整车电量平衡计算

    

    

    摘 要：介绍了整车电量平衡的评定方法和整车电量理论计算方法，并列举实例分析了发电机和蓄电池的选型。

    关键词：电平衡;发电机;蓄电池;计算

    Abstract：The author introduces the power balance evaluation method of vehicle electrical appliances and the theoretical calculation method of whole vehicle.And it gives an example to analyze the type selection of generator and battery.

    Key words：Load Balance;Generator;Battery;Calculation

    随着汽车技术的快速发展，汽车电子化程度日益提高，车辆经常出现发电机和蓄电池选型偏小或整车电源系统过剩的整车电平衡问题。人们对车辆安全性智能性等的需求，使得设计开发初期电平衡计算十分重要。下文以某款高端皮卡为例，阐明如何通过整车的电量平衡计算选取发电机规格和蓄电池容量以确保整车电量平衡。

    1 研究汽车电量平衡的目的

    图1为汽车电平衡的基本原理图，其主要目的是要求车辆在所有使用工况下，蓄电池、交流发电机与整车用电器三者间的电能产生与消耗达到最佳匹配值并满足以下要求：

    （1）要求蓄电池随时能提供起动机需要的电流;

    （2）要求起动机不受温度影响，正常启动发动机;

    （3）当交流发电机的输出电压低于蓄电池的电压时，则由整车蓄电池放电，此時交流发电机和蓄电池共同对整车用电器供电;

    （4）当车辆交流发电机的输出电压高于蓄电池的电压时，交流发电机则对蓄电池充电并为整车用电器提供电源。

    2 电量平衡的评定方法

    整车电量平衡的评判标准，可用如下公式来表示：

    Σ（IinΔtin）>Σ（IoutΔtout）（1）

    式中：Iin—蓄电池在Δt时间内平均充电电流;

    Δtin—蓄电池在充电状态下的一个时间段;

    Iout—蓄电池在Δt时间内平均放电电流;

    Δtout—蓄电池在放电状态下的一个时间段。

    评判整车用电量平衡是以蓄电池的充放电量为标准的蓄电池充、放电量比率K定义为：

    K=Σ（IinΔtin）/Σ（IoutΔtout）（2）

    由于汽车设备用电量是变化的，为确保车辆安全运行，应使车辆在用电的极端运行工况下，确保蓄电池充、放电量不小于1.2。极端运行工况是指在最炎热的夏季或最寒冷的冬季，车辆以发电机发电能力最差的状态行驶，并且正常开启使用所有必要的用电负载。

    3 汽车电器用电量估算

    发电机规格选型的关键依据是整车用电量理论估算，为了便于计算，引入电器使用频度系数这一概念。各种车辆用电器在不同的季候和环境下，使用的频度系数是不一样的。用μ0、μs、μw分别表示，μ0表示用电器与季节气候无关、μs表示在夏天，μw表示在冬天的使用频度系数。电器的使用频度系数μ0、μs、μw一般是通过长期的道路行驶统计获得。根据车辆用电负载的使用频率，可将用电器件分为三类，I类电器为连续工作用电设备，如车身控制盒;II类为长期工作的用电设备，如水箱风扇、收放机等;III类为短期工作用电设备，如喇叭、倒车灯等。主要有以下两种方法对整车用电量进行估算。

    3.1 画电量负荷图分析法

    在进行整车用电量匹配时，首先要将车辆的所有用电负载的功率和最大电流标注出来，再进行分类，分为连续工作用电设备，长期工作用电设备，短期工作用电设备，其次应该选取极端的运行工况，比如在炎热的夏天开着空调在雨夜行驶。在计算用电量时，需要把车载空调，组合前大灯，组合仪表，雨刮器等这些可能用到的车辆用电器都计算在内，作为选择发电机的依据。

    3.2 加权系数法

    加权系数法是把整车的用电器依据使用频率的不同，通过下列公式计算出电流。

    I=∑nm=1Imμm（3）

    式中：Im—第m个用电器的电流;

