談汽車電平衡的設計計算及驗證方法隨著汽車電子電器技術的迅速發展，電器功能日益增多且復雜，對車輛舒適、智能和安全可靠性等要求的提高，整車電平衡的設計及驗證尤顯重要。整車電平衡是指發電機、蓄電池、整車用電器在一定時間內的電能產生與消耗達到穩定的一種平衡狀態，是重要的整車性能指標。它體現了發電機的輸出能力與整車用電需求的匹配關系，而不同的整車性能目標定義，對整車電平衡的性能要求也是不同的，所以需要有合適的汽車電平衡設計計算和驗證方法。 本文主要結合試驗數據，分析改進電平衡的設計計算方法；重點結合整車電平衡試驗做出動態特性曲線，對電平衡理論計算結果進行驗證。1 汽車電平衡的設計方法 汽車電平衡的設計需要考慮發動機參數、整車用電器功率和使用頻度等，圖1為電平衡設計示意圖，描述了電平衡關鍵零部件選型順序和各關鍵零部件的影響因素。 2 關鍵零部件的計算選型 2.1起動機的選型 起動機的作用是起動發動機，一般需要起動機以大電流工作25s。發動機的起動特性決定了起動機的性能參數，發動機的起動特性參數包括起動轉矩和起動轉速。設定試驗測定極限低溫工況下的起動轉矩為M0，起動轉速為n0，由M0和n0可得出起動需求功率P0=M0n0260。根據傳動比i和齒輪的嚙合效率（通常為0.9），可計算出發動機起動過程中起動機的輸出參數：轉矩M1=M0i，轉速n1=n0i，功率P1=P0。 起動機的輸出功率會隨溫度而變化，再根據起動機溫度系數修正出常溫下起動機輸出的轉矩和功率，即可完成起動機的參數選擇。2.2蓄電池的選型蓄電池最主要的作用是起動發動機，故其選型應先分析起動機（或發動機）的特性。蓄電池的低溫起動電流應大于起動機輸出特性曲線圖上功率最大點對應的起動電流，以確保實現起動發動機，同時小于功率曲線與力矩曲線交點處對應的電流，在符合條件的蓄電池中選擇容量較大者以增加起動發動機的可靠性。依此原則選擇的蓄電池，不會因蓄電池容量選擇過大出現浪費及蓄電池體積增大而影響整車的裝配空間及質量。 車輛在長途運輸或長時停放后應能起動發動機，所以在蓄電池選型時，需考慮整車靜態電流的驗證。整車靜態電流計算公式為I靜=C20（90%-65%-1T）（T24）（1）式中：I靜整車靜態電流；90%下線時，蓄電池的實際容量與額定容量的百分比；65%確保車輛正常起動的蓄電池最低實際電量與額定電量的百分比；1蓄電池1天的自損耗率；T儲運時間；C20蓄電池的20h率額定容量，Ah。最后，根據蓄電池的布置位置、車輛銷售區域及主要用途等，微調蓄電池的參數。以奇瑞公司某在研車型M為例，根據發動機起動轉矩和起動轉速選擇了1.3kW起動機。該起動機輸出特性曲線如圖2所示。 根據蓄電池選型方法，結合圖2，選擇蓄電池放電電流應為260500A，符合條件的蓄電池容量為45Ah（冷起動電流為425A）和60Ah（冷起動電流為480A），可初選蓄電池的容量為60Ah。根據式（1）可知，若儲運時間要求為45天，蓄電池容量為60Ah，得：I靜=11.4mA，故整車靜態電流須小于11.4mA。2.3發電機的選型發電機的作用：在發動機運轉狀態下，發出電量既滿足整車用電器用電量需求，同時還能補充蓄電池消耗的電能。發電機是汽車的主要電能來源，考慮到保證整車用電設備的電量供給，提高發動機的動力性，發電機功率的選擇應保證滿足整車的正常電器用電量和蓄電池充電量。發電機的發電能力主要與發電機的轉速有關，隨著轉速的提高，發電機的發電量逐漸增大。圖3為3種型號發電機轉速與輸出電流的關系。 整車用電器的電能消耗量主要與整車用電器在各運行工況下的使用頻度相關。通過計算發電機的發電能力與整車用電器用電量的關系進行發電機的選型。計算整車用電器功率主要有2種方法。