5～清晰版-整车开发中的汽车电量平衡的设计与验证-邓恒

精品文档 1欢迎下载 注 此文已发表在内燃机注 此文已发表在内燃机 2006 62006 6 期 期 可参考文库中同名杂志扫描版文章可参考文库中同名杂志扫描版文章 不不 太清晰 所以应读者要求再次上传太清晰 所以应读者要求再次上传 wordword 版版 整车开发过程中供电系统的设计与验证整车开发过程中供电系统的设计与验证 针对汽车的电量耗用平衡的分析针对汽车的电量耗用平衡的分析 摘要 汽车上的供电系统 CHARGING SYSTEM 设计与验证是汽车设计与生产之 初的最重要环节之一 它关系到整个汽车的所有电器执行器 电控单元 ECU 传感器的 工作 及汽车启动性能 本文对世界范围内的供电系统相关零部件 及整车进行电量耗用 与供给分析 本文涉及到温度电耗的关系分析 CAD 建模的空间需求与电量关系分析 电 量平衡数学模型的建立 数据采集实现方式 用户路况行驶概率统计 发动机转速概率分 布 关键词 系统设计 电量平衡 冷启动 比例优化 问题提出 广义的说和汽车充放电系统 这里只讨论的汽车不包括混合动力类车 辆与使用驱动类蓄电池车辆 是指与充放电有关的汽车零部件 蓄电池与发电机 启动马 达 而耗电系统是指所有的用电器 按使用情况可分为连续用电器 如喷油器 冷却风扇 长时间用电器 如收音机 导航系统 短时间用电器 如电动天窗与喇叭 而不同的汽 车状态 如启动和行驶 气候 如夏季或是冬季或雨天 路况 如高速公路或市效 一 精品文档 2欢迎下载 天中时段 白天还是夜间 不同的汽车使用习惯 都会造成不同的用电器的使用组合 造 成不同的用电器用电需求 而不同的气候和路况同样会造成不同的供电系统的系统供给性 能 为使全部系统在任何的气候和路况下都可靠工作并且具有一定的抗突发性能力 我们 必须考查耗电与供充电系统的相互制约关系 交流发电机的输出 蓄电池的容量 启动机 的电能需求以及其它电器负载 都必须尽量合理地相互得当匹配 一 供电系统供电原理 1 发电机 ALTENARTOR 1 1 非线性函数性 如下图 1 为日本某电机厂家交流发电机电流性能曲线表 我 们取 25 热稳定态曲线图 在怠速发动机转速 N1时 假定怠速汽车发动机转速为 750REV MIN 皮带无滑差率 轮速比 pulley ratio 为 2 66 对应图上输出电流为 IN1 49 安培 IN2 110 安培 电流是随转速变大的 但是定子有一定的阻抗 Z Z r2 X2L L 2 fL 其中 r 为绕组的电阻 XL为感抗 f 为电动势频率 L 为电感 由于随着转速的变大 XL变大 导致阻抗变大和发电机的电枢反应 使内部压降 增大 所以电流只可能随转速增加到某一限值而不在增加 图 1 上述 49 培是怠速 NI的输出 仅为额定电流 取 6000rev min 为额定值计算 的 60 如果负载消耗的电流大于此时交流发电机提供的电流 Ig 则蓄电池放电会增加来补偿 电器负载的需要 这一特性反应在整车试制领域中就体现了电平衡在不同工况 比如上海上下班车 流高峰和浦东机场高速公路 不同终端用户使用习惯 比如年轻人喜欢快节奏 而有人喜 欢中速 下的输出性能差异 1 2 温度变化性 100 时的输出特性曲线在高速运转区小于 25 由于发电机 内在结构 及其电磁的特性决定了其在高温时输出变小的特征 这一情况反应在整车试制 领域就体现为电量平衡的季节性差异化 2 蓄电池 BATTERY 2 1 温度性能变化性 蓄电池放电在是通过电解液与极板之间的化学反应完成的 例如铅酸蓄电池 是通过正极板 价铅置换成 价铅 负极铅单质迁移到正极变成 价 整个过程在极板和电解液间进行 