大型客车发电机的匹配设计

蒋新奉

【摘  要】系统介绍某大型客车发电机匹配设计的方法，根据配置参数分析不同状态下车辆的总耗电量，对照发电机的输出特性曲线进行选型和优化，并确定最优配置方案。

【关键词】发电机；总耗电量；分析；优化

中图分类号：U463.6    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）04-0038-03

【Abstract】This paper systematically introduces the method of generator matching design for a large bus. Analyze the total power consumption of vehicles in different states according to configuration parameters，Select and optimize according to the output characteristic curve of the generator. At last，determining the best configuration.

【Key words】generator；total power consumption；analyses；optimize

发电机作为车辆的主要供电设备，是汽车供电系统的重要组成部分，在发动机工作时，由发动机带动发电机向用电设备供能并向蓄电池充电。发电机匹配的合理性直接影响整车的使用性能。

1  设计目标

根据项目要求，整车采用电压24V直流电系统，根据动力配置参数确定发电机配置的最优方案。要求满足国家相关行业标准，符合厂内实际生产规范标准，确保各用电设备电量供给充足，无过度成本浪费、蓄电池馈电等缺陷，满足全国大部分省市区域运行。

2  发电机匹配计算分析

发电机的主要作用是为车辆的用电设备提供电能供给，并有一定冗余量为蓄电池充电。在发电机的匹配设计过程中，整车的电量消耗是发电机选型的一个重要参考依据，为确保车辆所配置的用电设备供电充足，要求所配置的发电机在不同工况下输出量必须大于当时的消耗量。

2.1  整车配置用电设备消耗电量的分析

按照项目的配置清单，列表整车配置的用电设备参数，如表1所示。考虑到发电机输出特性曲线以电流量来表示，为了方便后续计算的统一，各用电设备额定功率全部换算成电流。运用公式：

I = P / U（1）

式中：I——用电设备的工作电流，A；P——用电设备的额定功率，W；U——工作电压（U=24V），V；按公式1计算各用电设备的工作电流，并将数值填入表1，如表1所示。

2.2  行车状态用电设备电流量的计算分析

在实际使用中，车辆配置的用电设备一般不会在同一时间全部投入工作，车辆用电设备实际的工作状态取决于季节、环境、交通状况和个人使用爱好。因环境、气候条件的不同，可分为冬季、夏季、白昼、夜晚、晴天、雨天等。车辆运行路况的不同又可分为城间道路运输、市区道路运输等。为了更加贴合车辆实际运行时用电设备的实际工作状态，我们引入一个使用权重系数值的概念来计算用电设备的消耗等效电流。如夜间行车时，侧标志灯全程满负荷工作，权重系数值取100%；大雨天气，雨刮器的权重系数值取100%；小雨天气，雨刮开间歇挡，权重系数值取50%，开低速挡为80%；城间道路运输工况，缓速器约30%的时间工作，工作挡位平均为3挡，功率约为满负载的80%，那么缓速器的权重系数值为30%×80%=24%，其他电器权重系数以此类推。在核算过程中，通常选取比较恶劣的外部因素组合作为核算点。从表1可以发现，制冷系统满负荷工作的总电流为93.2A，大于暖气系统的总电流21.1A，所以选取夏季而不是冬季。再结合该目标设计车型主要服务于城间道路运输，夜间用电设备工作频率高于白天，所以我们选取夏季雨夜城间道路运输作为计算的外部因素权重系数。计算用电设备实际消耗等效电流的公式为：

Ii = Ki × Ii（2）

式中：Ii——第i个用电设备实际工作等效电流，A；Ki——第i个用电设备的权重系数；Ii——第i个用电设备的工作电流，A。根据公式2计算各用电設备的加权等效电流，将计算结果填入表1。经过计算和汇总，该车行车时用电设备实际工作的总消耗等效电流I1=377.4A。

2.3  怠速状态用电设备电流量的计算分析

在同样外部环境因素条件下，怠速与行车状态时用电设备的工作状态相比较，差异主要表现在以下几个方面：制动灯、缓速器、AEBS+ESC系统不工作，权重值皆为0%，风扇散热中冷系统未满程工作，权重值为60%（144×60%=86.4A），ECU+DCU系统权重值为70%（50×70%=35A），其他用电设备工作状态与行车时基本相同。按照怠速时的权重系数再次计算汇总，得出怠速时车辆用电设备的总消耗等效电流I2=273.7A。

