楊 坤,董秀輝,王 杰,劉吉順,郭 棟,唐 鵬
(1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院, 山東淄博255049;2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心, 吉林長春130011;3.阿爾特汽車技術(shù)股份有限公司, 北京100076)
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某微型車整車電量平衡試驗(yàn)方法研究
楊 坤1,董秀輝2,王 杰1,劉吉順3,郭 棟1,唐 鵬1
(1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院, 山東淄博255049;2.中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心, 吉林長春130011;3.阿爾特汽車技術(shù)股份有限公司, 北京100076)
針對微型車整車電量平衡日益重要且無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀,從整車使用角度出發(fā),結(jié)合整車電器配置,對整車電量平衡影響因素及試驗(yàn)方法開展分析,提出了適用于目標(biāo)車型電量平衡測試的12種測試工況及電量平衡驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn),搭建了整車電量平衡測試平臺(tái),并在三亞、黑河、北京開展了為期一年的實(shí)車道路測試。試驗(yàn)結(jié)果表明,所搭建的整車電量測試平臺(tái)及提出的驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)可以滿足整車電量的測試要求,經(jīng)試驗(yàn)測試合格的車輛,行車過程中蓄電池電流保持在-3A左右,發(fā)電機(jī)電流小于額定值,車速變化平穩(wěn),投放市場后電量平衡均能滿足要求。相關(guān)試驗(yàn)方法對其他微型車電量平衡測試具有一定的借鑒意義。
微型車;電量平衡;試驗(yàn)方法;道路試驗(yàn)
隨著人們對整車舒適性、安全性和可靠性需求的提高,整車電器設(shè)備越來越多[1],而且整車使用條件、行駛工況越來越復(fù)雜[2-3],這給整車電量平衡帶來了新挑戰(zhàn)[4-6],尤其對微型車的影響更為明顯。因?yàn)檫@類車型發(fā)動(dòng)機(jī)功率較小,發(fā)電機(jī)負(fù)荷特性對發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性影響較大,這也就為微型車的電量平衡提出了更高要求[7]。另外,隨著車用電器設(shè)備的不斷增加,用電設(shè)備對電源系統(tǒng)的需求也在發(fā)生變化,很多電器并不需要同時(shí)工作,這也要求不能再通過簡單疊加長期工作制電器負(fù)載的額定功率來分析整車電量平衡,而需要根據(jù)整車運(yùn)行工況進(jìn)行合理分配,從而實(shí)現(xiàn)電器系統(tǒng)的優(yōu)化配置[8-9]。這使得僅通過簡單的理論驗(yàn)證已無法滿足整車電量平衡驗(yàn)證需求,給整車電量平衡驗(yàn)證提出了新要求。因此,目前整車廠在完成整車電量平衡設(shè)計(jì)及理論驗(yàn)證后,都需要進(jìn)行大量的道路試驗(yàn),而如何設(shè)計(jì)覆蓋多工況整車電量平衡需求的試驗(yàn)方案成為關(guān)鍵。本文基于上述需求,針對某款自主開發(fā)的微型車,對整車電量平衡試驗(yàn)方法開展了系統(tǒng)研究。
整車電量平衡的基本原理如圖1所示,其目的是保證整車電源系統(tǒng)電能供給與電器電能消耗之間的平衡關(guān)系,主要包括如下三項(xiàng)內(nèi)容[9-15]:
①靜態(tài)電量平衡:要求整車靜態(tài)電流小于規(guī)定門限值,以保證整車放置規(guī)定時(shí)間后,蓄電池電量可以保證車輛可靠起動(dòng);
②起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī):要求發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)滿足要求,尤其在高寒地區(qū)的冬季;
③動(dòng)態(tài)電量平衡:正常行駛工況下,整車供電系統(tǒng)應(yīng)能隨時(shí)滿足整車用電需求,且蓄電池電量應(yīng)高于規(guī)定門限值。
其中,靜態(tài)電量平衡和冷起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)測試主要用于驗(yàn)證蓄電池的性能參數(shù);動(dòng)態(tài)電量平衡測試主要用于驗(yàn)證發(fā)電機(jī)的性能參數(shù)。測試時(shí)尤其需要關(guān)注整車用電功率較大的工況,如夏季怠速、夏季雨夜、冬季怠速、冬季雪夜及夜晚行車等典型城市循環(huán)工況。
圖1 整車電量平衡原理圖
汽車電器按使用條件不同,可分為三種類型[7,11]:
第1類是汽車行駛過程中無條件長期使用的電器,包括必須使用的電器,如發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)、車輛正常運(yùn)行所必需的傳感器/執(zhí)行器等,這類電器無需選擇,在電平衡試驗(yàn)中一直工作;
