蓄电池电压对整车燃油经济性的影响

冯华帅 黄宇琪 黄春海 叶才盛 姜宏霞 朱海龙

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

1 前言

随着全球车辆燃油消耗法规的日益严格，油耗的降低需要提上日程。其次，低油耗也是一项客户选择购买该车型车辆的因素之一，在国内的油耗测试过程主要包含NEDC 和WLTC 循环曲线，在开发过程中，EMS（engine model system）发动机控制系统参数的优化会参考油耗测试结果，逐步的优化标定手段。油耗测试中，如果边界条件的不同造成油耗测试结果散差较大的话，反而会影响工程人员的正确判断或者歪曲了标定优化方向。所以，规范循环曲线测试中的边界条件如试验前的蓄电池电压、环境温度等显得尤为重要。

2 理论分析

为了让整车不同控制模块之间的信号简单交互，市场主流的EMS 控制模块架构一般都采用扭矩结构来实现，通常包含内部扭矩请求和外部扭矩干预。

2.1 扭矩补偿

扭矩补偿的方式一般是EMS 控制系统在接收到某一信号作为触发机制，如CAN总线信号标志位，主动的增加扭矩以防止发动机转速波动过大。这种方式的好处是能够有效精准的施加扭矩到发动机输出端，但是需要一种激活机制/ 信号。一些常规的负载如助力转向、压缩机结合等都可以从自身的控制模块通过CAN 总线信号告知EMS 控制系统，但是由于成本限制，整车一些用电器负载标志位没有办法通过CAN总线信号输出，所以不能采用扭矩补偿的方式。

图1 储备扭矩和扭矩补偿原理简图

2.2 储备扭矩

储备扭矩的原理是让发动机相同运行工况下时保持相同扭矩输出的同时，通过增加进气量和减小点火角来达到相同扭矩值的输出，通过这种方式的好处是，发动机的扭矩余量充分。当未知负载施加到发动机端或者其他模块有扭矩干预请求时，发动机可以通过点火角的控制快速提高扭矩来增加发动机控制的稳定性和响应性，比如发动机转速由于未知负载的影响导致转速掉坑严重，EMS 控制系统可以通过点火角的快速调控，把发动机的转速拉上来从而防止熄火，这是一种后知后觉的扭矩增加方式。但是储备扭矩通常不宜过大，过大的储备扭矩反而会影响发电机的燃烧性能，如下图2 所示。

图2 储备扭矩的影响因素示意图

2.3 发电机充放电

发电机一般包含电压调节器，转子、定子、限流电路等常规零部件，发电机的电压调节器会根据整车负载实时调控工作电压，一般12V-13V 左右。发电机通过皮带与发动机皮带轮连接，所以发电机供电的时候是发动机的一个负载，除了自身的摩擦损失还有发电损失，需要消耗发动机燃烧产生的能量。

1>车辆启动前，蓄电池负责给整车用电器供电。

2>车辆启动后，当蓄电池的电压较小时，发电机除了满足整车用电器的用电需求外还需要给蓄电池充电。当蓄电池充满电后，最终达到电平衡，此后发电机只负责给整车用电器供电。

3>车辆启动后，当蓄电池电压较大时，蓄电池和发电机可以同时给整车用电器供电，这样就可以减轻发电机的能量消耗，最终达到电平衡。这个充放电过程的不同在油耗测试中能够起到一定的作用，不但减少了发动机实际扭矩的输出，还优化了发动机的储备扭矩所带来的的燃烧恶化。

实际整车工况情况较多，发电机的充放电动态过程较为复杂，总体来说发电机充放电原理如下图3 简单举例：

图3 发电机和蓄电池充放电原理简图

3 试验研究

选取车辆在不同初始蓄电池电压下进行NEDC 循环测试，同时接上采集电流测试设备采集电流方向和大小，测试点实车布置的原理如图6 和图7 所示。对测试结果进行分析可以发现，在整个NEDC 循环曲线中：

1>当初始蓄电池电压低时，发电机放电电流和蓄电池的充电电流值较大（蓝色线），原因是发电机除了满足整车用电器的基本需求外，还会给蓄电池充电，但是此时蓄电池负载较大。

2>当初始蓄电池电压高时，发电机放电电流和蓄电池的充电电流较小（红色线），同理，发电机满足整车用电器的基本需求外，也会给蓄电池充电，而此时蓄电池的负载较小。

另外还可以发现发电机的输出端负载在不同初始蓄电池电压下整体呈现延迟效果，电压越小延迟越大，最终输出负载波形会逐渐同步。发电机负载的定义是发电机的工作状态的波动，正常工作时发电机控制芯片内设定一个目标电压，发电机的实际发电的电压会围绕这个设定值闭环控制。而当蓄电池电压高时，发电机占空比输出可以减少（即负载）就能保持目标电压的控制收敛。而当蓄电池电压低时，输出的占空比相应要提高。所以在实际的发电机输出负载波动如图6 所示。

图4 NEDC 循环发电机放电电流图

图5 NEDC 循环蓄电池充电电流图

图6 NEDC 循环发电机负载对比图

图7 试验设备部分布置实物图

如下图图9 所示，不同初始蓄电池下的储备扭矩不一样，蓄电池电压较小时储备扭矩较大，电压较小时储备扭矩较大。原因是蓄电池作为负载发动机之一，引起怠速控制上的转速波动最终会通过储备扭矩体现，并且可以发现蓄电池电压越高，储备扭矩之间的差别越小，蓄电池电压越低，储备扭矩之间的差别则越明显。

图8 电流测试布置原理简图

图9 不同蓄电池初始电压下的储备扭矩图

4 效果评价

NEDC 油耗测试结果证明初始蓄电池电压是影响油耗测试的关键因素，通过规范的初始蓄电池电压边界能有效收敛油耗大约0.2L/100Km。所以，油耗测试前需要将蓄电池充满，否则会影响结果的评判。

5 总结

本文针对不同初始蓄电池电压下的油耗测试结果深入分析了EMS 控制系统储备扭矩的原理，并且分析了储备扭矩大小对油耗测试结果的影响。由于怠速工况在整个循环曲线中占比较大，所以优化储备扭矩可以显著的改善油耗测试结果。然而储备扭矩则是系统外部负载的客观真实，一般情况下与零部件的转动惯量、功率等有关所以较难直接改善。另一种简单的办法是规范测试边界条件，可以在短期内得到较大的测试收益。

图10 不同蓄电池初始电压下NEDC油耗测统计