何衛(wèi) 張雪 高麗
關鍵詞:高效發(fā)電機;VDA 效率;循環(huán)試驗;效率測試
0 引言
根據(jù)工業(yè)和信息化部新推出的《乘用車燃料消耗量限值》和《乘用車燃料消耗量評價方法及指標》,其中規(guī)定,我國乘用車的油耗水平需在2025 年下降至4 L/100 km。同時,測試循環(huán)將由全球輕型汽車測試循環(huán)(WLTC)改為中國汽車測試循環(huán)(CLTC),整車的油耗和排放更加嚴苛。隨著汽車電子電器技術的不斷發(fā)展,整車用電功耗越來越大,作為內(nèi)燃機上扭矩需求較大的附件,使得發(fā)電機效率對整車燃油經(jīng)濟性的影響也越來越大[1]。
目前國內(nèi)車企均使用歐洲指定的VDA 效率來定義發(fā)電機效率,選取50% 額定輸出電流在23℃的環(huán)境溫度下測試效率[2],對于在整車評價發(fā)電機有一定局限性。例如,在整車油耗試驗中,分別選取65%、68% 和75% 的高效發(fā)電機按照GB/T 19233-2020《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》測試整車油耗,發(fā)現(xiàn)整車節(jié)油貢獻并不與效率成正比。為分析這種差異的來源,本文通過比較發(fā)電機VDA 效率以及發(fā)電機在整車工況測試的差異,優(yōu)化了發(fā)電機效率的測試方法,可作為新形勢下發(fā)電機效率測試及評價的補充。
1 VDA 效率
1.1 VDA 效率的概念
德國汽車工業(yè)聯(lián)合會(VDA)制定了汽車標準和最佳實踐,以滿足德國汽車行業(yè)公司的需求。協(xié)會成員包括汽車制造商和汽車零部件供應商,其制定的發(fā)電機效率簡稱VDA 效率[3]。
V D A 效率在發(fā)電機性能臺架上測得, 按給定的轉(zhuǎn)速(1 800 r/min、3 000 r/min、6 000 r/min、10 000 r/min)和給定的負載(50% 負載)在25℃工作溫度下測得。此工況和整車測試下的工況有較大出入,綜合效率按式(1)計算得出。
1.2 用VDA 效率評估整車節(jié)油貢獻的不足
在同一車輛上搭載同體型但不同VDA 效率(65%、68% 和75%)的發(fā)電機,將車輛按照GB/T 19233—2020 中的6.1、6.2、6.3、6.4 及6.5 所述的方法,在23℃恒溫試驗艙內(nèi)進行預處理和浸車[4]。之后按照圖2 中的車速曲線,將試驗車輛在試驗艙轉(zhuǎn)鼓上運行一個1 800 s 的循環(huán)。通過試驗艙的尾氣分析儀,可以計算出每一個循環(huán)的整車百公里油耗。
由于CLTC-P 循環(huán)中車輛開啟的電器負載較少,發(fā)電機的發(fā)電量也相應比較低。但實際駕駛中,存在各種電器負載的工作,所以還需要進行用電器的開啟和關閉試驗。在發(fā)電機VDA 效率實驗中,每組試驗由連續(xù)進行的一次用電器開啟(設定為國家推薦的50 A 電器負載)和用電器關閉試驗組成。不過,試驗車在關閉用電器測試中,由于儀表、日間行車燈以及燃油泵等還會產(chǎn)生基礎用電,通過儀器測量,基礎用電負載接近21 A。測試結(jié)果如表1 所示。
由測試結(jié)果可以看出,68% 效率發(fā)電機的油耗較65% 降低了0.2 L(約2.2%),但75% 效率發(fā)電機較68% 效率發(fā)電機的優(yōu)勢不明顯。由此可見,VDA 效率測試具有一定局限性,降低整車油耗不能單看VDA 效率高低。另一方面,由于不同VDA 效率的發(fā)電機成本相差100 ~ 200 元/ 臺,所以更需要準確評估在整車循環(huán)工況中發(fā)電機效率的影響。
2 獲取整車循環(huán)下的發(fā)電機工況
為分析在整車CLTC-P 循環(huán)工況中發(fā)電機是怎樣工作的,試驗車輛在轉(zhuǎn)鼓上測試整車油耗時,需要同時采集發(fā)電機的數(shù)據(jù),包括發(fā)電機工作溫度、發(fā)電機轉(zhuǎn)速以及發(fā)電機的輸出電壓、電流。其中,發(fā)電機轉(zhuǎn)速可以在采集發(fā)動機轉(zhuǎn)速后,通過速比轉(zhuǎn)換獲得;溫度和電壓、電流數(shù)據(jù)可以借助相關測試設備采集。
2.1 發(fā)電機數(shù)據(jù)采集
