城市公交車整車電平衡設(shè)計(jì)

夏侃侃 劉童亮 王艷飛

摘要：隨著汽車電子電器技術(shù)的迅速發(fā)展，電器功能日益增多且復(fù)雜，對車輛舒適、智能和安全可靠性等要求的提高，整車電平衡的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證尤顯重要。本文結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析改進(jìn)電平衡的設(shè)計(jì)計(jì)算方法;重點(diǎn)結(jié)合整車電平衡試驗(yàn)做出動態(tài)特性曲線，對電平衡理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：蓄電池容量、整車用電器的供用電、起動機(jī)、發(fā)電機(jī)。

1.汽車電平衡的設(shè)計(jì)方法

汽車電平衡的設(shè)計(jì)需要考慮發(fā)動機(jī)參數(shù)、整車用電器功率和使用頻度等，重點(diǎn)需要關(guān)注電平衡關(guān)鍵零部件選型順序和各關(guān)鍵零部件的影響因素。

2.起動機(jī)的選型

起動機(jī)的作用是起動發(fā)動機(jī)，一般需要起動機(jī)以大電流工作2～5s。發(fā)動機(jī)的起動特性決定了起動機(jī)的性能參數(shù)，發(fā)動機(jī)的起動特性參數(shù)包括起動轉(zhuǎn)矩和起動轉(zhuǎn)速。設(shè)定試驗(yàn)測定極限低溫工況下的起動轉(zhuǎn)矩為M0，起動轉(zhuǎn)速為n0，由M0和n0可得出起動需求功率P0=M0×n0×2π/60。根據(jù)傳動比i和齒輪的嚙合效率η（η通常為0.9），可計(jì)算出發(fā)動機(jī)起動過程中起動機(jī)的輸出參數(shù)：轉(zhuǎn)矩M1=M0/i，轉(zhuǎn)速n1=n0×i，功率P1=P0/η。起動機(jī)的輸出功率會隨溫度而變化，再根據(jù)起動機(jī)溫度系數(shù)修正出常溫下起動機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和功率，即可完成起動機(jī)的參數(shù)選擇。

3.蓄電池的選型

蓄電池最主要的作用是起動發(fā)動機(jī)，故其選型應(yīng)先分析起動機(jī)（或發(fā)動機(jī)）的特性。蓄電池的低溫起動電流應(yīng)大于起動機(jī)輸出特性曲線圖上功率最大點(diǎn)對應(yīng)的起動電流，以確保實(shí)現(xiàn)起動發(fā)動機(jī)，同時(shí)小于功率曲線與力矩曲線交點(diǎn)處對應(yīng)的電流，在符合條件的蓄電池中選擇容量較大者以增加起動發(fā)動機(jī)的可靠性。依此原則選擇的蓄電池，不會因蓄電池容量選擇過大出現(xiàn)浪費(fèi)及蓄電池體積增大而影響整車的裝配空間及質(zhì)量。車輛在長途運(yùn)輸或長時(shí)停放后應(yīng)能起動發(fā)動機(jī)，所以在蓄電池選型時(shí)，需考慮整車靜態(tài)電流的驗(yàn)證。

4.發(fā)電機(jī)的選型

發(fā)電機(jī)的作用是在發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，發(fā)出電量既滿足整車用電器用電量需求，同時(shí)還能補(bǔ)充蓄電池消耗的電能。發(fā)電機(jī)是汽車的主要電能來源，考慮到保證整車用電設(shè)備的電量供給，提高發(fā)動機(jī)的動力性，發(fā)電機(jī)功率的選擇應(yīng)保證滿足整車的正常電器用電量和蓄電池充電量。發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力主要與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，隨著轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)電機(jī)的發(fā)電量逐漸增大。而整車用電器的電能消耗量主要與整車用電器在各運(yùn)行工況下的使用頻度相關(guān)。通過計(jì)算發(fā)電機(jī)的發(fā)電能力與整車用電器用電量的關(guān)系進(jìn)行發(fā)電機(jī)的選型。