而随着温度降低电解液的粘稠度变大 从使蓄 精品文档 3欢迎下载 电池的内阻变大 同时导致低温时电化学反应十分缓慢 从而影响蓄电池的性能 此性能 特性正好和发电机相反 发电机是降温时电性能上升 这一情况反应在电量平衡就是冬季 低温试验 3 起动马达 STARTOR 图 2 3 1 瞬间电流非常态性 此为博士起动电机转矩 touque 电流图 由于起始时 要克服发动机的静态摩擦力 此转矩与发动机的气缸数 压缩比 冲程 气缸直径 曲轴 及活塞等活动件的质量等等有关 所以此转矩要求很高 瞬间电流很大 一般民用轿车笔 者经验值在 300 800 安培之间 汽车成功启动后电耗一般小于 100 安培 此情况反应在 电量平衡上就是蓄电池的起动性能要能满足汽车的要求 3 2 低温高要求性 由于低温导致发动机的机油粘稠度上升 故起动电流变大 此种情况就需要电平衡试验考虑专门在低温时试验 二 汽车电系统 PROTOTYPE 设计思路 1 满足低温启动的整车性能 在设计汽车之初必需设计 假定出与启动系统对应参 数群 此点是设计汽车电系统的第一步 具体参数包括 车辆拟销售的国家及区域冬季温 度图谱 B 发动机的在此温度图谱下各温度点对应的最低对应启动转速 C 能够在 B 的条件 下提供 C 转速的启动机 E 些启动机的最大启动电流 D 根据 D 来的瞬间需求来选择蓄电池 的瞬间能力 A1 来考查决定使用哪一定供应商蓄电池 流程如下 B 和 设计 E E 推出 D D 设计蓄电池 蓄电池 A1 C 2 CAD 空间装配设计 由于一般汽车设计之初无实体样件 故只能依靠于 CAD 虚 拟设计 故有以下几点在设计时须要重点考虑 2 1 电能空间极限输出设计 空间直径的大小决定了蓄电池和发电机的输出最大 极限值 在发电机设计时 性能的最大输出由定子的外径决定 例如雷米 REMY DR 系列 电机定子半径约为 68mm 此电机 6000 转 分 25 热稳态输出很难大于 120 安 如果你的引 擎预留给发电机的空间半径一定的 那么其输出极限值也是一定的 当然有的发电机厂商 的电机输出密度很高 比如日本电装 DENSO 使用带状线圈 CIOL 技术来减小占用空间 从而提高输出密度 但是成本相应的高很多 对于国内一些以 成本领先 为采购原则的 整车企业来说可能是个负担 所以根据发动机部给定的空间直径可以计算出最大输出极限 值 根据此值来选择供应商与供应商产品系列 2 2 发动机动态振动设计 在整车设计中 CAD 建模一般都是含有静态的相对位 子关系 很多工程师在设计之初忽略了发动机虚拟动态分折 特别是当整个发动机体安装 精品文档 4欢迎下载 于白车身的托杆的材料为非刚性材料时 振动是相当的大 有的发动机最大的可达到 35MM 特 别是像是 PASSAT 这种高级轿车的发电机和固定于白车身的冷凝系统的距离 CLEARANCE 相当近的情况下 这种 CAD 静态数模无法反映的问题就有一定的危害性了 可能产生干涉 或是在重新设计时必须减小发电机直径 从而引影响了整个汽车的电量平衡 后果不堪设 想 做虚拟动态分析的软件很多 比如一些专门 CAE 分析软件 甚至可以用一些高级数模 设计软件 比如在航天和汽车领域的 CATIA V5 的 ANALYSIS 模块等 因此 在设计之初一 定要除去这个动态间距 把余下的空间做为发电机输出极限空间 2 3 安全性预留设计 如果车辆的目标客户是欧洲 那么必须满足欧洲的一些安 全标准 比如一些汽车公司设计汽车时就会考虑到欧洲一些碰撞空间预留标准 如欧洲 NCAP 汽车组织的五星 FIVE STAR 级碰撞标准里硬性要求的蓄电池体与引擎仓盖间距必 须大于 80 100MM 