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谈汽车电平衡的设计计算及验证方法随着汽车电子电器技术的迅速发展，电器功能日益增多且复杂，对车辆舒适、智能和安全可靠性等要求的提高，整车电平衡的设计及验证尤显重要。整车电平衡是指发电机、蓄电池、整车用电器在一定时间内的电能产生与消耗达到稳定的一种平衡状态，是重要的整车性能指标。它体现了发电机的输出能力与整车用电需求的匹配关系，而不同的整车性能目标定义，对整车电平衡的性能要求也是不同的，所以需要有合适的汽车电平衡设计计算和验证方法。本文主要结合试验数据，分析改进电平衡的设计计算方法；重点结合整车电平衡试验做出动态特性曲线，对电平衡理论计算结果进行验证。1汽车电平衡的设计方法汽车电平衡的设计需要考虑发动机参数、整车用电器功率和使用频度等，图1为电平衡设计示意图，描述了电平衡关键零部件选型顺序和各关键零部件的影响因素。2关键零部件的计算选型2.1起动机的选型起动机的作用是起动发动机，一般需要起动机以大电流工作2～5s。发动机的起动特性决定了起动机的性能参数，发动机的起动特性参数包括起动转矩和起动转速。设定试验测定极限低温工况下的起动转矩为M0，起动转速为n0，由M0和n0可得出起动需求功率P0=M0×n0×2π／60。根据传动比i和齿轮的啮合效率η（η通常为0.9），可计算出发动机起动过程中起动机的输出参数：转矩M1=M0／i，转速n1=n0×i，功率P1=P0／η。起动机的输出功率会随温度而变化，再根据起动机温度系数修正出常温下起动机输出的转矩和功率，即可完成起动机的参数选择。2.2蓄电池的选型蓄电池最主要的作用是起动发动机，故其选型应先分析起动机（或发动机）的特性。蓄电池的低温起动电流应大于起动机输出特性曲线图上功率最大点对应的起动电流，以确保实现起动发动机，同时小于功率曲线与力矩曲线交点处对应的电流，在符合条件的蓄电池中选择容量较大者以增加起动发动机的可靠性。依此原则选择的蓄电池，不会因蓄电池容量选择过大出现浪费及蓄电池体积增大而影响整车的装配空间及质量。车辆在长途运输或长时停放后应能起动发动机，所以在蓄电池选型时，需考虑整车静态电流的验证。整车静态电流计算公式为I静=C20×（90%-65%-1‰×T）／（T×24）（1）式中：I静———整车静态电流；90%———下线时，蓄电池的实际容量与额定容量的百分比；65%———确保车辆正常起动的蓄电池最低实际电量与额定电量的百分比；1‰———蓄电池1天的自损耗率；T———储运时间；C20———蓄电池的20h率额定容量，Ah。最后，根据蓄电池的布置位置、车辆销售区域及主要用途等，微调蓄电池的参数。以奇瑞公司某在研车型M为例，根据发动机起动转矩和起动转速选择了1.3kW起动机。该起动机输出特性曲线如图2所示。根据蓄电池选型方法，结合图2，选择蓄电池放电电流应为260～500A，符合条件的蓄电池容量为45Ah（冷起动电流为425A）和60Ah（冷起动电流为480A），可初选蓄电池的容量为60Ah。根据式（1）可知，若储运时间要求为45天，蓄电池容量为60Ah，得：I静=11.4mA，故整车静态电流须小于11.4mA。2.3发电机的选型发电机的作用：在发动机运转状态下，发出电量既满足整车用电器用电量需求，同时还能补充蓄电池消耗的电能。发电机是汽车的主要电能来源，考虑到保证整车用电设备的电量供给，提高发动机的动力性，发电机功率的选择应保证满足整车的正常电器用电量和蓄电池充电量。发电机的发电能力主要与发电机的转速有关，随着转速的提高，发电机的发电量逐渐增大。图3为3种型号发电机转速与输出电流的关系。整车用电器的电能消耗量主要与整车用电器在各运行工况下的使用频度相关。通过计算发电机的发电能力与整车用电器用电量的关系进行发电机的选型。计算整车用电器功率主要有2种方法。方法1：根据汽车电器用电性质，把汽车电器分为3类：Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类。