第2類是汽車行駛過程中有條件長期使用的電器,如空調(diào)、電加熱座椅、照明燈等,根據(jù)整車配置,這類電氣負(fù)載在試驗(yàn)中通常選擇耗電最大的方式工作;
第3類是隨機(jī)使用的電器設(shè)備,如喇叭、電動(dòng)門窗等。
根據(jù)整車電器匹配及前期實(shí)驗(yàn)積累發(fā)現(xiàn),發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池、預(yù)熱起動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、刮水系統(tǒng)及照明系統(tǒng)受使用條件影響較大,且對整車電量平衡影響較大。因此,本文首先通過部件實(shí)驗(yàn)對其影響因素進(jìn)行了分析,明確了各自的關(guān)注特性和相應(yīng)的影響因素,如表1所示。
表1 整車電量平衡影響因素
在表1的基礎(chǔ)上,為了制定合理的整車電量平衡測試方案,以覆蓋實(shí)際應(yīng)用情況,本文基于前期積累,對各影響因素的測試方案進(jìn)行了分析,結(jié)果如表2所示。通過組合各試驗(yàn)變量的實(shí)驗(yàn)方案,即可設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況。
表2 整車電量平衡影響因素的測試方案
3.1 駕駛循環(huán)設(shè)定
由于車速?zèng)Q定了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,最終決定著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率輸出,因此整車電氣系統(tǒng)用電情況與駕駛循環(huán)有直接關(guān)系。而城市工況是考核整車電氣系統(tǒng)用電平衡情況的最典型工況。本文基于前期經(jīng)驗(yàn)及實(shí)車應(yīng)用情況,設(shè)定所采用的駕駛循環(huán)如下:
①ECE15模式 (歐洲城市道路工況)[16-17]:該工況可基于環(huán)境倉或?qū)嵻嚨缆吩囼?yàn)開展,每次試驗(yàn)共分6個(gè)大循環(huán),每個(gè)大循環(huán)由4個(gè)ECE15循環(huán)組成,ECE模式及具體工況循環(huán)設(shè)定如圖2和圖3所示。
圖2 ECE15模式(歐洲城市道路工況)
圖3 單次試驗(yàn)循環(huán)工況設(shè)定
②勻速/怠速工況:根據(jù)前期實(shí)車測試經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),本文按照圖4所示工況驗(yàn)證勻速/怠速工況下的電量平衡,相關(guān)工況如圖4所示。
圖4 勻速/怠速工況設(shè)定
③擁堵路況:選擇北京市中心路段開展實(shí)車測試,以驗(yàn)證擁堵工況下的整車電量平衡。
④高溫工況:選擇三亞市開展夏季實(shí)車測試,以驗(yàn)證高溫環(huán)境下的整車電量平衡。
⑤高寒工況:選擇黑河市開展冬季實(shí)車測試,以驗(yàn)證高寒環(huán)境下的整車電量平衡。
上述五個(gè)駕駛循環(huán)下均同時(shí)進(jìn)行靜態(tài)電量平衡測試。
3.2 電器設(shè)備測試操作規(guī)范設(shè)定
隨著車用電器設(shè)備的不斷增加,傳統(tǒng)的通過簡單疊加長期工作制電器負(fù)載的額定功率來實(shí)現(xiàn)整車電量平衡已不符合實(shí)際情況,且會(huì)造成蓄電池、發(fā)電機(jī)等匹配過大,因此,測試過程中的電器設(shè)備測試操作規(guī)范對于測試結(jié)果的可用性至關(guān)重要。本文在前期積累及大量市場調(diào)研、統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,基于一汽技術(shù)中心前期多個(gè)車型電器設(shè)備測試操作規(guī)范的大量積累,結(jié)合目標(biāo)車型的實(shí)際情況,根據(jù)不同試驗(yàn)環(huán)境及較大能耗負(fù)荷情況開展電量平衡試驗(yàn),總結(jié)得到了整車電氣設(shè)備測試操作規(guī)范,如表3所示。
表3 電器設(shè)備測試操作規(guī)范定義表
3.3 測試工況研究
綜合電器設(shè)備測試操作規(guī)范、駕駛循環(huán)和環(huán)境等試驗(yàn)變量,得到表4所示的測試工況表。
試驗(yàn)工況5、試驗(yàn)工況6、試驗(yàn)工況11和試驗(yàn)工況12主要在其他工況測試合格后開展,它們不對電器設(shè)備測試操作規(guī)范進(jìn)行約束,要求在特定城市的自由路況下開展整車夏季/冬季道路試驗(yàn),完全按照實(shí)際情況操作。夏季試驗(yàn)的基本要求為:平均環(huán)境溫度30 ℃,駕駛室密閉情況下,室內(nèi)溫度能夠平衡在20 ℃。對于冬季試驗(yàn)的基本要求為:平均環(huán)境溫度-25 ℃,駕駛室密閉情況下,室內(nèi)溫度能夠平衡在10 ℃。
表4 測試工況表