2.4  蓄电池充电电量的计算分析

在计算用电设备实际工作的总消耗等效电流时已经运用了加权数据，为确保整车电平衡，计算发电机输出功率时除了满足在正常运行状态下须保证整车电器用电量外，还应满足向蓄电池补充电量（充电系数为0.05～1.5）的要求[1]。在传统设计中，选取充电系数Ki=0.15[2]，计算蓄电池充电的电流量可运用公式：

I3 = I × Ki（3）

式中：I3——蓄电池充电电流量，A；I——车辆用电设备的总消耗等效电流，A；Ki——充电系数。计算得出怠速状态时I3=41.1A，正常行驶状态时I3=56.6A。

2.5  发电机转速匹配分析

发动机起动后，通过皮带轮带动发电机发电，发电机的输出电流大小与转速息息相关。计算发电机转速运用公式：

N = N1 × R1 / R2（4）

式中：N——发电机转速，r/min；N1——发动机转速，r/min；R1——发动机飞轮半径，mm；R2——发电机飞轮半径，mm。

根据动力系统提供参数，R1=115mm，R2=41mm，发动机怠速状态转速N1=700r/min，空转最高转速N1=2200r/min。计算得出怠速时发电机转速N为1960r/min，空转发电机最高转速N为6160r/min。

在汽车行驶中，发电机的转速与车速、汽车挡位有关，随着车速和挡位的变化，其转速也相应改变。计算发电机转速运用公式：

式中：N——发电机转速，r/min；V——车速，km/h；i——发电机速比；i1——驱动桥速比；i2——变速器速比；R——驱动轮滚动半径，m。根据动力参数，发电机速比i=2.8，驱动桥速比i1=3.545，变速器速比I～VI挡i2值分别为6.25，3.71，2.22，1.36，1.0，0.74，驱动轮滚动半径R=0.508m，按照公式5计算出该车行驶时车速与发电机转速的对应情况，如表2所示。

2.6  发电机的选型和匹配分析

车辆总的电流量应该等于当时状态下用电设备实际工作的总消耗电流量与蓄电池充电电流量之和，怠速状态整车总消耗电流量为I2+I3=314.8A。行车状态整车总的消耗电流量为I1+I3=434A。根据行车状态时整车总的耗电电流量，初步可确定选择的发电机输出总电流必须大于434A。有3种可选方案：单台28V/440A发电机（方案1），一台无蓄电池28V/95A空调发电机和一台28V/350A的组合模式（方案2），2台28V/220A并联安装模式（方案3）。

根据动力工程师的配重计算和运动仿真分析，方案3因为单台发电机质量轻、体形最小，整体配重分布匀称，运动仿真时振动源位置对称，振点分布均匀，为最优方案。双发电机并联安装模式相比较单发电机模式，使用条件相对苛刻，主要体现在双发电机的同步控制、输出电压波动差异控制等方面，近2年双发电机并联安装模式，在配置国V发动机的大型旅游客车上已经广泛使用，技术已相对成熟，其技术要点本文不在此叙述。

发电机转速计算结果显示，发电机转速工作范围在1960～6160r/min之间，选取的28V/220A发电机使用转速范围1500～8000r/min，符合设计需求。对照发电机输出特性曲线图（图1），怠速时发电机转速1960r/min，单台发电机输出电流156A，合计312A，小于怠速总耗电电流314.8A，不符合设计需求；在车速40km/h时，发电机的转速N=2821r/min为最低，以车速40km/h时刻作为行车状态的核算点，该状态下单台发电机输出电流为204A，合计408A，小于行车总耗电电流434A，不符合设计需求。

调整发电机为28V/240A，使用转速范围1500～8000r/min，对照发电机输出特性曲线图（图2），怠速时单台发电机输出电流为176A，合计352A，大于怠速总耗电电流314.8A，符合设计需求；在车速40km/h时，单台发电机输出电流为220.5A，合计441A，大于行车总耗电电流434A，符合设计需求。