Ⅰ类为汽车行驶过程中必须长期使用，包括无条件长期使用（如油泵）和有条件长期使用（如冷却风扇）的用电器；Ⅱ类为安全行驶必备的短期使用的用电器（如转向灯）；Ⅲ类为改善乘车舒适性而随机使用的用电器（如电动门窗）。整车用电电流为：I加权=Ii×μi。方法2：以某一具体工况（通常采用夏季雨夜或冬季雪夜工况高功耗）为代表，计算用电器功率，此时用电器使用最多，功率最大。以奇瑞公司某在研SUV为例，表1为该SUV用电器电量需求表。按照方法1计算夏季和冬季用电器负载大小分别为109.1A和96.3A，据此判断应选择发电量为110A的发电机。同理，参考表1按照方法2，可计算出夏季雨夜和冬季雪夜最恶劣工况下用电器消耗电流分别为111.8A和95.3A。3汽车电平衡的验证分析整车电平衡验证通过静态平衡和动态平衡两方面来验证。图4为电平衡的验证方法示意图。3.1静态平衡1）静态电流关闭所有用电器并锁好车辆，使其进入休眠状态后（即电流没有明显变化），记录此时的电流值，确认整车在静止状态下耗电量。2）低温最低起动容量使用充电量为20%、30%、40%、50%的铅酸蓄电池，在低温-30℃条件下，测试整车的起动情况，考核蓄电池的低温起动能力。3）蓄电池自放电电流蓄电池自放电是电平衡的一个重要参数，不同的蓄电池厂商此电流会有不同，因此需要与蓄电池厂商共同确认，以保证设计时选型的定义。4）汽车用电器负载测量将汽车以一般用电状态运行30min，使汽车内蓄电池达到一定电量水平，保持蓄电池电压基本稳定。这时测量各主要用电器在高功耗、低功耗和一般功耗的耗电量，尤其是最高值，以确保实测值与理论值吻合。3.2动态平衡动态平衡通过汽车电平衡道路试验来验证。通过测量汽车在各典型工况下发电机、蓄电池及用电器的用电状态和车内各关键部件处的温度状态，来全面评测实车的电平衡状态。道路试验所需设备：数据采集器，电流传感器（蓄电池充放电电流测量精度要达到0.2%以上，量程500A以内，采用闭口的电流传感器，其它采用开口的电流传感器），万用表，笔记本计算机，数字采集软件和通用蓄电池测试仪。道路试验测试参数：通过监控电流、电压及温度值，测量蓄电池充放电电流、发电机发电电流、用电器耗电总电流、发电机端电压与蓄电池端电压。另根据特殊要求测量点，测量蓄电池周围温度、发电机外壳温度、环境温度、车内温度等。蓄电池预处理：先将样车上的蓄电池拆下，用通用蓄电池测试仪以16V恒压充电2h，然后以4A恒流充电1h，再以C20／20A的电流放电到10.5V，测出蓄电池C20。在对蓄电池进行完全充电，然后以I20放电到蓄电池测量容量的50%，此时蓄电池内剩余50%的电量，测量蓄电池电压。蓄电池电量与其充电电流关系密切，电量越低，充电电流越大，统一蓄电池电量，以保证试验的一致性和可重复性。汽车负载确定：汽车运行时，其电气负载常处于不同状态，一般选择高功率和低功耗进行试验，不同功耗的定义见表2。因发电机发电能力与发动机转速有关，而发动机转速又与汽车行驶的工况有关，故在进行试验时要对多种工况进行试验。主要的试验工况有怠速工况、城市工况、高速公路工况、山区公路工况。表3为各工况试验目的。3.2.1蓄电池电量比蓄电池电量比Q定义为Q＝Q后／Q前式中：Q前———电平衡道路试验前蓄电池内的电量（以20小时率容量表示）；Q后———电平衡道路试验后蓄电池内的电量（以20小时率容量表示）。若Q值大于1.8，则说明发电机容量设计偏大；若Q值小于1.4，则说明发电机容量设计偏小。3.2.2蓄电池充放电比值通过分析蓄电池充放电比值，来确定汽车的电平衡状态。在采集到的蓄电池电流中筛选出充电电流与放电电流，然后按下列公式计算K值。式中：K———蓄电池充放电电流比；in———第n次充电电流数据，A；jm———第m次放电电流数据，A；tn———第n次充电电流采集间隔的时间，s；tm———第m次放电电流采集间隔的时间，s。要求蓄电池充放电电流比K：1K6；其中在高功耗情况下要求K1，一般功耗情况下要求K6。