整车电平衡的计算及验证

赖建文, 苏秀花, 王 坚

(柳州五菱新能源汽车有限公司, 广西 柳州 545007)

目前,汽车整车电平衡设计主要采用经验公式估算,没有充分研究车辆电器系统之间的关系,也缺少试验数据支持,且每个主机厂的计算方法和评价标准各有不同。本文提出整车电平衡的计算原则,阐述电器电平衡计算的方法及标准;并通过分析不同工况下各电气设备的动态参数,验证整车电平衡设计的合理性,在保证系统安全、可靠的前提下,为产品的成本优化提供数据支持与整改建议[1]。

1 整车电平衡计算

1.1 整车电平衡计算原则

目前行业内对于整车电平衡计算的原则只是要求发电机必须在绝大多数运行工况下,能够给各用电设备提供足够的电能,同时又能保证给蓄电池充电即可。本文从兼顾使用和成本角度出发,按本企业标准,对电平衡的计算原则提出以下具体要求:

1) 发电机的额定输出电流应在整车最大负载工作电流的1.2～1.5倍之间。

2) 发动机怠速时,发电机输出电流应为其额定电流的55%～80%。

3) 车辆怠速高负载运行时,蓄电池容量SOC降至60%的时间至少为40 min,即:

C20×(0.9-0.6)÷Ib×60≥40

(1)

式中:C20为蓄电池容量;Ib为放电电流。

4) 发动机怠速高负载时,蓄电池的放电电流Ib应不大于该蓄电池20 小时率电流的6倍,即:

Ib≤6×C20÷20

(2)

5) 必须有足够的电能储备,保证车辆在正常运行或驻车停放一段时间后仍可以起动及工作,即:

Ia≤C20×(0.9-0.65-d×T)÷(T×24)[2]

(3)

式中:T为允许驻车的时间,一般为42天;d为蓄电池每天的自放电率,一般为1‰;Ia为整车静态电流,一般要求小于20 mA。

1.2 蓄电池容量计算

蓄电池容量偏小时,会影响车辆的驻车时间,而长期的深度放电,也会大大影响蓄电池的寿命;蓄电池容量偏大时,会影响布置空间,同时也会导致质量过剩和成本增高。

1) 按式(4)计算蓄电池的额定容量:

C20=C×P÷U[2]

(4)

式中:C为配电系数,本文取620～810;P为起动机额定功率;U为车辆的电压等级。

2) 根据式(3)的变形计算蓄电池容量,即:

C20≥Ia×(T×24)÷(0.9-0.65-d×T)

(5)

3) 蓄电池的低温起动电流通常指在环境温度-17.8～28.9 ℃的条件下,发动机正常启动所需的电流值,满足汽车在低温环境下的冷启动电能需求也成为蓄电池匹配的重要依据[3]。一般根据起动机特性曲线图进行估算,该电流值应大于起动机输出特性曲线图上功率最大点对应的起动电流,同时小于功率曲线与力矩曲线交点处对应的电流[4],如图1所示。

图1 起动机特性曲线图

1.3 发电机功率与整车耗电量的匹配计算

1.3.1 整车电气负荷分类及典型用电工况

整车用电设备可以分为连续工作制、短时工作制和随机工作制3种[5]。连续工作制主要包括点火系统、燃油系统、行驶系统、仪表灯等;短时工作制主要包括灯光系统、雨刮系统、电喇叭等;随机工作制主要包括电动门窗、空调系统、ABS及其他用电器。

汽车在行驶过程中几种较为典型的用电工况大致可分为平常日间、平常夜间、冬季日间、冬季夜间、冬季雪夜、夏季日间、夏季夜间、夏季雨夜[6]。根据车辆的实际运行状态,以最符合国内城市工况的WLTC工况作为标准工况,在最初的设计中,按车速不大于50 km/h作为该工况的计算标准。