在整車循環(huán)試驗中,利用DEWETRON 臺架油耗測試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集發(fā)電機的輸出電流In、電壓Un 和環(huán)境溫度Tn,數(shù)據(jù)采樣頻率要求不超過100 Hz,且3 個參數(shù)的采樣頻率要一致。其中,輸出電流In 由鉗表獲得,電壓Un 由電壓傳感器獲得,環(huán)境溫度Tn 由溫敏電阻獲得。發(fā)電機轉(zhuǎn)速Nn 就可通過CAN 線中的發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號按式(2)轉(zhuǎn)換。
2.2 發(fā)電機各項數(shù)據(jù)分析
將試驗中測得的發(fā)電機轉(zhuǎn)速Nn、輸出電流In、發(fā)電機電壓Un 和環(huán)境溫度Tn 數(shù)據(jù)分別繪制運行曲線,如圖3 ~圖6 所示。
2.3 整車循環(huán)工況下發(fā)電機運行點
根據(jù)測試數(shù)據(jù)可知,發(fā)電機轉(zhuǎn)速Nn 為2 130 ~ 7 000 r/min,發(fā)電機電壓Un 平均值為14.2 V,發(fā)電機輸出電流In 為20 ~ 30 A,環(huán)境溫度Tn 平均溫度為50℃。由此可以設置整車循環(huán)工況下發(fā)電機效率測試工況點(表2)。
3 發(fā)電機新工況點效率測試
前文通過采集試驗車輛在整車油耗測試循環(huán)中的發(fā)電機各項數(shù)據(jù),獲得了發(fā)電機的實際運行點。這些運行點的效率對油耗有直接影響,所以有必要針對發(fā)電機在這些運行點下的效率進行臺架效率測試。
為比較VDA 效率68% 和75% 樣件在新工況下的效率差異,將測試樣件水平地安裝在LDFD-10 型發(fā)電機性能試驗臺上[5]。將驅(qū)動電機連接好測試樣件的輸入端,確保測試臺架可以運轉(zhuǎn)平順,輸出端電源線連接到設備電流電壓接線柱上,調(diào)節(jié)器需要接入勵磁電流線,溫度傳感器安裝在距離測試樣件后罩蓋25 mm 處,分別進行2 次發(fā)電機臺架效率測試。
設置試驗艙內(nèi)溫度為50℃,通過試驗設備控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速N n 和輸出電流I n ,按表2 的工況點逐一進行測試。測試過程中,每個轉(zhuǎn)速點需穩(wěn)定20 min 達到熱穩(wěn)態(tài),待發(fā)電機轉(zhuǎn)速N n 和輸出電流I n 在允許的精度范圍內(nèi)穩(wěn)定60 s 后,通過測試設備采集輸出端發(fā)電機電壓U n 和輸入端發(fā)電機扭矩Tn 結(jié)果。
記錄電機轉(zhuǎn)速Nn 、發(fā)電機電壓Un、輸出電流In 和發(fā)電機扭矩Tn。發(fā)電機輸出功率按式(3)計算:
4 測試結(jié)果分析
通過圖3 中的發(fā)電機轉(zhuǎn)速和時間數(shù)據(jù),統(tǒng)計發(fā)電機在CLTC工況下各轉(zhuǎn)速的時間比例,如圖7 所示。
計算發(fā)電機樣件在整車工況下的加權平均傳動效率,數(shù)據(jù)如表3 所示。
通過測試發(fā)現(xiàn),VDA 效率68% 樣件與75% 樣件的加權平均效率差距僅為2% ~ 3%,這就解釋了為什么這2 個VDA 效率的發(fā)電機樣件,節(jié)油貢獻并不明顯。但是,這2 個樣件的標稱VDA 效率差距有7%,如果主機廠單從VDA 效率角度去評估油耗,認為VDA 效率越高對油耗越有利,這樣會導致整車油耗的偏差和成本方面的巨大浪費(不同VDA 效率的發(fā)電機,成本相差100 ~ 200 元/ 臺)。從中也可以看出,整車循環(huán)工況下的高效發(fā)電機節(jié)油貢獻與加權平均效率相關度更高,而不是VDA 效率。整車項目開發(fā)中,使用VDA 效率為68% 的發(fā)電機會具有更高的性價比。
5 結(jié)束語
本文從整車CLTC 循環(huán)工況下發(fā)電機的實際工作點入手,通過采集發(fā)電機實際工作轉(zhuǎn)速、扭矩、輸出電壓、輸出電流和工作溫度,分析了為什么發(fā)電機VDA 效率在節(jié)能評價時存在局限性。在此基礎上,制定了一種新的發(fā)電機效率測試方法,作為新形勢下發(fā)電機效率測試及評價的補充,對高效發(fā)電機本體設計開發(fā)也具有借鑒意義。該測試方面可以有針對性地去提升某些點的效率,減少不必要的浪費和整車開發(fā)成本。