才能合理的保证人身安全 这种预留性设计一定要考虑到 如果一旦投 产 或是重新定义客户群 此改动所引起费用相当的大 特别是空间不够时 这方面中国整 车出口企业也有过类似不满足国外空间标准问题的困扰 所以在设计之初一定要充分考虑 这些标准化要求 3 环境空间温度 环境温度在设计过程中决定产品的选择 例如在 PASSAT 1 8T 涡轮增压发动机系列 发电机的环境温度比较宽松 在车体前进方向有冷却系统的风扇 在反方向有一个很大的空间 十分有利于散热 而在很多车型中 四缸涡轮增压系列发动机 设计过程中 PT 设计人员常常把空间设计的十分紧凑 而且在该车中发电机侧体是隔热罩 隔热罩后面是排气管 环境十分恶劣 我们来看看在怠速实验下来的此处的温度图谱 由于到达 110 时发动机仓冷却风扇自动运行 ECU 控制 所以有温降 综合上 图温度接近 110 所以在选择发电机时一定要预先测定或是从 PT 部门得到该值 从该 值要求来选择调节器芯片 如有的芯片做耐久性实验时只能耐受到 110 而有的可以达 到 125 而且环境温度决定了输出 如果该车的发电机环境一直处于高温 那我们的考 查侧重点就在于高温输出曲线区域 4 蓄电池静态放电能力及售前维护间隔时间设计 在汽车设计之初一定要考虑整 车静态的放电电流 因为在汽车停车期间 虽然车体机械部件停止运行 但是电子控制模块 ECU 还在继续运行 单片机等嵌入式系统的运行还需要断续供电 PASSAT 等高级轿车 都是 20 个模块以上 实验情况来看 例如一般性高级轿车的静态电流可以达到 0 01 0 1 安培之间 视车型的具体高低配置而定 所以从客户的角度讲 是不希望模块 ECU 的 电耗而引起汽车启动能力下降 由于车体长时间放置而无高速公路上的充电行车机会 蓄 电池很有可能因为模块的电耗而无法启动汽车 尤其在中国北方寒冷区域 例如黑龙江省 与河北省 这种情况在很多中国北方汽车试验厂都遇到过无法启动 所以我们一定要在汽 精品文档 5欢迎下载 车进入市场前考虑到此静态电量平衡问题 可以通过实车实验 也可以通过理论放电量计 算来获得蓄电池设计要求 这一点同样存在于售前存量产品维护中 针对此点 我们必需根据物流部门或是 产品维护人员 DEALER 的维护能力设计蓄电池的静态放电能力 比如某个汽车 4S 店的维 护周期是平均每一个半月充电一次 那么设计之初的放电能力一定要满足要求 5 地域性用户用车习惯的统计 用户使用习惯常常决定着电量耗用的情况 注意 这里电系统设计关心的不是用户习惯性开启用电器的数量 而是在开启用电器时的整车使 用情况 比如有些用户喜欢躲在车内听歌 有些司机喜欢在堵车时开启车内电视 有些地 方常常下雨而且堵车 这些情况都会导致低速或是怠速的用电量 尤其是夏天下雨天的夜 晚堵车 在车内看 DVD 视频或音响 这是十分恶劣的一种情况 这种情况很有可能发生 比如多雨车流量大而且夏季比较长的伦敦 上海也是同样的情况 这种使用习惯或是情况 下 主要用电器有雨括 音响 视频 冷凝系统风扇 大灯 空调控制系统 像一些国产 高级轿车开车默认开启的车窗加热器 几十个传感器 电力转向系统 EPAS 冬天了还会 有座椅加座等等 都是在汽车怠速时开启 耗电大 而供电吃力 这样很有可能导致汽车 的电量不平衡 让蓄电池始终处于馈电状态 发电机处于低供电状态 从而让汽车关闭后 的再次启动时产生启动失败 因此 一定要考虑不同地域或是目标客户地域的用车习惯 统计各种路况运行模型 这是整车电平衡系统设计中最关键一环节 如果此环节设计失败 将对整车厂是一个灾难性的打击 因为无数的车辆会无法启动 6 充电系统搭配方式设计探讨 充电系统电量平衡设计本质就是优化充放电比例 