汽车电量平衡开发设计方法

2018-03-12王洪超肖玉强陈文静孙明瑞

汽车电器 2018年2期

王洪超，肖玉强，陈文静，孙明瑞

（一汽轿车股份有限公司，吉林长春 130000）

汽车电量平衡，是指汽车发电机、起动机、蓄电池以及各种用电设备之间电能产生与消耗的动态平衡关系。随着汽车用电器的不断增加，整车用电量增加。在新车型的开发设计过程中，起动机、蓄电池、发电机与整车电器设备用电量如何匹配是整车电气系统设计的一个关键。

汽车行驶状态千变万化，在不同的气候环境和工况下需要使用不同的用电器，例如，冬季的时候使用座椅加热，空调暖风，下雪的夜晚要用刮水及雾灯等；夏季要使用空调冷风，下雨的夜晚要使用刮水、前照灯等。在不同的行驶状态下要充分考虑各用电器对电能的需求，因此汽车电量平衡是汽车的重要性能指标之一。电量平衡的理想状态是在任何行驶条件下，供电均能满足用电器的需求。

1 汽车电量平衡开发设计原则

汽车电量平衡开发设计的基本原则，是汽车在所有运行工况下发电机、起动机、蓄电池和所有用电设备之间的电能产生和消耗都能达到最佳的匹配状态。即：①起动机必须保证在最寒冷的冬季也能正常起动发动机；②蓄电池能够随时提供起动机所消耗的强大的电流；③发电机在汽车处于低速和热带夏季环境温度很高、发电能力较低时，也能保证为汽车提供最大用电负荷，同时能为蓄电池正常充电，保证蓄电池始终处于健康的充电状态。

2 起动机性能参数计算

起动机选型的关键在于保证低温环境下起动发动机的可靠性。因此，起动机性能参数计算，主要依据发动机低温环境下的性能参数：①发动机阻力矩；②发动机最低起动转速。

以奔腾系列某款发动机为例，在-30℃时，发动机阻力矩为97Nm，最低起动转速为108 r/min，则可按公式（1）计算出发动机在-30 ℃时起动功率为

起动机功率P1=P/η=（1.158～1.295）kW

式中：η——起动机齿轮与飞轮啮合效率，工程计算一般取η=0.85～0.95。

起动机的最低起动转速和对应的转矩可以按公式（2）计算得到

式中：i——起动机齿轮和飞轮的传动比。

3 蓄电池性能参数计算

蓄电池性能参数主要包含冷起动电流和蓄电池额定容量C20。

起动机性能参数确定以后，可以根据最低起动转速n1、最低起动转速对应的转矩M1以及起动过程中蓄电池最低电压（一般为发动机控制系统的最低复位电压，约7.5 V左右），综合判断，在起动机特性曲线上，确定蓄电池所需提供的冷起动电流。需要说明的是，蓄电池冷起动电流的确定是一个估算的过程，最后只能确定一个区间范围，而不是一个准确的数值。

这里特别强调下，一般情况下，看到的起动机特性曲线都是常温20 ℃下的特性曲线，而在蓄电池冷起动电流计算过程中，必须依据低温下起动机特性曲线，以图1为例。

图1 某款起动机-30℃特性曲线

从该特性曲线上可以大致确定，蓄电池的冷起动电流要大于起动机峰值功率所对应的起动电流约400 A，以确保起动发动机可靠性，同时兼顾最低起动转速、起动扭矩以及蓄电池端电压不低于7.5V等要求，冷起动电流应小于650 A，从而确定冷起动电流区间为350～650 A。

当蓄电池的冷起动电流范围确定以后，基本确定可提供所需冷起动电流的蓄电池额定容量范围，再辅以整车静态电流计算，即可最终确定新开发车辆所需的蓄电池额定容量C20。

目前汽车行业内对整车静态电流的估算主要与车辆停放时间的要求相关，一般国内规定车辆运行停放时间为6周，欧洲为8周。

估算过程如下：默认车辆停放进入设防状态前蓄电池容量为额定容量C20的80%，要求蓄电池额定容量C20的50%具备起动能力，同时蓄电池每天自放电及车辆负载惯性放电1%，目前汽车整车静态电流IQ可以控制在10～20 mA范围，则蓄电池额定容量C20为

在以上范围区间内，根据车辆需求、性价比等因素，即可确定蓄电池额定容量。

4 发电机性能参数计算

发电机的性能参数计算过程实质就是整车用电负荷的计算过程。汽车上电气设备使用的时间及频次都是不相同的，随季节、气候、车况等诸多因素随时在变化，如：夏季使用空调，冬季使用座椅加热，夜间使用前照灯，雨天要开刮水，车起动时要使用起动机，因此根据电气设备使用的真实状况将其分为持续工作、长时工作和短时工作三大类型，并分别赋予不同的使用频度加权系数，用以确定发电机的性能参数。

根据汽车行驶中用电设备的工作时间长短，将用电设备分为3种。

1）持续工作用电设备在汽车行驶过程中一直工作的电气设备，包括点火和供油等发动机控制系统、变速器控制系统、仪表等。

2）长时工作用电设备在汽车行驶过程中经常使用的电气设备，包括娱乐系统、空调系统、灯光等。

3）短时工作用电设备在汽车行驶过程中只是短暂使用或随机使用的电气设备，包括电动车窗、电动后视镜、点烟器、电子稳定、电子驻车及其他一些瞬间开启的电气设备。