智能充電系統(tǒng)對(duì)油耗測(cè)試結(jié)果的影響研究

王小臣，楊正軍，于津濤

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 北京100176)

智能充電系統(tǒng)對(duì)油耗測(cè)試結(jié)果的影響研究

王小臣，楊正軍，于津濤

(中國(guó)汽車技術(shù)研究中心 北京100176)

介紹了智能充電系統(tǒng)的組成和基本控制策略。選取若干輛配備和未配備該系統(tǒng)的典型車輛，研究了系統(tǒng)對(duì)油耗測(cè)試結(jié)果的影響并分析其原因，隨后測(cè)試同一輛車在不同 SOC的初始條件下的油耗變化，指出帶有智能充電系統(tǒng)的車輛節(jié)油效果更加明顯。

智能充電系統(tǒng) 油耗測(cè)試 蓄電池

0 引 言

汽車油耗的高低是其發(fā)動(dòng)機(jī)本體技術(shù)與外在技術(shù)綜合作用的結(jié)果。各大汽車廠商在努力改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)本體技術(shù)的同時(shí)，也一直致力于改進(jìn)與提升典型機(jī)外技術(shù)。近年來(lái)日益興起的機(jī)外技術(shù)，比較典型的包括啟停裝置、低阻力輪胎、智能充電系統(tǒng)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向等，[1]這些技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)車輛油耗的降低有著很大的貢獻(xiàn)。本文旨在通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，分析智能充電技術(shù)對(duì)油耗的影響。

1 智能充電系統(tǒng)

智能充電系統(tǒng)指在傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)和蓄電池基礎(chǔ)上引入了智能充放電控制策略，通過(guò)控制交流發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流，最大限度減少發(fā)電機(jī)所使用的發(fā)動(dòng)機(jī)功率。它包括智能充電和能量回收兩個(gè)功能。

1.1 智能充電

智能充電在某些車型上也稱作智能發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器(Intelligent Generator Regulator，IGR)，這套系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、AGM 蓄電池、傳感器及控制單元構(gòu)成。[2]傳感器用于測(cè)量 AGM電池的充、放電電壓和電流，控制單元根據(jù)測(cè)量結(jié)果判斷電瓶的充電狀態(tài)(State Of Charge，SOC)和老化狀態(tài)(State Of Health，SOH)，從而控制 IGR的調(diào)節(jié)過(guò)程。智能發(fā)電系統(tǒng)工作的核心是改變蓄電池的充電策略。傳統(tǒng)車輛發(fā)電機(jī)始終對(duì)蓄電池進(jìn)行 100%,充電，在恒電壓模式下電流大小主要取決于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；而配備智能發(fā)電機(jī)的車輛，發(fā)電機(jī)不會(huì)始終對(duì)AGM蓄電池進(jìn)行100%,充電，而是設(shè)定 SOCmin和 SOCmax，在車輛行駛過(guò)程中進(jìn)行調(diào)節(jié)(見(jiàn)圖1)。

圖1 智能充電系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of an intelligent charging system

如圖1所示，當(dāng)電瓶電量低于SOCmin時(shí)，IGR以最大電流 100%,輸出，一方面滿足車輛用電器需求，一方面給 AGM電瓶充電；在車輛正常行駛時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出使電瓶電量維持在SOCmin和SOCmax之間，電池既不充電也不放電，發(fā)電機(jī)輸出只為用電器供電；電池電量超過(guò) SOCmax時(shí)，用電器絕大部分由蓄電池供電，發(fā)電機(jī)輸出最小。

1.2 能量回收

在車輛滑行期間，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速都超過(guò)設(shè)定值時(shí)，利用車輛的動(dòng)能通過(guò)車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)作用在發(fā)電機(jī)上，從而產(chǎn)生電能。IGR向發(fā)電機(jī)提供最大勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)輸出最高電壓，充分利用制動(dòng)時(shí)回收的能量給蓄電池充電。