当K1时，发电机容量设计偏小；当K6时，发电机容量设计偏大。3.2.3电气动态特性曲线电气系统的动态特性曲线是在一个行驶循环下，蓄电池电压随蓄电池电流的变化。该特性曲线（包络线）反映了蓄电池、发动机、用电器、温度、转速和发动机与发电机传动比等各部件的相互作用。特性曲线主要从以下几方面分析。1）纵坐标纵坐标的电压值，是车辆起动后从蓄电池两端测得的电压，该值为发电机端电压减去发电回路电压降得到，定义为U。电压U与发电机电流I的关系如图5所示。由图5可知，某一特定发电机转速n对应In，当用电器电流I＞In时，会造成电压U大幅度地下降。忽略发电机回路电压降的影响，电压U可表示为发电机电压，该值与发动机转速、用电器电流、发电机的温度有关。蓄电池、发电机平衡状态的电气动态特性曲线如图6所示。U0为发电机额定电压，对于无电压动态调节系统的发电机为14.4±0.1V，取U0=14.5V；对于有电压动态调节系统的发电机，U0取发电机允许额定电压的最大值。U1为发电机平衡状态，发电机满足用电器和蓄电池充电，裕量为0。从发电机效率分析，在U1之上为发电机有部分裕量，还有发电潜力；特性曲线尽可能地靠近U1，这样发电机功率得到充分利用，又不会造成蓄电池亏电。对于有电压动态调节系统的发电机，还应从其它方面（如充电电压）设定U1的值，把U1定为13.5V。U2为蓄电池平衡状态，发电机仅满足用电器需求。在蓄电池平衡线U2之下，蓄电池处于放电较深、不饱和状态，是不希望出现的状态。考虑到试验时蓄电池初始容量为50%，整车下线时，蓄电池容量要求达到90%以上，故U2定为12.5V。2）横坐标横坐标表示蓄电池充放电电流，在发电机满足负载需求条件下，分析横坐标充放电电流与蓄电池的关系，通过试验数据分析，-40～40A比较合理。3）纵轴右侧比例城市高功耗电平衡试验后，要求充电量要比放电量大，曲线在纵轴右侧为蓄电池充放电电流大于0，蓄电池处于充电状态，所以右侧数据量应大于左侧。通过以上分析，可以定义电气系统动态特性曲线理想范围，如图7所示。矩形内为理想特性曲线分布范围，所以城市高功耗工况理想电气系统动态特性曲线应该是纵坐标值，主要分布在12.5～14.5V，横坐标范围应主要分布在-40～40A。当纵轴电压在（U2，U1）和＜U1比例较大，发电机功率选择偏小；当纵轴电压90%以上在（U1，U0），发电机电压偏高，发电机功率选择偏大；当纵轴右侧数据量占总数据量大于60%，（U1，U0）比例大于60%，发电机发电裕量小于5A，相对合理，可以保证车辆的电平衡。3.2.4实车分析根据奇瑞公司目前完成电平衡试验数据进行分析，选出其中的6辆，作出动态特性曲线。根据特性曲线纵坐标电压分布范围，把曲线分成3大类，并对其电平衡进行分析。类别1特性曲线如图8所示，表4为类别1特性曲线纵坐标电压分布范围。类别2特性曲线如图9所示，表5为类别2特性曲线纵坐标电压分布范围。类别3特性曲线如图10所示，表6为类别3特性曲线纵坐标电压分布范围。类别1：纵轴电压在（U2，U1）和＜U1比例较大，都达到80%，所以发电机功率选择偏小。类别2：纵轴电压90%以上在（U1，U0），发电机电压偏高，发电机功率选择偏大。类别3：纵轴的变化范围（U1，U0）占70%左右，（U2，U1）约30%，U1以上部分大于U1以下部分，保证蓄电池一段工况后能保持充电，选型较为合理。4结束语发电机、蓄电池和整车用电器的供用电，是一个相互平衡的过程。本文通过实例详细描述了起动机、发电机、蓄电池等几个电平衡关键零部件的选型，引入Q值、K值、动态特性曲线等概念，重点对容易忽略且不易分析的整车电平衡的验证和评估进行了分析。合理设计整车电平衡性能，不但可保证车辆电源系统的安全可靠性，还可指导零部件选型，有效降低发电机、蓄电池等零部件的成本、质量，增加蓄电池等零部件寿命，降低整车油耗。因此整车电平衡是重要的整车性能指标，有意义进行深入研究，但由于试验条件、个人经验能力有限，研究还有待进一步验证和完善，同时欢迎联系探讨。