某微型车整车电量平衡试验方法研究

杨 坤,董秀辉,王 杰,刘吉顺,郭 栋,唐 鹏

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院， 山东淄博255049；2.中国第一汽车股份有限公司技术中心， 吉林长春130011；3.阿尔特汽车技术股份有限公司， 北京100076)



某微型车整车电量平衡试验方法研究

杨 坤1,董秀辉2,王 杰1,刘吉顺3,郭 栋1,唐 鹏1

(1.山东理工大学交通与车辆工程学院， 山东淄博255049；2.中国第一汽车股份有限公司技术中心， 吉林长春130011；3.阿尔特汽车技术股份有限公司， 北京100076)

针对微型车整车电量平衡日益重要且无统一标准的现状，从整车使用角度出发，结合整车电器配置，对整车电量平衡影响因素及试验方法开展分析，提出了适用于目标车型电量平衡测试的12种测试工况及电量平衡验证标准，搭建了整车电量平衡测试平台，并在三亚、黑河、北京开展了为期一年的实车道路测试。试验结果表明，所搭建的整车电量测试平台及提出的验证标准可以满足整车电量的测试要求，经试验测试合格的车辆，行车过程中蓄电池电流保持在-3A左右，发电机电流小于额定值，车速变化平稳，投放市场后电量平衡均能满足要求。相关试验方法对其他微型车电量平衡测试具有一定的借鉴意义。

微型车；电量平衡；试验方法；道路试验

0 引 言

随着人们对整车舒适性、安全性和可靠性需求的提高，整车电器设备越来越多[1]，而且整车使用条件、行驶工况越来越复杂[2-3]，这给整车电量平衡带来了新挑战[4-6]，尤其对微型车的影响更为明显。因为这类车型发动机功率较小，发电机负荷特性对发动机的工作特性影响较大，这也就为微型车的电量平衡提出了更高要求[7]。另外，随着车用电器设备的不断增加，用电设备对电源系统的需求也在发生变化，很多电器并不需要同时工作，这也要求不能再通过简单叠加长期工作制电器负载的额定功率来分析整车电量平衡，而需要根据整车运行工况进行合理分配，从而实现电器系统的优化配置[8-9]。这使得仅通过简单的理论验证已无法满足整车电量平衡验证需求，给整车电量平衡验证提出了新要求。因此，目前整车厂在完成整车电量平衡设计及理论验证后，都需要进行大量的道路试验，而如何设计覆盖多工况整车电量平衡需求的试验方案成为关键。本文基于上述需求，针对某款自主开发的微型车，对整车电量平衡试验方法开展了系统研究。

1 整车电量平衡原理

整车电量平衡的基本原理如图1所示，其目的是保证整车电源系统电能供给与电器电能消耗之间的平衡关系，主要包括如下三项内容[9-15]：

①静态电量平衡：要求整车静态电流小于规定门限值，以保证整车放置规定时间后，蓄电池电量可以保证车辆可靠起动；

②起动发动机：要求发动机冷起动满足要求，尤其在高寒地区的冬季；

③动态电量平衡：正常行驶工况下，整车供电系统应能随时满足整车用电需求，且蓄电池电量应高于规定门限值。

其中，静态电量平衡和冷起动发动机测试主要用于验证蓄电池的性能参数；动态电量平衡测试主要用于验证发电机的性能参数。测试时尤其需要关注整车用电功率较大的工况，如夏季怠速、夏季雨夜、冬季怠速、冬季雪夜及夜晚行车等典型城市循环工况。

图1 整车电量平衡原理图

2 整车电量平衡影响因素分析

汽车电器按使用条件不同，可分为三种类型[7,11]：

第1类是汽车行驶过程中无条件长期使用的电器，包括必须使用的电器，如发动机电子控制单元(ECU)、车辆正常运行所必需的传感器/执行器等，这类电器无需选择，在电平衡试验中一直工作；

第2类是汽车行驶过程中有条件长期使用的电器，如空调、电加热座椅、照明灯等，根据整车配置，这类电气负载在试验中通常选择耗电最大的方式工作；

第3类是随机使用的电器设备，如喇叭、电动门窗等。

根据整车电器匹配及前期实验积累发现，发动机、蓄电池、预热起动系统、空调系统、刮水系统及照明系统受使用条件影响较大，且对整车电量平衡影响较大。因此，本文首先通过部件实验对其影响因素进行了分析，明确了各自的关注特性和相应的影响因素，如表1所示。

表1 整车电量平衡影响因素

在表1的基础上，为了制定合理的整车电量平衡测试方案，以覆盖实际应用情况，本文基于前期积累，对各影响因素的测试方案进行了分析，结果如表2所示。通过组合各试验变量的实验方案，即可设计试验工况。

