安永嶺，端木瓊，王子龍，汪春華，王東升

（1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

隨著汽車電子電氣技術(shù)的迅速發(fā)展，電器功能日益增多且復(fù)雜［1］，消費(fèi)者對車輛舒適性、智能性和安全可靠性等要求的提高，整車電源系統(tǒng)設(shè)計的合理性顯得尤為重要。整車電源系統(tǒng)供耗電的匹配特性直接影響整車電氣系統(tǒng)的性能及用戶體驗(yàn)［2］，供耗電嚴(yán)重失衡時存在重大安全隱患。在新車型的開發(fā)設(shè)計時必須考慮整車供耗電系統(tǒng)之間的匹配特性，即達(dá)到整車電量動態(tài)平衡狀態(tài)［3-4］。

整車電平衡是指車輛發(fā)電機(jī)、蓄電池、整車用電器在一定時間內(nèi)的電能產(chǎn)生與消耗達(dá)到穩(wěn)定的一種平衡狀態(tài)，是重要的整車性能指標(biāo)［3］。

整車電源系統(tǒng)的不匹配大體可分為兩種情況，第一種為供電系統(tǒng)能力不足，發(fā)電機(jī)不足以提供整車電器的用電消耗，需要蓄電池輔助供電，但蓄電池電量有限，車輛在這種情況下長時間運(yùn)轉(zhuǎn)時容易出現(xiàn)燈光變暗、控制器和傳感器故障、ABS故障、助力失效、發(fā)動機(jī)自動熄火等嚴(yán)重后果；第二種為供電系統(tǒng)能力過剩，發(fā)電機(jī)和蓄電池的選型不合理，供電系統(tǒng)的供電能力過大，實(shí)際負(fù)荷遠(yuǎn)小于額定載荷，造成資源的一種浪費(fèi)，不符合經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、節(jié)能、綠色的設(shè)計理念。

本文結(jié)合某款車型電源系統(tǒng)整改的實(shí)例，前后兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，重點(diǎn)對實(shí)車電平衡驗(yàn)證測試和整車電源系統(tǒng)的整改優(yōu)化進(jìn)行論述。

1 整車電平衡驗(yàn)證測試

目前進(jìn)行實(shí)車電平衡驗(yàn)證測試的途徑主要分為兩類，第一類為實(shí)車路試，即選擇不同的環(huán)境及道路對車輛的電源系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗(yàn)證車輛在實(shí)際使用中的供耗電匹配狀況。這類方式的優(yōu)點(diǎn)在于接近某一特定實(shí)際路況，測試費(fèi)用較低；缺點(diǎn)在于環(huán)境和道路的一致性難以保證，僅反映一種溫度環(huán)境，一般不建議采用這種測試方式。

整車電平衡驗(yàn)證測試大多采用第二類方式，即在轉(zhuǎn)轂實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬出測試所需的行駛環(huán)境，使用典型路況進(jìn)行測試。電平衡驗(yàn)證測試一般分為3個工況：市郊工況、城市工況和怠速工況。市郊工況和怠速工況各測試方案大體一致，整個測試的關(guān)鍵在于城市道路工況的設(shè)計和選擇上，工況越合理，越接近車輛實(shí)際運(yùn)行過程中車載電器系統(tǒng)的供耗電狀態(tài)。目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室測試時用的較多的模擬工況有：NEDC工況、FTP75工況、JC08工況和整車電平衡工況等。

1）NEDC工況 歐洲油耗及排放評定標(biāo)準(zhǔn)NEDC，它由市區(qū)循環(huán)和市郊循環(huán)兩部分工況組成，測試循環(huán)曲線如圖1和圖2所示。從排放效果來看，這一曲線測試出來的結(jié)果符合歐盟的歐Ⅲ和歐Ⅳ的排放法規(guī)，恰與我國排放標(biāo)準(zhǔn)相近［5］，國內(nèi)部分汽車廠商采用這一曲線。

2）FTP75工況 美國所采用的一種市區(qū)模擬循環(huán)測試工況，此工況分為3個階段：冷起動階段、暫態(tài)階段和熱起動階段。測試循環(huán)曲線如圖3所示。

3）JC08工況 日本JC08燃油模式，日系車大多采用。測試循環(huán)曲線如圖4所示，盡管模擬曲線看上去無規(guī)律可循，但接近于正常的行車環(huán)境。