2 試驗(yàn)說(shuō)明

2.1 測(cè)試設(shè)備(見(jiàn)表1)及試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)分為兩類：①冷車試驗(yàn)，按照法規(guī)預(yù)處理后在環(huán)境倉(cāng) 25,℃恒溫條件下浸置 12～16,h后開(kāi)始試驗(yàn)；②熱車試驗(yàn)，即通過(guò) 80,km/h勻速行駛，使水溫、油溫達(dá)到平衡狀態(tài)后(1,min內(nèi)變化小于 1,℃)，開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 測(cè)試設(shè)備及用途Tab.1 Test equipment and their applications

2.2 不同SOC狀態(tài)電瓶的準(zhǔn)備

SOC用于描述電池剩余電量，是電池使用過(guò)程中的重要參數(shù)。美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)在其《電動(dòng)汽車電池實(shí)驗(yàn)手冊(cè)》中定義 SOC為：電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值，即：

SOC＝Qc/Cf

式中，Qc為電池剩余的電量，Cf為電池以恒定電流I放電時(shí)所具有的容量。SOC＝100%,表示電池為充滿電狀態(tài)，SOC＝0則表示電池已處于全放電狀態(tài)。

本試驗(yàn)將事先通過(guò)專用充電器對(duì)電瓶充電 8,h以上直至充電電流＜0.2,A認(rèn)為該電瓶已充滿，然后通過(guò)專用放電設(shè)備進(jìn)行等電流放電，監(jiān)控放電電流并對(duì)時(shí)間積分得到放電電量 Q1(Ah)，除以電瓶上標(biāo)注的額定電量 Q(Ah)，得到不同狀態(tài) SOC＝1－Q1/Q的電瓶，然后分別測(cè)試不同 SOC狀態(tài)電瓶對(duì)帶有智能發(fā)電系統(tǒng)車輛油耗的影響程度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 不同電量狀態(tài)對(duì)帶和不帶智能充電系統(tǒng)車輛油耗的影響

選取 3輛帶智能充電系統(tǒng)的車輛(編號(hào)分別為1#～3#)，試驗(yàn)前分別充滿電并靜置放電使電量不足，分別在涼車時(shí)對(duì)比充電和不充電時(shí)的油耗，并選取 2輛普通不帶智能充電系統(tǒng)車輛(編號(hào)分別為 4#和5#)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2所示：

表2 配備和不配備智能充電系統(tǒng)車輛在未充電和充電后冷車油耗測(cè)試結(jié)果Tab.2 Cold test results under incomplete charging and full charging condition with/without an ICS

從表 2的 1～3行可以看出，3輛帶有智能發(fā)電機(jī)能量回收發(fā)電機(jī)的車輛在充電和不充電兩種工況下進(jìn)行試驗(yàn)，油耗結(jié)果出現(xiàn)較大偏差；如果試驗(yàn)前不加以限制規(guī)范，帶有這種智能充電的車輛在進(jìn)行油耗試驗(yàn)時(shí)，由于 SOC狀態(tài)不確定從而導(dǎo)致結(jié)果的一致性很難保證；對(duì)于帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，初始蓄電池電量狀態(tài)會(huì)直接影響油耗試驗(yàn)結(jié)果，本文中的樣車油耗偏差最高接近 10%,；從表 2的最后兩行可以看出，對(duì)于4#和5#兩輛不帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，初始蓄電池電量狀態(tài)不會(huì)直接影響油耗試驗(yàn)結(jié)果。

