整车电量平衡计算

谈汽车电平衡的设计计算及验证方法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 1 汽车电平衡的设计方法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 2 关键零部件的计算选型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 2 60 根据传动比 i 和齿轮的啮合效率 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 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 类 类和 类 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 类为安全行驶必备的短期使用的用电器 如 转向灯 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 i 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 3 汽车电平衡的验证分析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 1 K1 一般功耗情况下要求 K 6 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 4 结束语结束语 发电机 蓄电池和整