4）整車電平衡工況 本文選用的電平衡工況來自于國外某知名品牌汽車制造商，該工況是由汽車制造廠商在做整車電平衡驗(yàn)證測試過程中不斷優(yōu)化改進(jìn)的結(jié)果，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，普遍適用于一般乘用車和輕型載貨汽車。工況大體由兩個階段組成：第一階段最高車速48 km／h，第二階段最高車速40 km／h。整個工況模擬城市一般擁堵狀況，道路曲線如圖5所示。

2 實(shí)車驗(yàn)證測試

整車電平衡驗(yàn)證測試在選擇實(shí)驗(yàn)室道路測試工況時，應(yīng)盡量符合實(shí)際路況，行駛曲線即不能過緩又不能太陡，同時又要考慮駕駛員的可操作性，此次驗(yàn)證車輛采用如圖5所示的整車電平衡測試工況進(jìn)行測試，環(huán)境溫度、電器負(fù)載開啟情況等其余主要測試參數(shù)設(shè)置如下。

1）試驗(yàn)車的相關(guān)參數(shù) 排量1500mL，驅(qū)動形式為前驅(qū)，整備質(zhì)量1310kg，發(fā)電機(jī)參數(shù)14V／80A，蓄電池參數(shù)12V／45Ah。

2）測試環(huán)境 在環(huán)境艙內(nèi)模擬夏季和冬季兩種氣候環(huán)境。

3）測試工況 根據(jù)相關(guān)資料和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，此試驗(yàn)車在做整車電平衡驗(yàn)證測試時的模擬工況為：一般怠速工況、市郊工況和城市工況；其中市郊工況的車速為72km／h。

4）電器的開啟 根據(jù)車輛電器在不同環(huán)境中實(shí)際使用的情況，測試時汽車電器系統(tǒng)可分為夏／冬季市郊、夏／冬季城市、夏／冬季怠速6種工況。其中每種工況電器負(fù)載的類型又可劃分為3類：①車輛行駛時必須使用的電器，如發(fā)動機(jī)的電噴系統(tǒng)、保證車輛正常行駛的各種控制器和傳感器等［2］；②根據(jù)車輛行駛的環(huán)境，出于安全性和舒適性考慮，需要一直使用的長時負(fù)載，如近光燈、刮水器等；③車輛行駛時隨機(jī)性、短時間使用的電器，如喇叭、車窗、除霜器等。依據(jù)測試條件、電器負(fù)載的類型和試驗(yàn)車的實(shí)際狀態(tài)，編制出各工況測試時車輛電器負(fù)載的開啟情況見表1。

5）數(shù)據(jù)采集 測試過程中的監(jiān)控及分析數(shù)據(jù)的需要，對整車的關(guān)鍵部件和必要的參數(shù)應(yīng)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行采集，試驗(yàn)車兩次試驗(yàn)時具體的監(jiān)控參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)、蓄電池、發(fā)動機(jī)艙、外部環(huán)境監(jiān)控溫度；發(fā)電機(jī)、蓄電池、其他主要用電器監(jiān)控電流和電壓；整車監(jiān)控發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和車速。

6）測試結(jié)果 試驗(yàn)車輛在轉(zhuǎn)轂實(shí)驗(yàn)室內(nèi)做驗(yàn)證測試的主要數(shù)據(jù)處理結(jié)果見表2。

由表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：夏季工況下，發(fā)電機(jī)不足以滿足整車用電消耗，需蓄電池輔助供電，且蓄電池的平均放電電流為14.7 A、10.5 A和16.3 A，在這種狀態(tài)下長期運(yùn)行，必然會導(dǎo)致蓄電池虧電，停車后由于蓄電池電量低，車輛將無法起動。

表1 電器負(fù)載開啟表

表2 整改前試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

夏季與冬季相比，夏季發(fā)電機(jī)的平均電壓都比較低，分別為12.265V、12.256V和12.32V，根本無法滿足蓄電池充電的需求；發(fā)電機(jī)的性能受環(huán)境影響較大，尤其是在高溫環(huán)境，發(fā)電機(jī)的熱態(tài)輸出特性、穩(wěn)定性較差；夏季怠速時，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r／min左右，蓄電池放電電流16.3A，發(fā)電機(jī)在低轉(zhuǎn)速的情況下，發(fā)電能力有限；然而使用者為追求舒適性和娛樂性要求，實(shí)際使用中很容易出現(xiàn)在車輛怠速時大功率的耗電狀況。