方法1：根據汽車電器用電性質，把汽車電器分為3類：類、類和類。類為汽車行駛過程中必須長期使用，包括無條件長期使用（如油泵）和有條件長期使用（如冷卻風扇）的用電器；類為安全行駛必備的短期使用的用電器（如轉向燈）；類為改善乘車舒適性而隨機使用的用電器（如電動門窗）。整車用電電流為：I加權=Iii。方法2：以某一具體工況（通常采用夏季雨夜或冬季雪夜工況高功耗）為代表，計算用電器功率，此時用電器使用最多，功率最大。 以奇瑞公司某在研SUV為例，表1為該SUV用電器電量需求表。按照方法1計算夏季和冬季用電器負載大小分別為109.1A和96.3A，據此判斷應選擇發電量為110A的發電機。 同理，參考表1按照方法2，可計算出夏季雨夜和冬季雪夜最惡劣工況下用電器消耗電流分別為111.8A和95.3A。3 汽車電平衡的驗證分析 整車電平衡驗證通過靜態平衡和動態平衡兩方面來驗證。圖4為電平衡的驗證方法示意圖。 3.1靜態平衡 1）靜態電流關閉所有用電器并鎖好車輛，使其進入休眠狀態后（即電流沒有明顯變化），記錄此時的電流值，確認整車在靜止狀態下耗電量。 2）低溫最低起動容量使用充電量為20%、30%、40%、50%的鉛酸蓄電池，在低溫-30條件下，測試整車的起動情況，考核蓄電池的低溫起動能力。 3）蓄電池自放電電流蓄電池自放電是電平衡的一個重要參數，不同的蓄電池廠商此電流會有不同，因此需要與蓄電池廠商共同確認，以保證設計時選型的定義。 4）汽車用電器負載測量將汽車以一般用電狀態運行30min，使汽車內蓄電池達到一定電量水平，保持蓄電池電壓基本穩定。這時測量各主要用電器在高功耗、低功耗和一般功耗的耗電量，尤其是最高值，以確保實測值與理論值吻合。 3.2動態平衡 動態平衡通過汽車電平衡道路試驗來驗證。通過測量汽車在各典型工況下發電機、蓄電池及用電器的用電狀態和車內各關鍵部件處的溫度狀態，來全面評測實車的電平衡狀態。道路試驗所需設備：數據采集器，電流傳感器（蓄電池充放電電流測量精度要達到0.2%以上，量程500A以內，采用閉口的電流傳感器，其它采用開口的電流傳感器），萬用表，筆記本計算機，數字采集軟件和通用蓄電池測試儀。 道路試驗測試參數：通過監控電流、電壓及溫度值，測量蓄電池充放電電流、發電機發電電流、用電器耗電總電流、發電機端電壓與蓄電池端電壓。另根據特殊要求測量點，測量蓄電池周圍溫度、發電機外殼溫度、環境溫度、車內溫度等。蓄電池預處理：先將樣車上的蓄電池拆下，用通用蓄電池測試儀以16V恒壓充電2h，然后以4A恒流充電1h，再以C2020A的電流放電到10.5V，測出蓄電池C20。在對蓄電池進行完全充電，然后以I20放電到蓄電池測量容量的50%，此時蓄電池內剩余50%的電量，測量蓄電池電壓。蓄電池電量與其充電電流關系密切，電量越低，充電電流越大，統一蓄電池電量，以保證試驗的一致性和可重復性。汽車負載確定：汽車運行時，其電氣負載常處于不同狀態，一般選擇高功率和低功耗進行試驗，不同功耗的定義見表2。因發電機發電能力與發動機轉速有關，而發動機轉速又與汽車行駛的工況有關，故在進行試驗時要對多種工況進行試驗。主要的試驗工況有怠速工況、城市工況、高速公路工況、山區公路工況。表3為各工況試驗目的。 3.2.1蓄電池電量比蓄電池電量比Q定義為 QQ后Q前 式中：Q前電平衡道路試驗前蓄電池內的電量（以20小時率容量表示）；Q后電平衡道路試驗后蓄電池內的電量（以20小時率容量表示）。若Q值大于1.8，則說明發電機容量設計偏大；若Q值小于1.4，則說明發電機容量設計偏小。 3.2.2蓄電池充放電比值通過分析蓄電池充放電比值，來確定汽車的電平衡狀態。在采集到的蓄電池電流中篩選出充電電流與放電電流，然后按下列公式計算K值。 