汽车高效发电机效率测试优化研究

何卫、张雪、高丽仙

（1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，柳州 545007；2.柳州孔辉汽车科技有限公司，柳州545616）

0 引言

根据工业和信息化部新推出的《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》，其中规定，我国乘用车的油耗水平需在2025 年下降至4 L/100 km。同时，测试循环将由全球轻型汽车测试循环（WLTC）改为中国汽车测试循环（CLTC），整车的油耗和排放更加严苛。随着汽车电子电器技术的不断发展，整车用电功耗越来越大，作为内燃机上扭矩需求较大的附件，使得发电机效率对整车燃油经济性的影响也越来越大[1]。

目前国内车企均使用欧洲指定的VDA 效率来定义发电机效率，选取50%额定输出电流在23℃的环境温度下测试效率[2]，对于在整车评价发电机有一定局限性。例如，在整车油耗试验中，分别选取65%、68%和75%的高效发电机按照GB/T 19233-2020《轻型汽车燃料消耗量试验方法》测试整车油耗，发现整车节油贡献并不与效率成正比。为分析这种差异的来源，本文通过比较发电机VDA 效率以及发电机在整车工况测试的差异，优化了发电机效率的测试方法，可作为新形势下发电机效率测试及评价的补充。

1 VDA 效率

1.1 VDA 效率的概念

德国汽车工业联合会（VDA）制定了汽车标准和最佳实践，以满足德国汽车行业公司的需求。协会成员包括汽车制造商和汽车零部件供应商，其制定的发电机效率简称VDA 效率[3]。

V D A 效率在发电机性能台架上测得，按给定的转速（1 800 r/min、3 000 r/min、6 000 r/min、10 000 r/min）和给定的负载（50%负载）在25℃工作温度下测得。此工况和整车测试下的工况有较大出入，综合效率按式（1）计算得出。

式中ηVDA— —VDA 效率

η1800— —发电机在转速1 800 r/min、进气温度为25℃、负载为50%时候的效率

η3000— —发电机在转速3 000 r/min、进气温度为25℃、负载为50%时候的效率

η6000— —发电机在转速6 000 r/min、进气温度为25℃、负载为50%时候的效率；

η10000— —发电机在转速10 000 r/min、进气温度为25℃、负载为50%时候的效率；

本研究通过对市场上代表车型的发电机VDA 效率测试结果如图1 所示，可以看出，国内通用的发电机VDA 效率大概分为63%～65%区域和69%～71%区域。行业内将VDA 效率高于及等于69%的发电机统称为高效发电机。

图1 中国汽车发电机搭载现状

1.2 用VDA 效率评估整车节油贡献的不足

在同一车辆上搭载同体型但不同VDA 效率（65%、68%和75%）的发电机，将车辆按照GB/T 19233—2020 中的6.1、6.2、6.3、6.4 及6.5 所述的方法，在23℃恒温试验舱内进行预处理和浸车[4]。之后按照图2 中的车速曲线，将试验车辆在试验舱转鼓上运行一个1 800 s 的循环。通过试验舱的尾气分析仪，可以计算出每一个循环的整车百公里油耗。

图2 整车CLTC-P 循环

由于CLTC-P 循环中车辆开启的电器负载较少，发电机的发电量也相应比较低。但实际驾驶中，存在各种电器负载的工作，所以还需要进行用电器的开启和关闭试验。在发电机VDA 效率实验中，每组试验由连续进行的一次用电器开启（设定为国家推荐的50 A 电器负载）和用电器关闭试验组成。不过，试验车在关闭用电器测试中，由于仪表、日间行车灯以及燃油泵等还会产生基础用电，通过仪器测量，基础用电负载接近21 A。测试结果如表1 所示。

表1 不同VDA 效率下的整车油耗

由测试结果可以看出，68%效率发电机的油耗较65%降低了0.2 L（约2.2%），但75%效率发电机较68%效率发电机的优势不明显。由此可见，VDA 效率测试具有一定局限性，降低整车油耗不能单看VDA 效率高低。另一方面，由于不同VDA 效率的发电机成本相差100 ～200 元/台，所以更需要准确评估在整车循环工况中发电机效率的影响。

2 获取整车循环下的发电机工况

为分析在整车CLTC-P 循环工况中发电机是怎样工作的，试验车辆在转鼓上测试整车油耗时，需要同时采集发电机的数据，包括发电机工作温度、发电机转速以及发电机的输出电压、电流。其中，发电机转速可以在采集发动机转速后，通过速比转换获得；温度和电压、电流数据可以借助相关测试设备采集。