車輛由市郊工況和城市工況后進(jìn)入怠速工況，由于長時間的運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的溫度不斷升高，夏季怠速時發(fā)電機(jī)表面平均溫度高達(dá)125.3℃。冬季工況時，發(fā)電機(jī)平均電壓均高于13.5V，蓄電池也以緩流的形式交替充放電，整車的供耗電系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。

3 整改

結(jié)合整車的參數(shù)配置和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考相關(guān)零部件的工作特性，重點(diǎn)對發(fā)電機(jī)的以下幾個方面進(jìn)行了改進(jìn)。

1）提升發(fā)電機(jī)輸出性能，增大發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)電壓。以夏季城市工況為例，整改前后發(fā)電機(jī)電壓 （發(fā)電機(jī)輸出端與蓄電池負(fù)極之間）的實(shí)際輸出曲線對比如圖6、圖7所示。

2）適當(dāng)降低了發(fā)電機(jī)的功率，將發(fā)電機(jī)的型號由JFZ18更換為JFZ1715A，發(fā)電機(jī)的額定電流由原來的80A改為70A，功率降低，發(fā)電機(jī)自身溫度下降，輸出性能提升。以夏季怠速工況為例，整改前后發(fā)電機(jī)表面溫度 （發(fā)電機(jī)前端蓋外表面）的對比曲線如圖8、圖9所示。

整改后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，車輛在不同的工況下都能夠很好地滿足整車供耗電需求，符合整車電平衡的標(biāo)準(zhǔn)；同時發(fā)電機(jī)功率的降低，在一定程度上也節(jié)省了整車的成本。

經(jīng)整改后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，試驗(yàn)各參數(shù)設(shè)置與整改前的參數(shù)設(shè)置完全相同。

整改后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出：夏季工況下，發(fā)電機(jī)的平均電壓分別13.0028V、12.9792V和12.8518V，蓄電池以緩流的形式交替充放電，整車供耗電系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)；各工況下發(fā)電機(jī)電壓的波動較小，發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和熱態(tài)輸出特性得到改善。

表3 整改后試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

冬季工況時，發(fā)電機(jī)平均電壓均高于13.5 V，蓄電池也以緩流的形式交替充放電，整車的供耗電系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)；整改后的數(shù)據(jù)表明此次整改沒有影響到冬季工況供耗電平衡的狀態(tài)。

4 總結(jié)

對比整改前后的兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，此次的整改驗(yàn)證試驗(yàn)達(dá)到了整車電源系統(tǒng)的用電平衡狀態(tài)，整車的電源系統(tǒng)的供電能力得到很大提高，保證車輛在安全運(yùn)行的情況下，又能滿足用戶對舒適性的要求。

在做整車用電平衡驗(yàn)證測試時，建議采用圖5所示的整車電平衡測試工況，這一工況更符合現(xiàn)代城市頻繁怠速、低速行駛的交通路況；這一工況下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍較大，能很好地驗(yàn)證發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性和在發(fā)電能力不足時與蓄電池的協(xié)調(diào)性；排放工況更多地注重發(fā)動機(jī)的使用性能及法律法規(guī)。

整車電源系統(tǒng)設(shè)計時，由于整車用電單元的增多和使用者對舒適性要求的提高，按照之前的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計，往往達(dá)不到最佳的效果。建議在設(shè)計時，考慮供電系統(tǒng) （發(fā)電機(jī)、蓄電池）本身的性能外還要多注重實(shí)際的工作環(huán)境 （發(fā)動機(jī)艙的散熱系統(tǒng)），適當(dāng)增加發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的傳動比，用電單元增多的情況下應(yīng)盡量降低單個用電器的功率，在設(shè)計完成后，必要的驗(yàn)證測試是必須的。

［1］ 張明森.汽車的電量平衡計算［J］.汽車電器， 2010 （10）：10-16.

［2］董利偉.乘用車整車電量平衡計算方法的研究與應(yīng)用（Ⅰ）［J］. 汽車電器， 2010 （2）： 9-15.

［3］佘建強(qiáng)，顧曄.電量平衡分析方法在發(fā)電機(jī)選型中的應(yīng)用［J］. 汽車科技， 2006 （1）： 36-37.

［4］劉德生，胡定輝，張百山，等.汽車電平衡的設(shè)計計算與驗(yàn)證方法［J］.汽車電器.2014 （1）： 1-5.

［5］朱毅.歐洲聯(lián)盟汽車技術(shù)法規(guī)最新發(fā)展［J］.汽車標(biāo)準(zhǔn)化，2008（2）：9-10.