3.1.1 帶有IGR車輛的模態(tài)分析

圖2和圖3為1#車輛完全充電和未充電時(shí)的工況曲線圖。從圖 2可看出，車輛在完全充電后行駛的前 600,s內(nèi)，發(fā)電機(jī)始終沒(méi)有電流輸出即沒(méi)有功率輸出，車輛始終用的是電瓶電量，電瓶電壓從 12.36,V逐漸降低至 12.31,V，從 600,s開(kāi)始，電流逐漸加大，隨著不同車速轉(zhuǎn)速電流在 10～40,A之間波動(dòng)；在1,140,s附近時(shí)，當(dāng)車速?gòu)?120,km/h向下滑行，通過(guò)激活制動(dòng)回收電流增至 100,A，發(fā)電機(jī)以最大功率輸出，充分利用回收的動(dòng)能對(duì)電瓶充電，充電電壓也達(dá)到 13.05,V 左右，在此試驗(yàn)過(guò)程中，燃油消耗量為7.5,L/100,km。

圖2 1#車輛完全充電時(shí)電壓電流曲線Fig.2 Voltage and current curve of 1# vehicle under full charging condition

圖3 1#車輛未充電時(shí)電壓電流曲線Fig.3 Voltage and current curve of 1# vehicle under incomplete charging condition

圖 3表示 1#車輛試驗(yàn)前未充電，從啟動(dòng)開(kāi)始至400,s左右時(shí)，充電電流始終在 80,A左右，充電電壓也在 14,V，發(fā)電機(jī)始終在較高功率輸出，后期電瓶電量增加并超過(guò) SOCmin限值，充電電流減小至 20～60,A，電瓶充電電壓也為12.6,V左右，此工況試驗(yàn)油耗測(cè)試值為8.1,L/100,km。

3.1.2 不帶IGR車輛的模態(tài)分析(見(jiàn)圖4、5)

從圖4和圖5可以看出，對(duì)于不帶IGR功能的5#車輛來(lái)說(shuō)，無(wú)論車輛試驗(yàn)前是否充電，其發(fā)電機(jī)輸出電壓始終為 14.4,V左右、100%,的充電模式，雖然上圖充電電流在前 800,s由于負(fù)載小而比下圖略少，但對(duì)最終油耗結(jié)果基本沒(méi)有影響。

圖4 5#車輛完全充電時(shí)電壓電流曲線Fig.4 Voltage and current curve of 5# vehicle under full charging condition

圖5 5#車輛未充電時(shí)電壓電流曲線Fig.5 Voltage and current curve of 5# vehicle under incomplete charging condition

3.2 不同 SOC狀態(tài)對(duì)帶有智能充電系統(tǒng)車輛油耗的影響

在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，只是將電瓶靜置放電至 SOC為70%,～80%,左右，并沒(méi)有精確測(cè)量，為了進(jìn)一步準(zhǔn)確對(duì)比同一輛車在不同 SOC狀態(tài)下，電瓶電量對(duì)油耗的影響，針對(duì) 2#車輛使用了 3塊容量為 70,Ah的電瓶進(jìn)行熱車狀態(tài)下的工況油耗試驗(yàn)。3塊電瓶首先均充滿，然后將2#和3#兩塊電瓶分別以5,A的恒流放電方式分別進(jìn)行放電，一塊放電 3,h，另一塊放電5.5,h，放電同時(shí)接上功率計(jì)對(duì)電流進(jìn)行采集并積分顯示總放電量，因此3塊電瓶容量見(jiàn)表3。

表3 將3塊電瓶分別放電至不同SOCTab.3 Discharging 3 batteries to different SOC states

不同于冷車狀態(tài)下的測(cè)試，本部分試驗(yàn)用3塊電瓶分別在熱車狀態(tài)下進(jìn)行油耗試驗(yàn)，結(jié)果如圖 6，分別為7.0,L/100,km、6.2,L/100,km和5.9,L/100,km。

圖6 2#車輛在不同SOC狀態(tài)下工況油耗Fig.6 Fuel consumption test result of 2# vehicle under different SOC states

目前，我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)前車輛是否允許充電并未加以限制，而從上述數(shù)據(jù)中可見(jiàn)，對(duì)于帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，不同 SOC狀態(tài)下油耗會(huì)有很大差別，2#車輛在 60%,SOC和 100%,SOC的不同電瓶狀態(tài)下油耗相差可達(dá)15.7%,，因此在認(rèn)證試驗(yàn)前應(yīng)規(guī)范SOC狀態(tài)。

