(jù)行車狀態(tài)時整車總的耗電電流量，初步可確定選擇的發(fā)電機輸出總電流必須大于434A。有3種可選方案：單臺28V/440A發(fā)電機（方案1），一臺無蓄電池28V/95A空調(diào)發(fā)電機和一臺28V/350A的組合模式（方案2），2臺28V/220A并聯(lián)安裝模式（方案3）。

根據(jù)動力工程師的配重計算和運動仿真分析，方案3因為單臺發(fā)電機質(zhì)量輕、體形最小，整體配重分布勻稱，運動仿真時振動源位置對稱，振點分布均勻，為最優(yōu)方案。雙發(fā)電機并聯(lián)安裝模式相比較單發(fā)電機模式，使用條件相對苛刻，主要體現(xiàn)在雙發(fā)電機的同步控制、輸出電壓波動差異控制等方面，近2年雙發(fā)電機并聯(lián)安裝模式，在配置國V發(fā)動機的大型旅游客車上已經(jīng)廣泛使用，技術(shù)已相對成熟，其技術(shù)要點本文不在此敘述。

發(fā)電機轉(zhuǎn)速計算結(jié)果顯示，發(fā)電機轉(zhuǎn)速工作范圍在1960～6160r/min之間，選取的28V/220A發(fā)電機使用轉(zhuǎn)速范圍1500～8000r/min，符合設(shè)計需求。對照發(fā)電機輸出特性曲線圖（圖1），怠速時發(fā)電機轉(zhuǎn)速1960r/min，單臺發(fā)電機輸出電流156A，合計312A，小于怠速總耗電電流314.8A，不符合設(shè)計需求；在車速40km/h時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速N=2821r/min為最低，以車速40km/h時刻作為行車狀態(tài)的核算點，該狀態(tài)下單臺發(fā)電機輸出電流為204A，合計408A，小于行車總耗電電流434A，不符合設(shè)計需求。

調(diào)整發(fā)電機為28V/240A，使用轉(zhuǎn)速范圍1500～8000r/min，對照發(fā)電機輸出特性曲線圖（圖2），怠速時單臺發(fā)電機輸出電流為176A，合計352A，大于怠速總耗電電流314.8A，符合設(shè)計需求；在車速40km/h時，單臺發(fā)電機輸出電流為220.5A，合計441A，大于行車總耗電電流434A，符合設(shè)計需求。

經(jīng)計算分析，并聯(lián)模式安裝2臺28V/240A的發(fā)電機，符合設(shè)計需求，可以為該項目設(shè)計車型配置安裝使用。

3? 發(fā)電機匹配的優(yōu)化分析

在2.4蓄電池充電電流量的計算中，充電系數(shù)Ki是車輛用電設(shè)備總消耗電流量的比例系數(shù)，在國V發(fā)動機以前的傳統(tǒng)車型中，除去制冷系統(tǒng)的消耗，其他用電設(shè)備總消耗電流量維持在180A左右，以0.15的充電系數(shù)來核算沒有任何問題。但隨著電控散熱風(fēng)扇式中冷系統(tǒng)在國VI發(fā)動機中的標(biāo)配使用，整車總消耗電流量成倍增長，沿用傳統(tǒng)的比例系數(shù)Ki=0.15，勢必會增大蓄電池充電電流量的計算值。如上文，車輛行車狀態(tài)用電設(shè)備總的耗電電流量I1=377.4A，經(jīng)過核算最終配置結(jié)果是安裝2臺28V/240A發(fā)電機，其最大輸出電流量合計高達480A，有將近100A的冗余電流量被配置為充電流量，有成本浪費的可能，優(yōu)化空間大。

蓄電池充電電流量的計算，其主要目的是為了滿足蓄電池充電需求。上文是以用電設(shè)備總消耗電流比例系數(shù)的方式來計算蓄電池充電電流量，優(yōu)化時不妨從蓄電池本身充電參數(shù)方面入手。依據(jù)GB/T5008.1—2013《起動用鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件和試驗方法》中關(guān)于閥控式蓄電池恒流充電的描述（5.2.2.1.2）：蓄電池在25℃±10℃條件下，以2In（A）恒定電流進行充電，待所有參試蓄電池端電壓達到14.80V時，以In（A）電流恒流充電4h[3]。結(jié)合蓄電池廠家提供的資料，蓄電池充電電流為0.5In即可滿足蓄電池的最低充電要求。考慮到設(shè)計目標(biāo)車型為城間運輸，國內(nèi)城間距離約3～4h行程，按往返8h運行時間估算。在行車狀態(tài)，發(fā)電機最低轉(zhuǎn)速時能保證2倍In的電流量為蓄電池充電，足以滿足整車電平衡需求。In為20h率放電電流，數(shù)值為Cn/20，單位為A[3]。計算蓄電池充電電流可運用公式：

I3 = Cn × KC / 20（4）

式中：I3——蓄電池充電電流量，A；Cn——蓄電池20h率額定容量，Ah；KC——蓄電池充電系數(shù)。

蓄電池20h率額定容量Cn=180Ah，充電系數(shù)KC=2，計算得出充電電流量I3=18A。

按充電電流量I3=18A重新計算，怠速狀態(tài)時整車總的消耗電流為I2+I3=273.7+18=291.7A，行車狀態(tài)整車總消耗電流為I1+I3=377.4+18=395.4A。

對照28V/200A發(fā)電機輸出特性曲線圖（圖3），發(fā)電機使用轉(zhuǎn)速范圍1500～8000r/min，滿足設(shè)計需求。怠速時單臺發(fā)電機輸出電流為150A，合計300A，大于怠速總耗電電流291.7A，符合設(shè)計需求；在車速40km/h時，單臺發(fā)電機輸出電流為182A，合計364A，小于行車總耗電電流395.4A，不符合設(shè)計需求。

調(diào)整為28V/220A發(fā)電機，對照圖1，怠速時單臺發(fā)電機輸出電流為156A，合計312A，大于怠速總耗電電流291.7A，符合設(shè)計需求；在車速40km/h時，單臺發(fā)電機輸出電流為204A，合計408A，大于行車總耗電電流395.4A，符合設(shè)計需求。配置2臺28V/220A發(fā)電機，符合該項目的設(shè)計需求。

從技術(shù)方面看，調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速速比也可達到優(yōu)化目的，但是對于大多數(shù)汽車整車廠來說，發(fā)電機、發(fā)動機等配件都是從配件廠家成品購買，一般不建議對傳動速比擅自更改，因為涉及到相關(guān)部件標(biāo)定參數(shù)以及售后保修條款，操作流程復(fù)雜，可行性不高。

綜合考慮，最終確定并聯(lián)安裝2臺28V/220A發(fā)電機（8014YB-3701100型）為最優(yōu)配置方案。

4? 總結(jié)

該項目開發(fā)的車輛按照上述設(shè)計方法配置發(fā)電機，在可靠性試驗、起動試驗、加載加速耐久試驗中，發(fā)電機工作正常、運行穩(wěn)定，車輛配置的用電設(shè)備工作供電充足，蓄電池未出現(xiàn)饋電現(xiàn)象。試驗結(jié)果表明，本文敘述的發(fā)電機的匹配設(shè)計方法有效可行，可應(yīng)用于大型客車發(fā)電機的匹配設(shè)計和優(yōu)化核算。

參考文獻：

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[3] GB/T 5008.1—2013，起動用鉛酸蓄電池 第1部分：技術(shù)條件和試驗方法[S]. 2013.

（編輯? 楊? 景）