表2 整车电量平衡影响因素的测试方案

3 整车电量平衡试验工况研究

3.1 驾驶循环设定

由于车速决定了发动机转速，最终决定着发电机转速和功率输出，因此整车电气系统用电情况与驾驶循环有直接关系。而城市工况是考核整车电气系统用电平衡情况的最典型工况。本文基于前期经验及实车应用情况，设定所采用的驾驶循环如下：

①ECE15模式 (欧洲城市道路工况)[16-17]：该工况可基于环境仓或实车道路试验开展，每次试验共分6个大循环，每个大循环由4个ECE15循环组成，ECE模式及具体工况循环设定如图2和图3所示。

图2 ECE15模式(欧洲城市道路工况)

图3 单次试验循环工况设定

②匀速/怠速工况：根据前期实车测试经验及相关企业标准，本文按照图4所示工况验证匀速/怠速工况下的电量平衡，相关工况如图4所示。

图4 匀速/怠速工况设定

③拥堵路况：选择北京市中心路段开展实车测试，以验证拥堵工况下的整车电量平衡。

④高温工况：选择三亚市开展夏季实车测试，以验证高温环境下的整车电量平衡。

⑤高寒工况：选择黑河市开展冬季实车测试，以验证高寒环境下的整车电量平衡。

上述五个驾驶循环下均同时进行静态电量平衡测试。

3.2 电器设备测试操作规范设定

随着车用电器设备的不断增加，传统的通过简单叠加长期工作制电器负载的额定功率来实现整车电量平衡已不符合实际情况，且会造成蓄电池、发电机等匹配过大，因此，测试过程中的电器设备测试操作规范对于测试结果的可用性至关重要。本文在前期积累及大量市场调研、统计分析的基础上，基于一汽技术中心前期多个车型电器设备测试操作规范的大量积累，结合目标车型的实际情况，根据不同试验环境及较大能耗负荷情况开展电量平衡试验，总结得到了整车电气设备测试操作规范，如表3所示。

表3 电器设备测试操作规范定义表

3.3 测试工况研究

综合电器设备测试操作规范、驾驶循环和环境等试验变量，得到表4所示的测试工况表。

试验工况5、试验工况6、试验工况11和试验工况12主要在其他工况测试合格后开展，它们不对电器设备测试操作规范进行约束，要求在特定城市的自由路况下开展整车夏季/冬季道路试验，完全按照实际情况操作。夏季试验的基本要求为：平均环境温度30 ℃，驾驶室密闭情况下，室内温度能够平衡在20 ℃。对于冬季试验的基本要求为：平均环境温度-25 ℃，驾驶室密闭情况下，室内温度能够平衡在10 ℃。

表4 测试工况表

4 整车电量平衡测试平台搭建

本文目标车型为一汽集团自主开发的某款微型乘用车。为了完成电量平衡测试，搭建了如图5 所示的整车电量平衡测试平台。图5中,笔记本电脑、数据采集仪、12V/220V逆变器均为外加测试设备，因此由备用蓄电池供电，以便保证原车电量平衡测试的准确性。其他试验设备包括：CANoe、电控系统开发工具、信号转换器、HIOKI8855型数据存储记录仪、HIOKI电压探头、FLUKE80i-110s型电流钳、K型热电偶、NFS300型逆变器、设备电源(12V/100 A·h车用蓄电池)、简易直流充电机、比重计、自制测试延长线等。其中，CANoe用于采集整车CAN线信号，主要包括发动机转速、车速、油门开度、发动机水温、制动状态、空调状态、大灯状态和散热器风扇状态等；HIOKI8855型数据存储记录仪用于采集相关传感器信号，具体如表5所示。

图5 整车电量平衡测试平台

通道测试点测试设备信号类型与单位物理意义测试目的1#大线—蓄电池侧FLUKE80i-110s型电流钳电流/A蓄电池充放电流监测蓄电池充放电状态2#大线—发电机侧FLUKE80i-110s型电流钳电流/A发电机输出电流监测发电机输出状态3#大线—电气负载侧FLUKE80i-110s型电流钳电流/A电气负载消耗电流监测电气负载功耗状态4#蓄电池(正负极间)HIOKI电压探头电压/V蓄电池端电压辅助监测蓄电池状态5#发电机(B+对壳体)HIOKI电压探头电压/V发电机输出端电压辅助监测发电机状态6#发电机壳体K型热电偶电流/V发电机壳体温度监测发电机温升状态7#发动机仓(近发电机)K型热电偶电流/V发动机仓温度监测发动机仓内温度8#驾驶室内K型热电偶电流/A环境温度监测行车环境温度

