智能充电系统对油耗测试结果的影响研究

王小臣，杨正军，于津涛

(中国汽车技术研究中心 北京100176)

智能充电系统对油耗测试结果的影响研究

王小臣，杨正军，于津涛

(中国汽车技术研究中心 北京100176)

介绍了智能充电系统的组成和基本控制策略。选取若干辆配备和未配备该系统的典型车辆，研究了系统对油耗测试结果的影响并分析其原因，随后测试同一辆车在不同 SOC的初始条件下的油耗变化，指出带有智能充电系统的车辆节油效果更加明显。

智能充电系统 油耗测试 蓄电池

0 引 言

汽车油耗的高低是其发动机本体技术与外在技术综合作用的结果。各大汽车厂商在努力改进发动机本体技术的同时，也一直致力于改进与提升典型机外技术。近年来日益兴起的机外技术，比较典型的包括启停装置、低阻力轮胎、智能充电系统、电动助力转向等，[1]这些技术对传统车辆油耗的降低有着很大的贡献。本文旨在通过对比试验，分析智能充电技术对油耗的影响。

1 智能充电系统

智能充电系统指在传统的发电机和蓄电池基础上引入了智能充放电控制策略，通过控制交流发电机输出电压和电流，最大限度减少发电机所使用的发动机功率。它包括智能充电和能量回收两个功能。

1.1 智能充电

智能充电在某些车型上也称作智能发电机调节器(Intelligent Generator Regulator，IGR)，这套系统由发电机、AGM 蓄电池、传感器及控制单元构成。[2]传感器用于测量 AGM电池的充、放电电压和电流，控制单元根据测量结果判断电瓶的充电状态(State Of Charge，SOC)和老化状态(State Of Health，SOH)，从而控制 IGR的调节过程。智能发电系统工作的核心是改变蓄电池的充电策略。传统车辆发电机始终对蓄电池进行 100%,充电，在恒电压模式下电流大小主要取决于发电机转速；而配备智能发电机的车辆，发电机不会始终对AGM蓄电池进行100%,充电，而是设定 SOCmin和 SOCmax，在车辆行驶过程中进行调节(见图1)。

图1 智能充电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of an intelligent charging system

如图1所示，当电瓶电量低于SOCmin时，IGR以最大电流 100%,输出，一方面满足车辆用电器需求，一方面给 AGM电瓶充电；在车辆正常行驶时，通过调节发电机输出使电瓶电量维持在SOCmin和SOCmax之间，电池既不充电也不放电，发电机输出只为用电器供电；电池电量超过 SOCmax时，用电器绝大部分由蓄电池供电，发电机输出最小。

1.2 能量回收

在车辆滑行期间，当发动机转速和车速都超过设定值时，利用车辆的动能通过车辆和发动机作用在发电机上，从而产生电能。IGR向发电机提供最大励磁电流，发电机输出最高电压，充分利用制动时回收的能量给蓄电池充电。

2 试验说明

2.1 测试设备(见表1)及试验方案

本试验分为两类：①冷车试验，按照法规预处理后在环境仓 25,℃恒温条件下浸置 12～16,h后开始试验；②热车试验，即通过 80,km/h匀速行驶，使水温、油温达到平衡状态后(1,min内变化小于 1,℃)，开始进行试验。

表1 测试设备及用途Tab.1 Test equipment and their applications

2.2 不同SOC状态电瓶的准备

SOC用于描述电池剩余电量，是电池使用过程中的重要参数。美国先进电池联合会(USABC)在其《电动汽车电池实验手册》中定义 SOC为：电池在一定放电倍率下，剩余电量与相同条件下额定容量的比值，即：