式中：K蓄電池充放電電流比；in第n次充電電流數據，A；jm第m次放電電流數據，A；tn第n次充電電流采集間隔的時間，s；tm第m次放電電流采集間隔的時間，s。要求蓄電池充放電電流比K：1K1，一般功耗情況下要求K6。當K6時，發電機容量設計偏大。 3.2.3電氣動態特性曲線 電氣系統的動態特性曲線是在一個行駛循環下，蓄電池電壓隨蓄電池電流的變化。該特性曲線（包絡線）反映了蓄電池、發動機、用電器、溫度、轉速和發動機與發電機傳動比等各部件的相互作用。特性曲線主要從以下幾方面分析。1）縱坐標縱坐標的電壓值，是車輛起動后從蓄電池兩端測得的電壓，該值為發電機端電壓減去發電回路電壓降得到，定義為U。電壓U與發電機電流I的關系如圖5所示。由圖5可知，某一特定發電機轉速n對應In，當用電器電流IIn時，會造成電壓U大幅度地下降。 忽略發電機回路電壓降的影響，電壓U可表示為發電機電壓，該值與發動機轉速、用電器電流、發電機的溫度有關。蓄電池、發電機平衡狀態的電氣動態特性曲線如圖6所示。U0為發電機額定電壓，對于無電壓動態調節系統的發電機為14.40.1V，取U0=14.5V；對于有電壓動態調節系統的發電機，U0取發電機允許額定電壓的最大值。U1為發電機平衡狀態，發電機滿足用電器和蓄電池充電，裕量為0。從發電機效率分析，在U1之上為發電機有部分裕量，還有發電潛力；特性曲線盡可能地靠近U1，這樣發電機功率得到充分利用，又不會造成蓄電池虧電。對于有電壓動態調節系統的發電機，還應從其它方面（如充電電壓）設定U1的值，把U1定為13.5V。U2為蓄電池平衡狀態，發電機僅滿足用電器需求。在蓄電池平衡線U2之下，蓄電池處于放電較深、不飽和狀態，是不希望出現的狀態。考慮到試驗時蓄電池初始容量為50%，整車下線時，蓄電池容量要求達到90%以上，故U2定為12.5V。 2）橫坐標橫坐標表示蓄電池充放電電流，在發電機滿足負載需求條件下，分析橫坐標充放電電流與蓄電池的關系，通過試驗數據分析，-4040A比較合理。 3）縱軸右側比例城市高功耗電平衡試驗后，要求充電量要比放電量大，曲線在縱軸右側為蓄電池充放電電流大于0，蓄電池處于充電狀態，所以右側數據量應大于左側。通過以上分析，可以定義電氣系統動態特性曲線理想范圍，如圖7所示。矩形內為理想特性曲線分布范圍，所以城市高功耗工況理想電氣系統動態特性曲線應該是縱坐標值，主要分布在12.514.5V，橫坐標范圍應主要分布在-4040A。 當縱軸電壓在（U2，U1）和U1比例較大，發電機功率選擇偏小；當縱軸電壓90%以上在（U1，U0），發電機電壓偏高，發電機功率選擇偏大；當縱軸右側數據量占總數據量大于60%，（U1，U0）比例大于60%，發電機發電裕量小于5A，相對合理，可以保證車輛的電平衡。 3.2.4實車分析 根據奇瑞公司目前完成電平衡試驗數據進行分析，選出其中的6輛，作出動態特性曲線。根據特性曲線縱坐標電壓分布范圍，把曲線分成3大類，并對其電平衡進行分析。 類別1特性曲線如圖8所示，表4為類別1特性曲線縱坐標電壓分布范圍。 類別2特性曲線如圖9所示，表5為類別2特性曲線縱坐標電壓分布范圍。 類別3特性曲線如圖10所示，表6為類別3特性曲線縱坐標電壓分布范圍。 類別1：縱軸電壓在（U2，U1）和U1比例較大，都達到80%，所以發電機功率選擇偏小。 類別2：縱軸電壓90%以上在（U1，U0），發電機電壓偏高，發電機功率選擇偏大。 類別3：縱軸的變化范圍（U1，U0）占70%左右，（U2，U1）約30%，U1以上部分大于U1以下部分，保證蓄電池一段工況后能保持充電，選型較為合理。 4 結束語 發電機、蓄電池和整車用電器的供用電，是