基于某款車型的整車電平衡驗證測試

安永嶺，端木瓊，王子龍，汪春華，王東升

（1.河北工業(yè)大學機械工程學院，天津 300134；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300）

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

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

整車電源系統的不匹配大體可分為兩種情況，第一種為供電系統能力不足，發(fā)電機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轉時容易出現燈光變暗、控制器和傳感器故障、ABS故障、助力失效、發(fā)動機自動熄火等嚴重后果；第二種為供電系統能力過剩，發(fā)電機和蓄電池的選型不合理，供電系統的供電能力過大，實際負荷遠小于額定載荷，造成資源的一種浪費，不符合經濟、環(huán)保、節(jié)能、綠色的設計理念。

本文結合某款車型電源系統整改的實例，前后兩次試驗數據的對比，重點對實車電平衡驗證測試和整車電源系統的整改優(yōu)化進行論述。

1 整車電平衡驗證測試

目前進行實車電平衡驗證測試的途徑主要分為兩類，第一類為實車路試，即選擇不同的環(huán)境及道路對車輛的電源系統進行測試，驗證車輛在實際使用中的供耗電匹配狀況。這類方式的優(yōu)點在于接近某一特定實際路況，測試費用較低；缺點在于環(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。

整車電平衡驗證測試大多采用第二類方式，即在轉轂實驗室內模擬出測試所需的行駛環(huán)境，使用典型路況進行測試。電平衡驗證測試一般分為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，整個測試的關鍵在于城市道路工況的設計和選擇上，工況越合理，越接近車輛實際運行過程中車載電器系統的供耗電狀態(tài)。目前國內實驗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準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果符合歐盟的歐Ⅲ和歐Ⅳ的排放法規(guī)，恰與我國排放標準相近［5］，國內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證測試過程中不斷優(yōu)化改進的結果，具有很強的實用性，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 實車驗證測試

整車電平衡驗證測試在選擇實驗室道路測試工況時，應盡量符合實際路況，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，此次驗證車輛采用如圖5所示的整車電平衡測試工況進行測試，環(huán)境溫度、電器負載開啟情況等其余主要測試參數設置如下。

1）試驗車的相關參數 排量1500mL，驅動形式為前驅，整備質量1310kg，發(fā)電機參數14V／80A，蓄電池參數12V／45Ah。

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

3）測試工況 根據相關資料和企業(yè)標準，此試驗車在做整車電平衡驗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 根據車輛電器在不同環(huán)境中實際使用的情況，測試時汽車電器系統可分為夏／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)動機的電噴系統、保證車輛正常行駛的各種控制器和傳感器等［2］；②根據車輛行駛的環(huán)境，出于安全性和舒適性考慮，需要一直使用的長時負載，如近光燈、刮水器等；③車輛行駛時隨機性、短時間使用的電器，如喇叭、車窗、除霜器等。依據測試條件、電器負載的類型和試驗車的實際狀態(tài)，編制出各工況測試時車輛電器負載的開啟情況見表1。

5）數據采集 測試過程中的監(jiān)控及分析數據的需要，對整車的關鍵部件和必要的參數應通過數據采集設備進行采集，試驗車兩次試驗時具體的監(jiān)控參數如下：發(fā)電機、蓄電池、發(fā)動機艙、外部環(huán)境監(jiān)控溫度；發(fā)電機、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)動機轉速和車速。

6）測試結果 試驗車輛在轉轂實驗室內做驗證測試的主要數據處理結果見表2。

由表2的試驗數據可以得出：夏季工況下，發(fā)電機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)下長期運行，必然會導致蓄電池虧電，停車后由于蓄電池電量低，車輛將無法起動。

表1 電器負載開啟表

表2 整改前試驗數據統計表

夏季與冬季相比，夏季發(fā)電機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)電機的性能受環(huán)境影響較大，尤其是在高溫環(huán)境，發(fā)電機的熱態(tài)輸出特性、穩(wěn)定性較差；夏季怠速時，發(fā)動機轉速1 000 r／min左右，蓄電池放電電流16.3A，發(fā)電機在低轉速的情況下，發(fā)電能力有限；然而使用者為追求舒適性和娛樂性要求，實際使用中很容易出現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入怠速工況，由于長時間的運轉，發(fā)動機艙內的溫度不斷升高，夏季怠速時發(fā)電機表面平均溫度高達125.3℃。冬季工況時，發(fā)電機平均電壓均高于13.5V，蓄電池也以緩流的形式交替充放電，整車的供耗電系統處于平衡狀態(tài)。

3 整改

結合整車的參數配置和試驗數據，參考相關零部件的工作特性，重點對發(fā)電機的以下幾個方面進行了改進。

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

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

整改后的試驗數據表明，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準；同時發(fā)電機功率的降低，在一定程度上也節(jié)省了整車的成本。

經整改后的試驗數據見表3，試驗各參數設置與整改前的參數設置完全相同。

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

表3 整改后試驗數據統計表

冬季工況時，發(fā)電機平均電壓均高于13.5 V，蓄電池也以緩流的形式交替充放電，整車的供耗電系統處于平衡狀態(tài)；整改后的數據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

對比整改前后的兩組試驗數據可以看出，此次的整改驗證試驗達到了整車電源系統的用電平衡狀態(tài)，整車的電源系統的供電能力得到很大提高，保證車輛在安全運行的情況下，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)電機的轉速變化范圍較大，能很好地驗證發(fā)電機的穩(wěn)定性和在發(fā)電能力不足時與蓄電池的協調性；排放工況更多地注重發(fā)動機的使用性能及法律法規(guī)。

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

［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用（Ⅰ）［J］. 汽車電器， 2010 （2）： 9-15.

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

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

［5］朱毅.歐洲聯盟汽車技術法規(guī)最新發(fā)展［J］.汽車標準化，2008（2）：9-10.