1.3.2 用电设备等效负荷计算

为分析计算方便,通常需要引入用电设备的使用频度系数μ。各用电设备μ与环境气候密切相关,其中μs是与夏季相关的频度系数,μo是与季节气候无关的频度系数,μw是与冬季相关的频度系数[7],各厂家对频度系数的定义都基本相同。

先按照式(6)计算加权功率Ps,再按照式(7)计算用电设备等效电流Is。

Ps=P×μ

(6)

Is=Ps÷U

(7)

式中:P为用电设备额定功率;μ为各用电设备的使用频度系数;U为发电机或DC/DC的标称输出电压。

根据用电工况、频度及用电设备等效负荷计算公式计算整车在不同季节和环境下的用电量,某车型的计算结果见表1。

表1 某车型用电功率汇总表(电压等级14 V)

1.3.3 发电机的主要参数确定

1) 以某车型为例,该车蓄电池容量C20为100 Ah,轮胎半径为0.328 6 m,发动机怠速转速为750 r/min,怠速开空调转速为850 r/min,发电机皮带轮与发动机曲轴皮带轮的传动比为52∶136。查看该车型发电机的特性曲线图,得出该车型发动机在怠速工况及开空调时的输出电流分别为75 A和82 A。

2) 从表1可知,该车型在冬季雪夜及夏季雨夜的整车耗电量分别为68.86 A和107.01 A,蓄电池放电电流Ib等于整车耗电量减去发电机输出电流值,得出蓄电池在冬季雪夜的放电电流Ib为-6.14 A,处于充电状态。而夏季雨夜的放电电流Ib为25.01 A,按式(1)计算夏季雨夜蓄电池的连续放电时间为72 min,编制怠速工况下电源系统输出表见表2。

表2 怠速工况电源系统输出表

2 整车电平衡验证

2.1 测试原理及方法

整车电平衡测试的关键在于工况的设计和选择[8]。而为了评价整车电平衡的测试效果,则需评估供电能力与负载消耗量之间的匹配合理性,故在测试过程中,应记录发电机、蓄电池等供电系统的电压电流信号[9],怠速时蓄电池的放电时间等。

1) 按照图2正确连接CSM模块的电压测试探针和电流传感器,并将温度贴片接入前舱、乘客舱等关键位置。

图2 电平衡测试原理图

2) 试验工况的选择上,各厂家的怠速工况和高速工况测试方案大体相同,而电平衡试验的关键在于城市工况的选择,城市工况的选择越合理,越能反映车辆在实际道路中的表现[10]。该测试工况应包含夏季雨夜和冬季雪夜,试验过程中的换挡应速度平稳,实际车速与工况设定车速的偏差不应超过±3 km/h,并按不同的频度系数表打开相应的电器负载,测试时间60 min,以WLTC工况作为测试工况,工况曲线如图3所示。

图3 WLTC工况图

2.2 测试结果

夏季雨夜时,蓄电池最小充电电流为1.69 A,蓄电池SOC变化率为4.82%,怠速空调时,蓄电池放电电流为10.95 A,蓄电池SOC变化率为-7.3%;冬季雪夜时,蓄电池最小充电电流为2.02 A,蓄电池SOC变化率为3.02%,怠速暖风时,蓄电池放电电流为-1.79 A,蓄电池SOC变化率为1.19%。车辆满足电平衡测试的评价标准,测试结果见3。

表3 电平衡测试结果(WLTC工况)

3 结束语

本文通过一套电平衡的设计原则及计算方法,在研发的初期阶段得出供放电系统较佳的配合参数,并通过后期的试验验证电平衡设计的有效性。在未来的设计和验证中,可以应用仿真软件更好地模拟整车电气性能,并对各项指标参数进行修正,从而得到更精准的数值;而工况的模拟也应能进行更多参数的修正,使车辆的运行更接近客户所需要的实际工况,进而更准确地分析电源系统的效率及寿命,使车辆电源系统的设计达到最优状态[11]。