5 电量平衡测试试验

整车电量平衡试验结果的评价包括以下四个方面：

①蓄电池电量平衡能力

蓄电池电量平衡的评判标准用蓄电池的充电、放电比率K衡量[18]。

K=∑(IinΔtin)/∑(IoutΔtout),

(1)

式中，Iin为蓄电池在Δtin时间内平均充电电流；Δtin为蓄电池充电时间段；Iout为蓄电池在Δtout时间内平均放电电流；Δtout为蓄电池放电时间段；考虑汽车起动时蓄电池的容量和系统可靠性，要求K≥1.2。

②发电机发电能力

该项指标用于考核发电机发电量能否时刻满足整车用电需求，要求在整车使用过程中各用电设备可正常工作，蓄电池电量保持平衡。

③发动机冷起动能力

该项指标用于考核蓄电池低温放电能力，要求整车在-30 ℃可以正常起动。

④驾乘舒适性

该项评价以主观评价为主，如打开大的用电负载，是否出现发动机转速明显突变；空调系统性能是否满足使用要求；除霜加热、座椅加热等功能是否满足使用要求；照明系统性能是否稳定等。

本文对12个工况下的整车电量平衡开展了为期一年的试验验证，其中工况1到工况6的试验在三亚和北京开展，工况7到工况12的试验在黑河开展。实验结果表明，整车电量平衡均满足上述四项要求，其中部分实验数据如图6所示，由图6(a)、(b)可知，在整个循环过程中，整车起动完成后，蓄电池的电流一直在-3A左右,发电机输出电流小于额定值，这说明发电机能够满足整车电量需求，蓄电池电量保持平衡，由图c可知，车速变化平稳，说明实验过程中乘坐舒适性良好。另外，经过用户实验表明，通过试验测试要求的车辆，投放市场后电量平衡均未发现问题。

图6 高寒地区实车道路试验结果

6 小 结

针对微型乘用车电器设备越来越多，整车电量平衡越来越重要，而目前尚无统一测试标准的现状，从目标车型的实际配置出发，对整车电量平衡原理及影响整车电量平衡的关键因素进行分析；并基于此考虑气候、温度、驾驶习惯、工况等影响因素，提出了测试方法、测试工况及评价标准，搭建了整车测试平台；对整车电量平衡开展了为期一年的道路试验测试，测试结果及用户试验表明：

①本文提出测试方法及测试工况能够满足微型车整车电量平衡测试要求；

②包括蓄电池电量平衡能力、发电机发电能力、发动机冷起动能力和驾乘舒适性在内的四项评价指标完全可以满足微型车整车电量平衡的评价要求；

③经测试合格后的车辆，在整车使用过程中，蓄电池电流保持在-3A左右，发电机电流小于额定值，整车车速变化平稳，乘坐舒适性良好。

④满足试验测试要求的车辆，投放市场后电量平衡均能满足要求，相关试验方法对其他微型车电量平衡测试具有一定的借鉴意义。

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(责任编辑 梁 健)

Study on the method to test power balance of a mini vehicle

YANG Kun1, DONG Xiu-hui2, WANG Jie1, LIU Ji-shun3, GUO Dong1, TANG Peng1

(1.School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China; 2.China First Automotive Works Corporation Limited Research and Development Center, Changchun 130011, China; 3.IAT Automobile Technology Corporation Limited，Beijing 100076,China)

Aiming at the situation of mini vehicle power balance, which is more and more important and no unified standard, by analyzing the influence factors, test methods of vehicle power balance was studied based on the vehicle in service and the vehicle electrical configuration. 12 kinds of test conditions and power balance verification standard were given. A platform for testing vehicle power balance was built. The vehicle road tests had been done in Sanya，Heihe and Beijing for one year. The test results showed that the test platform and verification standard could meet the test requirements of vehicle power balance. If the vehicle met the requirements, its battery current was kept in about -3A, the generator current was less than the rated value and the vehicle speed was steady. The power balance could meet the requirement of market. The relevant test methods have certain

ignificance to the power balance test of other mini vehicles.

mini vehicle; power balance; testing methods; road test

2016-03-24；

2016-04-20

国家自然科学基金资助项目(51508315, 51575325);山东省自然科学基金(ZR2015PE020, ZR2015EL025);山东省重点研发计划资助(2015GGX105099)

王 杰(1979—)，女，吉林通化人，山东理工大学副教授;E-mail：wj_jl@sina.cn。

杨坤,董秀辉,王杰,等.某微型车整车电量平衡试验方法研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(5)：1377-1385.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1377

U463.5

A

1001-7445(2016)05-1377-09