我们可以比较 Iin Tin 与 Iout Tout 根据优化需要程度 对以下函数 K 进行赋值 K Iin Tin Iout Tout 其中 Iin Iout 分别是在 T 内的蓄电池平均充放电电流 而充放电比例与发电机与蓄电池的配比有相当大的关系 在供电系统设计时非定 量化的可以统计为两种搭配情况 第一种是大交流发电机和小蓄电池模式 第二种是小交 流发电机和大蓄电池模式 蓄电池 交流发电机 负载 温度 发动机转速以及发动机 交 流发电机速比之间的相互关系确定了系统的动态响应特性 这个特性是动态的 因为它随 着各个参数组合以及各组运行工况而变化 我们把一台数据采集仪连接到轿车蓄电池的接 头上 进行城市道路循环 CITY TRAFFIC CYCLE 试验 可以画出动态响应特性曲线 然后我们再来看看世界各大厂商的供电系统搭配情况 表 是关于各款世界知名 汽车的典型应用情况 可以看到两个搭配方法都有应用 沃尔沃 V40 福特西亚特 精品文档 6欢迎下载 1 9TDIWINDSTAR3 8IAROSA1 7SDI 发电机 A 8013070 蓄电池 A H 725861 表 7 从笔者从事供电系统设计的经验来看 笔者推荐使用第一种 因为第一种配合更 具有更高的可靠性 主要有以下几点理由 最低电压较高 从上面实验结果看来情况一中的 12 6 伏远大于情况二中的 12 1 伏 这样可以保证用电器的正常工作 提供更为优秀的舒适性 蓄池可以处于充电状态比例较多 由于发电机电量充余 所以蓄电池处于充电 状态比例较多 蓄电池处于充电状态有利于整车电平衡 使启动失败的可能性降到最低 充放电电流波动范围较小 充放电电流波动较小有利于蓄电池的使用寿命 适用范围较大 小交流发电机如果销售到高速公路较少的区域如一些发展中国 家或是小城市 会导致充电过少 而大交流发电机就不存在这个问题 适用面宽 7 电量设计的未来兼容性 随着电子和微电脑的发展 未来汽车发展方向很大一 部分都体现在汽车电子上 电器件电量耗用变多是发展必然 随着 CAN 总线 LIN 总线及 MOST 娱乐总线技术的发展 更高级轿车和未来的发展方向很可能 100 个模块以上 而控制 模块 ECU 中 FLASH 等记忆体与执行部件都有赖于电压的稳定 而传感器的反馈精度也与 工作电压有直接关系 因为当启动汽车时 蓄电池必须产生 300 800 安培的电量供启动使 用 此时伴随着电压降会严重影响控制模块的正常工作 而在汽车成功启动后 电流消耗 ECU 是最小的 此工况下蓄电池的容量成为主要矛盾 而同时对上述两个要求进行优化是 十分困难的 所以在未来的汽车供电系统中 很有可能会有两个蓄电池 现在上海大众 SHANGHAI VW 的某些车型已着手设计双蓄电池系统 分别用于启动和启动成功后的正常应 用 这样即使在普通用途的蓄电池放电达到其容量的 时 仍有可能避免起动过程中 产生的电压降 从而保证了可靠的冷起动 三 汽车供电系统的设计判定与检验方法 1 验证蓄电池的起动能力 常温 首先使发动机启动不能 启动不能的方法很 多 笔者所使用的方法是切断火花塞供电电路 然后用特定容量 标准规定值 例如为 通常为一百分数 的蓄电池安装于实车上 再持续启动汽车 判定方法是检查蓄电 池的连续大电流 300 800 安培 启动放电能时间 同时规定曲轴转速不能小于一规定值 上面是宝马 BMW 汽车公司的验证方法 当然各公司的方法各有不同 但是总体 思路是一致的 2 验证静态放电时间 放置汽车一段时间 如 6 周或更长 依公司要求而定 来 测试蓄电池的容量 并且试验完成后能够成功启动汽车 3 发电机供电失常故障模拟试验 虽然优质的发电机故障率很低 