    μm—第m个用电器的使用频度系数;

    n—车辆所有用电器数。

    整车的电流值是把全部用电器的电流值加权相加计算出来的，再计算出整车的用电量。而用电器的使用频度系数是需要经过长期道路行驶统计获得。所以在做整车电量计算时，加权系数法更加精确。但由于μm需要长期的道路行驶统计，所以在设计最初，先用电量负荷图分析法估算，然后通过长期行驶获得频率系数，再通过加权系数法进行优化。各工况下整车用电量如表1所示。

    4 发电机选型

    整车电量估算是选择发电机规格的关键依据，整车电源是车辆蓄电池和发电机并联运行的。车辆发电机的主要功能是保证车辆行驶中的所有设备正常工作和给蓄电池充电，汽车绝大部分的电能是从发电机这里获得的。因此，从确保设备正常工作和提升电源的节能角度考虑，发电机功率的选择应当以车辆行驶时正常的用电标准以及蓄电池充电电流为基础。在极端情况下，允许车辆蓄电池向用电负载提供少量放电电流，这也是在选取发电机功率时所要遵循的准则。为满足表1所示用电量的要求，将表格数据代入加权系数公式I=∑nm=1Imμm得：夏季行驶工况的计算电流I1=111A;夏季怠速工况的计算电流I2=68.4A;冬季行驶工况的计算电I3=987A;冬季怠速工况的计算电流I4=63A。在上面四种工况下，选择最恶劣的工况，夏季行驶工况I1=111A。综合考虑选用120A/13.5V规格的发电机。发动机怠速工况下，为保证即使在短途行驶、发动机空转等极限工况下蓄电池也能够充分充电，需要考虑倍乘因子。乘用车选择1.2，I怠速=I2*1.2=84A。所以发电机在热态工作条件下，怠速电流必须满足大于84A。选取的发电机输出特性见图2，工作性能见表2。根据图2和表2，此款发电机规格完全满足表1的要求。

    5 蓄电池选型

    蓄电池的作用是当打开点火开关启动车辆时，提供电给车辆起动机等设备，当车辆发电机正常运转后并作为稳压电容存在，并在发电机停止运转时给整车使用蓄电池电的设备供电。所以，蓄电池的选择很重要，选择过小，则不能满足发动机的启动条件，选择偏大会造成资源浪费，影响蓄电池的寿命。蓄电池的选型主要考虑两方面，一是满足车辆低温启动过程中的功率要求;二是车辆的休眠电流。

    实例：某高端皮卡采用12V的电源系统，由蓄电池和发电机并联提供电源。依据产品设计要求，整车的静态电流I小于15mA，车辆原地停放40天后要求仍能正常起动。

    由判断标准计算公式：

    C*0.2=I*P*24（4）

    式中：I—整车静态电流A;

    P—停放天数;

    C—蓄电池容量Ah。

    得：C≥72Ah。

    考虑到蓄电池本身的消耗，蓄电池容量选择80Ah。

    6 结语

    本文介绍了整车电量平衡的理论估算方法，此方法经过了实践验证，是一种准确可靠的计算方法。通过此计算方法，在整车的设计阶段就能准确地选择发电机规格和蓄电池容量，从而可以防止不必要的设计成本浪费。

    参考文献：

    [1]白树立，杨新明，柳萧，张雅强.电平衡计算方法及其在整车试验中的应用[J].汽车电器，2017（06）：39-42.

    [2]赵文庆.整车用电量平衡计算[J].汽车电器，2015（08）：32-34.

    [3]屈颖，李远，杨明.整车电量平衡计算[J].汽车电器，2014（04）：10-12.

    [4]刘德生，胡定辉，张百山，张松，陈忠桥.汽车电平衡的设计计算与验证方法[J].汽车电器，2014（01）：1-5+9.

    作者简介：张婷（1986—），女，江西南昌人，华东交通大学硕士，中级工程师，主要从事汽车电子电器设计工作。