经计算分析，并联模式安装2台28V/240A的发电机，符合设计需求，可以为该项目设计车型配置安装使用。

3  发电机匹配的优化分析

在2.4蓄电池充电电流量的计算中，充电系数Ki是车辆用电设备总消耗电流量的比例系数，在国V发动机以前的传统车型中，除去制冷系统的消耗，其他用电设备总消耗电流量维持在180A左右，以0.15的充电系数来核算没有任何问题。但随着电控散热风扇式中冷系统在国VI发动机中的标配使用，整车总消耗电流量成倍增长，沿用传统的比例系数Ki=0.15，势必会增大蓄电池充电电流量的计算值。如上文，车辆行车状态用电设备总的耗电电流量I1=377.4A，经过核算最终配置结果是安装2台28V/240A发电机，其最大输出电流量合计高达480A，有将近100A的冗余电流量被配置为充电流量，有成本浪费的可能，优化空间大。

蓄电池充电电流量的计算，其主要目的是为了满足蓄电池充电需求。上文是以用电设备总消耗电流比例系数的方式来计算蓄电池充电电流量，优化时不妨从蓄电池本身充电参数方面入手。依据GB/T5008.1—2013《起动用铅酸蓄电池 第1部分：技术条件和试验方法》中关于阀控式蓄电池恒流充电的描述（5.2.2.1.2）：蓄电池在25℃±10℃条件下，以2In（A）恒定电流进行充电，待所有参试蓄电池端电压达到14.80V时，以In（A）电流恒流充电4h[3]。结合蓄电池厂家提供的资料，蓄电池充电电流为0.5In即可满足蓄电池的最低充电要求。考虑到设计目标车型为城间运输，国内城间距离约3～4h行程，按往返8h运行时间估算。在行车状态，发电机最低转速时能保证2倍In的电流量为蓄电池充电，足以满足整车电平衡需求。In为20h率放电电流，数值为Cn/20，单位为A[3]。计算蓄电池充电电流可运用公式：

I3 = Cn × KC / 20（4）

式中：I3——蓄电池充电电流量，A；Cn——蓄电池20h率额定容量，Ah；KC——蓄电池充电系数。

蓄电池20h率额定容量Cn=180Ah，充电系数KC=2，计算得出充电电流量I3=18A。

按充电电流量I3=18A重新计算，怠速状态时整车总的消耗电流为I2+I3=273.7+18=291.7A，行车状态整车总消耗电流为I1+I3=377.4+18=395.4A。

对照28V/200A发电机输出特性曲线图（图3），发电机使用转速范围1500～8000r/min，满足设计需求。怠速时单台发电机输出电流为150A，合计300A，大于怠速总耗电电流291.7A，符合设计需求；在车速40km/h时，单台发电机输出电流为182A，合计364A，小于行车总耗电电流395.4A，不符合设计需求。

调整为28V/220A发电机，对照图1，怠速时单台发电机输出电流为156A，合计312A，大于怠速总耗电电流291.7A，符合设计需求；在车速40km/h时，单台发电机输出电流为204A，合计408A，大于行车总耗电电流395.4A，符合设计需求。配置2台28V/220A发电机，符合该项目的设计需求。

从技术方面看，调整发动机转速速比也可达到优化目的，但是对于大多数汽车整车厂来说，发电机、发动机等配件都是从配件厂家成品购买，一般不建议对传动速比擅自更改，因为涉及到相关部件标定参数以及售后保修条款，操作流程复杂，可行性不高。

综合考虑，最终确定并联安装2台28V/220A发电机（8014YB-3701100型）为最优配置方案。

4  总结

该项目开发的车辆按照上述设计方法配置发电机，在可靠性试验、起动试验、加载加速耐久试验中，发电机工作正常、运行稳定，车辆配置的用电设备工作供电充足，蓄电池未出现馈电现象。试验结果表明，本文敘述的发电机的匹配设计方法有效可行，可应用于大型客车发电机的匹配设计和优化核算。

参考文献：

[1] 董利伟. 乘用车整车电平衡计算方法的研究与应用[J]. 长沙：汽车电器，2010（2）：9-15.

[2] 邹晴，陈子明. 汽车交流发电机的匹配设计[J]. 重庆：客车技术与研究，2009（1）：45-47.

[3] GB/T 5008.1—2013，起动用铅酸蓄电池 第1部分：技术条件和试验方法[S]. 2013.

（编辑  杨  景）