发电机效率整车转鼓测试方法研究

葛胜迅，姚 强，韩 鹏

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

从能量流的角度去测定汽车燃油能量在发动机、底盘部件等部件的分布，可以找出经济性优化的关键方向。能量转化过程中，发动机将燃料化学能转化为动能，其中一部分动能用来驱动车辆行驶，还有一部分经过发电机转化为电能，向所有用电设备供电［1］。发电机将动能转化为电能的过程中能源的转化效率称之为发电机效率。随着汽车电子电器技术的不断发展，整车用电设备的功耗越来越大［2-4］，使得发电机效率对汽车燃油经济性的影响也越来越高［5-8］。

在零部件台架上通常采用对拖法测试发电机输入和输出功率后计算得到不同转速下的发电机效率。但对拖法通常难以准确模拟整车状态下的发电机的温度场环境，以及发电机在整车上的装配状态，直接使用零部件台架的发电机效率数据会影响整车能量流模型计算结果的准确性。因此在转鼓试验台上开展整车条件下的发电机效率测试尤为必要［9-10］。

本文提出在转鼓试验台上进行整车条件下的发电机发电效率的阻力矩法和外特性法两种测试方法，给出了对应测试原理，并基于多组试验数据进行对比分析。本研究可为整车电能计算和能量流分布仿真提供相关理论和试验依据。

1 测试原理

整车在转鼓试验台上进行试验，通常设置转鼓试验台在恒速控制模式。转鼓试验台在该模式下可根据设定车速自适应控制转鼓电机的输出功率，以保证轮胎在该车速下恒定运行。设计数据采集系统可同步测试转鼓施加到轮边的机械功率以及发电机的输出电功率。

定义发动机油门全开时的车带鼓运转的试验方法为外特性法，定义发动机熄火、鼓带车运转的试验方法为阻力矩法。

1.1 外特性法

测试原理如图1所示。保持全油门状态，发动机固定转速的总功率Pe不变，改变用电器负载，同步测试转鼓施加轮边的功率PD和发电机输出电功率PA，得出发电机效率，如式（1） 和式 （2）。

图1 外特性法测试原理

式中：PD1——第1种用电器负载下的转鼓施加轮边功率，W；PD2——第2种用电器负载下的转鼓施加轮边功率，W；PA1——第1种用电器负载下的发电机输出电功率，W；PA2——第2种用电器负载下的发电机输出电功率，W；PL——车轮在转鼓上的滚动阻力功率，W；η——传动系机械效率，为已知参数；α——发电机效率。

发电机输出电功率PA根据式 （3）进行计算。

式中：U——发电机端电压，V；I——发电机输出电流，A。

1.2 阻力矩法

测试原理如图2所示。保持发动机断油停喷，车轮倒拖发动机，改变用电器负载，同步测试转鼓施加轮边的机械功率PD和发电机输出的电功率PA，得出发电机效率，如式 （3）和式 （4），此处发动机固定转速的机械损失功率Pf不变。

图2 阻力矩法测试原理

2 试验与分析

2.1 阻力矩法

2.1.1 样车A测试

以某公司生产的某款手动挡SUV为例 （简称样车A），使用阻力矩法测试，转鼓试验台设置为恒速28.56 km／h，此时变速器置入Ⅱ档，发动机转速2 000 r／min。按照用电器开关设置7个工况，并且同步测试发电机电流I、电压U和转鼓施加轮边的功率PD。开展两次的测试结果如表1、图3所示，其中第1到第7序号为第1次，第8到第14序号为第2次。

将试验结果绘制成曲线，两次试验结果的曲线重合性高。按照公式每两个点均可计算出发电机效率，本文将每次7个工况点线性拟合得到平均的斜率，再使用已知传动系机械效率0.95，得出发电机效率，计算得出两次试验相对偏差0.1%。

表1 样车A阻力矩法试验结果

图3 样车A阻力矩法试验结果曲线

2.1.2 样车B测试

以另一家公司生产的另一款手动挡SUV为例 （简称样车B），使用阻力矩法测试，转鼓试验台设置恒速22.86 km／h，此时变速器置入Ⅱ档，发动机转速1 600 r／min。按照用电器开关设置5个工况，开展两次试验，得出相关数据，如表2所示，其中第1到第5序号为第1次，第6到第10序号为第2次。

2.1.3 样车A、B测试结果对比

对A车用阻力矩法也进行了测试。将A、B两车测试结果对比，如表3所示，相对偏差均较小，样车A为0.1%，样车B为0.2%，试验数据重复性好。

2.2 外特性法

继续使用样车B，使用外特性法测试，转鼓试验台设置恒速22.86 km／h，此时变速器置入Ⅱ档，发动机转速1 600r／min。按照用电器开关设置5个工况，开展4次的测试结果如表4所示。

表2 样车B阻力矩法试验结果

表3 样车A和B阻力矩法试验结果对比

表4 样车B外特性法试验结果

将试验结果绘制成曲线如图4所示，4次试验结果的曲线重合性一般。将每次5个工况点线性拟合，再使用已知传动系机械效率0.95，得出发电机效率，计算得出4次试验相对标准偏差为2.3%，如表5所示。进一步计算得出样车B的外特性法与阻力矩法测试结果的相对偏差为1.3%。

2.3 精度分析

发电机电压测试数据的一致性非常高，随着用电器开启负荷的增加，发电机电压略微降低；样车A测试电流达到最大值时，电压仅仅下降0.02 V，可以认为发电机电压对试验结果没有影响。

相同用电器开启的工况下发电机电流的数据稍有不同，这是因为试验过程中发电机不断给蓄电池充电，随着电池电量的增加，发电机电流不断下降，轮边功率也成比例变化。从最终斜率的数据看，用电器功率对试验结果的影响也可以忽略。

用阻力矩法测得的轮边功率重复性较好，但外特性法重复性较差。从样车B外特性法数据看，尽管轮边功率的相对偏差仅0.4%，但是轮边功率的数值达到了21 kW，导致功率绝对偏差达到了81 W，使得每次试验曲线不重合。分析过程数据认为有如下原因：①在外特性法过程中，发动机全负荷工作，输出的功率较大，数据比电能高两个数量级，而阻力矩法比电能高一个数量级；②外特性法导致发动机水温、变速器油温处于上升的过程，造成轮边输出功率存在系统误差，且容易触发发动机因出水温度造成的功率变化。

图4 样车B外特性法试验结果曲线

表5 样车B外特性法试验结果

2.4 不同样车对比分析

采用阻力矩法对不同样车进行试验对比分析。样车A匹配高效发电机，样车B匹配普通发电机，样车C为在样车B的基础上更换另一种发电机。将3台车对比分析，样车A发电机效率显著优于样车B和样车C；样车B在低转速时优于样车C，高转速时差于样车C。另外，通过整车NEDC工况油耗仿真，样车B的发电机选型综合效率优于样车C。如图5所示。

图5 不同样车测试结果对比曲线

3 结论

1）本文提出了利用转鼓试验台，在整车条件下进行发电机效率测试的两种方法，即阻力矩法和外特性法，给出了具体测试原理。实车测试分析表明两种方法是有效可行的，且阻力矩法测试精度优于外特性法。

2）本文为整车电能计算、能量流分布仿真提供了理论支持，研究结果为发电机选型提供重要方法依据，对相关节能技术研究具有较强的指导意义。