本文目標(biāo)車型為一汽集團(tuán)自主開發(fā)的某款微型乘用車。為了完成電量平衡測試,搭建了如圖5 所示的整車電量平衡測試平臺(tái)。圖5中,筆記本電腦、數(shù)據(jù)采集儀、12V/220V逆變器均為外加測試設(shè)備,因此由備用蓄電池供電,以便保證原車電量平衡測試的準(zhǔn)確性。其他試驗(yàn)設(shè)備包括:CANoe、電控系統(tǒng)開發(fā)工具、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、HIOKI8855型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄儀、HIOKI電壓探頭、FLUKE80i-110s型電流鉗、K型熱電偶、NFS300型逆變器、設(shè)備電源(12V/100 A·h車用蓄電池)、簡易直流充電機(jī)、比重計(jì)、自制測試延長線等。其中,CANoe用于采集整車CAN線信號(hào),主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、油門開度、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、制動(dòng)狀態(tài)、空調(diào)狀態(tài)、大燈狀態(tài)和散熱器風(fēng)扇狀態(tài)等;HIOKI8855型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄儀用于采集相關(guān)傳感器信號(hào),具體如表5所示。
圖5 整車電量平衡測試平臺(tái)
通道測試點(diǎn)測試設(shè)備信號(hào)類型與單位物理意義測試目的1#大線—蓄電池側(cè)FLUKE80i-110s型電流鉗電流/A蓄電池充放電流監(jiān)測蓄電池充放電狀態(tài)2#大線—發(fā)電機(jī)側(cè)FLUKE80i-110s型電流鉗電流/A發(fā)電機(jī)輸出電流監(jiān)測發(fā)電機(jī)輸出狀態(tài)3#大線—電氣負(fù)載側(cè)FLUKE80i-110s型電流鉗電流/A電氣負(fù)載消耗電流監(jiān)測電氣負(fù)載功耗狀態(tài)4#蓄電池(正負(fù)極間)HIOKI電壓探頭電壓/V蓄電池端電壓輔助監(jiān)測蓄電池狀態(tài)5#發(fā)電機(jī)(B+對殼體)HIOKI電壓探頭電壓/V發(fā)電機(jī)輸出端電壓輔助監(jiān)測發(fā)電機(jī)狀態(tài)6#發(fā)電機(jī)殼體K型熱電偶電流/V發(fā)電機(jī)殼體溫度監(jiān)測發(fā)電機(jī)溫升狀態(tài)7#發(fā)動(dòng)機(jī)倉(近發(fā)電機(jī))K型熱電偶電流/V發(fā)動(dòng)機(jī)倉溫度監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)倉內(nèi)溫度8#駕駛室內(nèi)K型熱電偶電流/A環(huán)境溫度監(jiān)測行車環(huán)境溫度
整車電量平衡試驗(yàn)結(jié)果的評價(jià)包括以下四個(gè)方面:
①蓄電池電量平衡能力
蓄電池電量平衡的評判標(biāo)準(zhǔn)用蓄電池的充電、放電比率K衡量[18]。
K=∑(IinΔtin)/∑(IoutΔtout),
(1)
式中,Iin為蓄電池在Δtin時(shí)間內(nèi)平均充電電流;Δtin為蓄電池充電時(shí)間段;Iout為蓄電池在Δtout時(shí)間內(nèi)平均放電電流;Δtout為蓄電池放電時(shí)間段;考慮汽車起動(dòng)時(shí)蓄電池的容量和系統(tǒng)可靠性,要求K≥1.2。
②發(fā)電機(jī)發(fā)電能力
該項(xiàng)指標(biāo)用于考核發(fā)電機(jī)發(fā)電量能否時(shí)刻滿足整車用電需求,要求在整車使用過程中各用電設(shè)備可正常工作,蓄電池電量保持平衡。
③發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)能力
該項(xiàng)指標(biāo)用于考核蓄電池低溫放電能力,要求整車在-30 ℃可以正常起動(dòng)。
④駕乘舒適性
該項(xiàng)評價(jià)以主觀評價(jià)為主,如打開大的用電負(fù)載,是否出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速明顯突變;空調(diào)系統(tǒng)性能是否滿足使用要求;除霜加熱、座椅加熱等功能是否滿足使用要求;照明系統(tǒng)性能是否穩(wěn)定等。
本文對12個(gè)工況下的整車電量平衡開展了為期一年的試驗(yàn)驗(yàn)證,其中工況1到工況6的試驗(yàn)在三亞和北京開展,工況7到工況12的試驗(yàn)在黑河開展。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,整車電量平衡均滿足上述四項(xiàng)要求,其中部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示,由圖6(a)、(b)可知,在整個(gè)循環(huán)過程中,整車起動(dòng)完成后,蓄電池的電流一直在-3A左右,發(fā)電機(jī)輸出電流小于額定值,這說明發(fā)電機(jī)能夠滿足整車電量需求,蓄電池電量保持平衡,由圖c可知,車速變化平穩(wěn),說明實(shí)驗(yàn)過程中乘坐舒適性良好。另外,經(jīng)過用戶實(shí)驗(yàn)表明,通過試驗(yàn)測試要求的車輛,投放市場后電量平衡均未發(fā)現(xiàn)問題。
圖6 高寒地區(qū)實(shí)車道路試驗(yàn)結(jié)果