SOC＝Qc/Cf

式中，Qc为电池剩余的电量，Cf为电池以恒定电流I放电时所具有的容量。SOC＝100%,表示电池为充满电状态，SOC＝0则表示电池已处于全放电状态。

本试验将事先通过专用充电器对电瓶充电 8,h以上直至充电电流＜0.2,A认为该电瓶已充满，然后通过专用放电设备进行等电流放电，监控放电电流并对时间积分得到放电电量 Q1(Ah)，除以电瓶上标注的额定电量 Q(Ah)，得到不同状态 SOC＝1－Q1/Q的电瓶，然后分别测试不同 SOC状态电瓶对带有智能发电系统车辆油耗的影响程度。

3 试验结果及分析

3.1 不同电量状态对带和不带智能充电系统车辆油耗的影响

选取 3辆带智能充电系统的车辆(编号分别为1#～3#)，试验前分别充满电并静置放电使电量不足，分别在凉车时对比充电和不充电时的油耗，并选取 2辆普通不带智能充电系统车辆(编号分别为 4#和5#)进行对比，结果如表2所示：

表2 配备和不配备智能充电系统车辆在未充电和充电后冷车油耗测试结果Tab.2 Cold test results under incomplete charging and full charging condition with/without an ICS

从表 2的 1～3行可以看出，3辆带有智能发电机能量回收发电机的车辆在充电和不充电两种工况下进行试验，油耗结果出现较大偏差；如果试验前不加以限制规范，带有这种智能充电的车辆在进行油耗试验时，由于 SOC状态不确定从而导致结果的一致性很难保证；对于带有智能充电系统的车辆，初始蓄电池电量状态会直接影响油耗试验结果，本文中的样车油耗偏差最高接近 10%,；从表 2的最后两行可以看出，对于4#和5#两辆不带有智能充电系统的车辆，初始蓄电池电量状态不会直接影响油耗试验结果。

3.1.1 带有IGR车辆的模态分析

图2和图3为1#车辆完全充电和未充电时的工况曲线图。从图 2可看出，车辆在完全充电后行驶的前 600,s内，发电机始终没有电流输出即没有功率输出，车辆始终用的是电瓶电量，电瓶电压从 12.36,V逐渐降低至 12.31,V，从 600,s开始，电流逐渐加大，随着不同车速转速电流在 10～40,A之间波动；在1,140,s附近时，当车速从 120,km/h向下滑行，通过激活制动回收电流增至 100,A，发电机以最大功率输出，充分利用回收的动能对电瓶充电，充电电压也达到 13.05,V 左右，在此试验过程中，燃油消耗量为7.5,L/100,km。

图2 1#车辆完全充电时电压电流曲线Fig.2 Voltage and current curve of 1# vehicle under full charging condition

图3 1#车辆未充电时电压电流曲线Fig.3 Voltage and current curve of 1# vehicle under incomplete charging condition

图 3表示 1#车辆试验前未充电，从启动开始至400,s左右时，充电电流始终在 80,A左右，充电电压也在 14,V，发电机始终在较高功率输出，后期电瓶电量增加并超过 SOCmin限值，充电电流减小至 20～60,A，电瓶充电电压也为12.6,V左右，此工况试验油耗测试值为8.1,L/100,km。

3.1.2 不带IGR车辆的模态分析(见图4、5)

从图4和图5可以看出，对于不带IGR功能的5#车辆来说，无论车辆试验前是否充电，其发电机输出电压始终为 14.4,V左右、100%,的充电模式，虽然上图充电电流在前 800,s由于负载小而比下图略少，但对最终油耗结果基本没有影响。

图4 5#车辆完全充电时电压电流曲线Fig.4 Voltage and current curve of 5# vehicle under full charging condition

图5 5#车辆未充电时电压电流曲线Fig.5 Voltage and current curve of 5# vehicle under incomplete charging condition

3.2 不同 SOC状态对带有智能充电系统车辆油耗的影响

在试验开始时，只是将电瓶静置放电至 SOC为70%,～80%,左右，并没有精确测量，为了进一步准确对比同一辆车在不同 SOC状态下，电瓶电量对油耗的影响，针对 2#车辆使用了 3块容量为 70,Ah的电瓶进行热车状态下的工况油耗试验。3块电瓶首先均充满，然后将2#和3#两块电瓶分别以5,A的恒流放电方式分别进行放电，一块放电 3,h，另一块放电5.5,h，放电同时接上功率计对电流进行采集并积分显示总放电量，因此3块电瓶容量见表3。