2.1 发电机数据采集

在整车循环试验中，利用DEWETRON 台架油耗测试数据采集系统实时采集发电机的输出电流In、电压Un和环境温度Tn，数据采样频率要求不超过100 Hz，且3 个参数的采样频率要一致。其中，输出电流In由钳表获得，电压Un由电压传感器获得，环境温度Tn由温敏电阻获得。发电机转速Nn就可通过CAN 线中的发动机转速信号按式（2）转换。

式中Nn— —发电机转速，单位为r/min

Ne— —发动机输出转速，单位为r/min

i— —发电机速比

2.2 发电机各项数据分析

将试验中测得的发电机转速Nn、输出电流In、发电机电压Un和环境温度Tn数据分别绘制运行曲线，如图3 ～图6 所示。

图3 发电机转速

图4 发电机输出电流

图5 发电机电压

图6 环境温度

2.3 整车循环工况下发电机运行点

根据测试数据可知，发电机转速Nn为2 130 ～7 000 r/min，发电机电压Un平均值为14.2 V，发电机输出电流In为20 ～30 A，环境温度Tn平均温度为50℃。由此可以设置整车循环工况下发电机效率测试工况点（表2）。

3 发电机新工况点效率测试

前文通过采集试验车辆在整车油耗测试循环中的发电机各项数据，获得了发电机的实际运行点。这些运行点的效率对油耗有直接影响，所以有必要针对发电机在这些运行点下的效率进行台架效率测试。

为比较VDA 效率68%和75%样件在新工况下的效率差异，将测试样件水平地安装在LDFD-10 型发电机性能试验台上[5]。将驱动电机连接好测试样件的输入端，确保测试台架可以运转平顺，输出端电源线连接到设备电流电压接线柱上，调节器需要接入励磁电流线，温度传感器安装在距离测试样件后罩盖25 mm 处，分别进行2 次发电机台架效率测试。

设置试验舱内温度为50℃，通过试验设备控制发电机转速Nn和输出电流In，按表2 的工况点逐一进行测试。测试过程中，每个转速点需稳定20 min 达到热稳态，待发电机转速Nn和输出电流In在允许的精度范围内稳定60 s 后，通过测试设备采集输出端发电机电压Un和输入端发电机扭矩Tn结果。

表2 发电机效率测试工况点

记录电机转速Nn、发电机电压Un、输出电流In和发电机扭矩Tn。发电机输出功率按式（3）计算：

式中Pout,n——发电机输出功率，单位为kW

Un——发电机电压，单位为VIn——发电机输出电流，单位为A

发电机输入功率按式（4）计算：

式中Pin,n——发电机输入功率，单位为kW

Nn—发电机转速，单位为r/min

Tn—发电机扭矩，单位为N·m发电机效率按式（5）计算：

式中ηn——发电机效率

Pout,n——发电机输出功率，单位为kW

Pin,n——发电机输入功率，单位为kW

4 测试结果分析

通过图3 中的发电机转速和时间数据，统计发电机在CLTC工况下各转速的时间比例，如图7 所示。

图7 发电机CLTC 工况下各转速的时间比例

因此，可以按式（6）计算发电机的加权平均传动效率。

计算发电机样件在整车工况下的加权平均传动效率，数据如表3所示。

表3 不同工况效率下的整车油耗

通过测试发现，VDA效率68%样件与75%样件的加权平均效率差距仅为2%～3%，这就解释了为什么这2个VDA效率的发电机样件，节油贡献并不明显。但是，这2个样件的标称VDA 效率差距有7%，如果主机厂单从VDA 效率角度去评估油耗，认为VDA 效率越高对油耗越有利，这样会导致整车油耗的偏差和成本方面的巨大浪费（不同VDA 效率的发电机，成本相差100 ～200 元/台）。从中也可以看出，整车循环工况下的高效发电机节油贡献与加权平均效率相关度更高，而不是VDA效率。整车项目开发中，使用VDA 效率为68%的发电机会具有更高的性价比。

5 结束语

本文从整车CLTC 循环工况下发电机的实际工作点入手，通过采集发电机实际工作转速、扭矩、输出电压、输出电流和工作温度，分析了为什么发电机VDA 效率在节能评价时存在局限性。在此基础上，制定了一种新的发电机效率测试方法，作为新形势下发电机效率测试及评价的补充，对高效发电机本体设计开发也具有借鉴意义。该测试方面可以有针对性地去提升某些点的效率，减少不必要的浪费和整车开发成本。