3.3 理論驗(yàn)證

為驗(yàn)證在循環(huán)工況測(cè)試中發(fā)電機(jī)消耗功率占發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的百分比，特針對(duì) 1#車輛記錄以下數(shù)據(jù)并根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：，發(fā)電機(jī)輸出端電壓和電流的乘積即為發(fā)電機(jī)的輸出功率，此輸出功率在整個(gè)循環(huán)工況中進(jìn)行累加即得到發(fā)電機(jī)的輸出電能，kJ；

1#車輛在充電和不充電時(shí)，在整個(gè) NEDC在1,180,s的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)輸出電能以及發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能量如表4所示：

表4 1#車輛發(fā)電機(jī)電能和發(fā)動(dòng)機(jī)能量Tab.4 Generator’s electricity and engine’s power of 1# vehicle

可以看出，發(fā)電機(jī)在整個(gè)NEDC過(guò)程中耗費(fèi)的能量可占到發(fā)動(dòng)機(jī)總輸出能量的16.4%,，因此使用智能發(fā)電機(jī)在 NEDC整個(gè)循環(huán)中如果始終不工作或處于低負(fù)載狀態(tài)最多可以節(jié)省 10%,左右的燃油，這與試驗(yàn)結(jié)果也是相符的。

4 結(jié) 論

①對(duì)于帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，在試驗(yàn)前將電瓶充滿電則節(jié)油效果明顯；而對(duì)于不帶有智能充電系統(tǒng)的車輛，初始蓄電池電量狀態(tài)不會(huì)直接影響油耗試驗(yàn)結(jié)果。②帶有智能充電系統(tǒng)的車輛充電和不充電兩種工況下試驗(yàn)，油耗結(jié)果出現(xiàn)較大偏差；如果試驗(yàn)前不加以限制規(guī)范，由于 SOC狀態(tài)不確定從而導(dǎo)致結(jié)果的一致性很難保證。③同一輛車試驗(yàn)前初始SOC狀態(tài)不同，油耗差值可高達(dá) 15%,以上。④為保證合理反映帶有智能充電系統(tǒng)車輛的真實(shí)油耗水平，不建議在試驗(yàn)前對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，同時(shí)也應(yīng)該避免車輛在極度饋電的狀況下進(jìn)行試驗(yàn)。建議在預(yù)處理之后檢查確認(rèn)好蓄電池的電量狀態(tài)，預(yù)處理之后不再對(duì)車輛蓄電池進(jìn)行外接充電。

［1］ 李偉，于津濤，楊正軍. 典型機(jī)外技術(shù)對(duì)工況法油耗測(cè)試結(jié)果影響的研究[J]. 天津科技，2014(4)：34-37.

［2］ 程麗群. 寶馬E70車智能化發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)裝置[J]. 汽車維護(hù)與修理，2009(8)：64-65.

［3］ 國(guó)家環(huán)境?？偩? GB,18352. 3—2005：輕型汽車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅲ、Ⅳ階段)[S]. 北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2005.

［4］ 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T 19233—2008 輕型汽車燃料消耗量試驗(yàn)方法[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

The Impact of Intelligent Charging System on Fuel Consumption

WANG Xiaochen，YANG Zhengjun，YU Jintao
(China Automotive Technology and Research Center，Beijing 100176，China)

This paper describes the structure and control strategy of an Intelligent Charging System(ICS)．Several typical vehicles with and without ICS were selected and studied regarding its influence on their fuel consumption. Then，fuel consumptions of the same vehicle with ICS under different battery initial SOC statuses were probed．It was concluded that vehicles with ICS have better efficiency of fuel saving.

intelligent charging system；fuel consumption；storage battery

TK417

A

1006-8945(2016)01-0056-04

2015-12-20