但是做为一个 汽车开发者来说 任何情况都是需要考虑到的 在发电机失效时 只能依靠蓄也池供电 在用电器部分开启情况下 使发电机 B 端子断路 计算蓄电池能持续供电时间 通过持续 时间长短来考核维持电平衡和抗故障能力 4 各种工况循环试验 此试验为电量设计中最为关键的考核试验 此试验每个整 车企业都会进行 但是方法不尽相同 有时甚至差别很大 笔者考查了博士 BOTCH 宝 马 BMW 法雷奥 VALEO 上海通用 GM 的试验方法 并亲身经历了此试验的整个过 程 因为此试验方法及参数一般都是做为各公司的高度保密的知识产权资料 所以笔者只 从学术研究的角度对这些问题进行原理性分析 精品文档 7欢迎下载 从以上几种方法总体来看 五种方法的总体思路就是按季节和工况分别进行分类 试验 各有特点 法雷奥公司注重夏季性能 博士公司注重冬季试车 宝马的进行的是环 境模拟台架试车并使用转毂 ROLLER 而通用则是实车露室 上图则是 ECE 欧洲标准要求 的电平衡行车速度要求 原因笔者也做了一些分析 如果车辆里有车窗加热 前后窗除霜 座椅加热等 则必须关注冬季试验 而如果汽车的冷却系统电耗巨大 如很多高级轿车的 旗舰版 仅风扇可以达到近 500 瓦的功率 所以必须关注夏季试验 虽各厂商的试验标准 千差成别 但判定标准都惊人的相似 都是以数据采集设备 DATA LOG 采得的整车充电 和放电总和的统计为判定结果 四 总论 在汽车设计阶段 供电系统设计的关键就是电量平衡设计 要充分考 虑上述各点产生的影响 因为电量耗用是一个动态的过程 要尽量保证蓄电池的充电 另 一方面 也不能为了满足充电要求 无限制的增大发电机的容量 这样更会影响油耗标定 等方面的汽车性能 要平衡各因素的影响 要通过计算机模拟计算和实车路试来完成供电 系统的电量平衡的设计任务 引用文献 BOTCH automotive handbook5th edition 2004 版 Horst Bauer 汽车电气与电子 北京理工大学 2004 07 版 杨生辉 汽车电器与电子技术 国防工业出版社 2004 中华人民共和国标准 第 QC T 29094 92 号 汽车用交流发电机技术条件 精品文档 8欢迎下载 邓恒简介邓恒简介 Power Power supplysupply systemsystem 简介简介 邓恒邓恒 一直在上海汽车 600104 从事汽车电子电器设计 开发 试制 故障 处理等工作 8 年 后从事混合动力 电动车的全车电子电器项目开发项目管理 工作方向 工作方向 起动机 发电机 蓄电池 电源管理 电池模型 电机建模 ROTS 基 础软件与嵌入式软件开发 快速原型 ECU 开发模式 锂电池替代系统 逆变器 DC DC 电流传感技术 汽车供电系统优化 供电系统模型与仿真 汽车能源使用效率优化 电 源节能 汽车用电 PMU 策略及分配 设计阶段中的整车用电器整体布局 发电 机 蓄电池 起动机 及电源管理模块 ECU 分电系统 及其它发动机附件 自主品牌开发或国产化工作 42 伏应用 先进电源开发 微中重混电源选择 一体机与超级起停式起动机系统的开发 研究方向研究方向 电机学 项目管理学 电池化学 电力电子 标准编写标准编写 第一起草 汽车电原逆变器 汽车座椅调节电机 国家行 业标准 参与讨论 发电机 起动机 标准 已获专利超过已获专利超过 2020 个 其中发明专利至少个 其中发明专利至少 1515 个 未仔细统计过 个 未仔细统计过 工作内容 工作内容 1 建立了首个适应中国的电量匹配验证方法 首次提出风洞室 环模室 电量匹配仿真试验 实现了在试验室里完成整车试验的飞跃 而且更准确的完 成了供电系统各