針對微型乘用車電器設(shè)備越來越多,整車電量平衡越來越重要,而目前尚無統(tǒng)一測試標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀,從目標(biāo)車型的實(shí)際配置出發(fā),對整車電量平衡原理及影響整車電量平衡的關(guān)鍵因素進(jìn)行分析;并基于此考慮氣候、溫度、駕駛習(xí)慣、工況等影響因素,提出了測試方法、測試工況及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn),搭建了整車測試平臺(tái);對整車電量平衡開展了為期一年的道路試驗(yàn)測試,測試結(jié)果及用戶試驗(yàn)表明:
①本文提出測試方法及測試工況能夠滿足微型車整車電量平衡測試要求;
②包括蓄電池電量平衡能力、發(fā)電機(jī)發(fā)電能力、發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)能力和駕乘舒適性在內(nèi)的四項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)完全可以滿足微型車整車電量平衡的評價(jià)要求;
③經(jīng)測試合格后的車輛,在整車使用過程中,蓄電池電流保持在-3A左右,發(fā)電機(jī)電流小于額定值,整車車速變化平穩(wěn),乘坐舒適性良好。
④滿足試驗(yàn)測試要求的車輛,投放市場后電量平衡均能滿足要求,相關(guān)試驗(yàn)方法對其他微型車電量平衡測試具有一定的借鑒意義。
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(責(zé)任編輯 梁 健)
Study on the method to test power balance of a mini vehicle
YANG Kun1, DONG Xiu-hui2, WANG Jie1, LIU Ji-shun3, GUO Dong1, TANG Peng1
(1.School of Transportation and Vehicle Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China; 2.China First Automotive Works Corporation Limited Research and Development Center, Changchun 130011, China; 3.IAT Automobile Technology Corporation Limited,Beijing 100076,China)
Aiming at the situation of mini vehicle power balance, which is more and more important and no unified standard, by analyzing the influence factors, test methods of vehicle power balance was studied based on the vehicle in service and the vehicle electrical configuration. 12 kinds of test conditions and power balance verification standard were given. A platform for testing vehicle power balance was built. The vehicle road tests had been done in Sanya,Heihe and Beijing for one year. The test results showed that the test platform and verification standard could meet the test requirements of vehicle power balance. If the vehicle met the requirements, its battery current was kept in about -3A, the generator current was less than the rated value and the vehicle speed was steady. The power balance could meet the requirement of market. The relevant test methods have certain
ignificance to the power balance test of other mini vehicles.
mini vehicle; power balance; testing methods; road test
2016-03-24;
2016-04-20
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508315, 51575325);山東省自然科學(xué)基金(ZR2015PE020, ZR2015EL025);山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助(2015GGX105099)
王 杰(1979—),女,吉林通化人,山東理工大學(xué)副教授;E-mail:wj_jl@sina.cn。
楊坤,董秀輝,王杰,等.某微型車整車電量平衡試驗(yàn)方法研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,41(5):1377-1385.
10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1377
U463.5
A
1001-7445(2016)05-1377-09