5.汽車電平衡的驗(yàn)證分析

整車電平衡驗(yàn)證通過靜態(tài)平衡和動態(tài)平衡兩方面來驗(yàn)證。具體如下。

5.1靜態(tài)平衡

首先，針對靜態(tài)電流，則關(guān)閉所有用電器并鎖好車輛，使其進(jìn)入休眠狀態(tài)后（即電流沒有明顯變化）記錄此時(shí)的電流值，確認(rèn)整車在靜止?fàn)顟B(tài)下耗電量。其次，針對低溫最低起動容量。使用充電量為20%、30%、40%、50%的鉛酸蓄電池，在低溫-30℃條件下，測試整車的起動情況，考核蓄電池的低溫起動能力。接著，蓄電池自放電電流。蓄電池自放電是電平衡的一個(gè)重要參數(shù)，不同的蓄電池廠商此電流會有不同，因此需要與蓄電池廠商共同確認(rèn)，以保證設(shè)計(jì)時(shí)選型的定義。最后，汽車用電器負(fù)載測量。將汽車以一般用電狀態(tài)運(yùn)行30min，使汽車內(nèi)蓄電池達(dá)到一定電量水平，保持蓄電池電壓基本穩(wěn)定。這時(shí)測量各主要用電器在高功耗、低功耗和一般功耗的耗電量，尤其是最高值，以確保實(shí)測值與理論值吻合。

5.2動態(tài)平衡

動態(tài)平衡通過汽車電平衡道路試驗(yàn)來驗(yàn)證。通過測量汽車在各典型工況下發(fā)電機(jī)、蓄電池及用電器的用電狀態(tài)和車內(nèi)各關(guān)鍵部件處的溫度狀態(tài)，來全面評測實(shí)車的電平衡狀態(tài)。道路試驗(yàn)所需設(shè)備主要有數(shù)據(jù)采集器、電流傳感器、萬用表、筆記本計(jì)算機(jī)、數(shù)字采集軟件和通用蓄電池測試儀等。試驗(yàn)通過監(jiān)控電流、電壓及溫度值，測量蓄電池充放電電流、發(fā)電機(jī)發(fā)電電流、用電器耗電總電流、發(fā)電機(jī)端電壓與蓄電池端電壓。并根據(jù)特殊要求測量點(diǎn)，測量蓄電池周圍溫度、發(fā)電機(jī)外殼溫度、環(huán)境溫度、車內(nèi)溫度等。汽車運(yùn)行時(shí)，其電氣負(fù)載常處于不同狀態(tài)，一般選擇高功率和低功耗進(jìn)行試驗(yàn)。

5.2.3電氣動態(tài)特性曲線

電氣系統(tǒng)的動態(tài)特性曲線是在一個(gè)行駛循環(huán)下，蓄電池電壓隨蓄電池電流的變化。該特性曲線反映了蓄電池、發(fā)動機(jī)、用電器、溫度、轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)與發(fā)電機(jī)傳動比等各部件的相互作用。特性曲線主要從以下幾方面分析。

縱坐標(biāo)的電壓值，是車輛起動后從蓄電池兩端測得的電壓，該值為發(fā)電機(jī)端電壓減去發(fā)電回路電壓降得到，定義為U。某一特定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速n對應(yīng)In，當(dāng)用電器電流I>In時(shí)，會造成電壓U大幅度地下降。如忽略發(fā)電機(jī)回路電壓降的影響，電壓U可表示為發(fā)電機(jī)電壓，該值與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、用電器電流、發(fā)電機(jī)的溫度有關(guān)。U0為發(fā)電機(jī)額定電壓，U1為發(fā)電機(jī)平衡狀態(tài)。從發(fā)電機(jī)效率分析，在U1之上為發(fā)電機(jī)有部分裕量，還有發(fā)電潛力;特性曲線盡可能地靠近U1，這樣發(fā)電機(jī)功率得到充分利用，又不會造成蓄電池虧電。

橫坐標(biāo)表示蓄電池充放電電流，在發(fā)電機(jī)滿足負(fù)載需求條件下，分析橫坐標(biāo)充放電電流與蓄電池的關(guān)系，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，-40～40A比較合理。

縱軸右側(cè)比例城市高功耗電平衡試驗(yàn)后，要求充電量要比放電量大，曲線在縱軸右側(cè)為蓄電池充放電電流大于0，蓄電池處于充電狀態(tài)，所以右側(cè)數(shù)據(jù)量應(yīng)大于左側(cè)。

通過以上分析，可以看出：當(dāng)縱軸電壓在（U2，U1）和

6.結(jié)束語

發(fā)電機(jī)、蓄電池和整車用電器的供用電，是一個(gè)相互平衡的過程。合理設(shè)計(jì)整車電平衡性能，不但可保證車輛電源系統(tǒng)的安全可靠性，還可指導(dǎo)零部件選型，有效降低發(fā)電機(jī)、蓄電池等零部件的成本、質(zhì)量，增加蓄電池等零部件壽命，降低整車油耗。

參考文獻(xiàn)：

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