表3 将3块电瓶分别放电至不同SOCTab.3 Discharging 3 batteries to different SOC states

不同于冷车状态下的测试，本部分试验用3块电瓶分别在热车状态下进行油耗试验，结果如图 6，分别为7.0,L/100,km、6.2,L/100,km和5.9,L/100,km。

图6 2#车辆在不同SOC状态下工况油耗Fig.6 Fuel consumption test result of 2# vehicle under different SOC states

目前，我国现行标准对试验前车辆是否允许充电并未加以限制，而从上述数据中可见，对于带有智能充电系统的车辆，不同 SOC状态下油耗会有很大差别，2#车辆在 60%,SOC和 100%,SOC的不同电瓶状态下油耗相差可达15.7%,，因此在认证试验前应规范SOC状态。

3.3 理论验证

为验证在循环工况测试中发电机消耗功率占发动机输出的百分比，特针对 1#车辆记录以下数据并根据下列公式进行计算：，发电机输出端电压和电流的乘积即为发电机的输出功率，此输出功率在整个循环工况中进行累加即得到发电机的输出电能，kJ；

1#车辆在充电和不充电时，在整个 NEDC在1,180,s的过程中，发电机输出电能以及发动机输出能量如表4所示：

表4 1#车辆发电机电能和发动机能量Tab.4 Generator’s electricity and engine’s power of 1# vehicle

可以看出，发电机在整个NEDC过程中耗费的能量可占到发动机总输出能量的16.4%,，因此使用智能发电机在 NEDC整个循环中如果始终不工作或处于低负载状态最多可以节省 10%,左右的燃油，这与试验结果也是相符的。

4 结 论

①对于带有智能充电系统的车辆，在试验前将电瓶充满电则节油效果明显；而对于不带有智能充电系统的车辆，初始蓄电池电量状态不会直接影响油耗试验结果。②带有智能充电系统的车辆充电和不充电两种工况下试验，油耗结果出现较大偏差；如果试验前不加以限制规范，由于 SOC状态不确定从而导致结果的一致性很难保证。③同一辆车试验前初始SOC状态不同，油耗差值可高达 15%,以上。④为保证合理反映带有智能充电系统车辆的真实油耗水平，不建议在试验前对蓄电池进行充电，同时也应该避免车辆在极度馈电的状况下进行试验。建议在预处理之后检查确认好蓄电池的电量状态，预处理之后不再对车辆蓄电池进行外接充电。

［1］ 李伟，于津涛，杨正军. 典型机外技术对工况法油耗测试结果影响的研究[J]. 天津科技，2014(4)：34-37.

［2］ 程丽群. 宝马E70车智能化发电机调节装置[J]. 汽车维护与修理，2009(8)：64-65.

［3］ 国家环境保总局. GB,18352. 3—2005：轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)[S]. 北京：中国环境科学出版社，2005.

［4］ 国家质量监督检验检疫总局. GB/T 19233—2008 轻型汽车燃料消耗量试验方法[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

The Impact of Intelligent Charging System on Fuel Consumption

WANG Xiaochen，YANG Zhengjun，YU Jintao
(China Automotive Technology and Research Center，Beijing 100176，China)

This paper describes the structure and control strategy of an Intelligent Charging System(ICS)．Several typical vehicles with and without ICS were selected and studied regarding its influence on their fuel consumption. Then，fuel consumptions of the same vehicle with ICS under different battery initial SOC statuses were probed．It was concluded that vehicles with ICS have better efficiency of fuel saving.

intelligent charging system；fuel consumption；storage battery

TK417

A

1006-8945(2016)01-0056-04

2015-12-20