汽车电平衡-40摄氏度-70°数据采集设备

一、什么是整车电平衡？

整车电器系统的电量平衡，是指汽车发电机、蓄电池和其它各种用电设备之间电能产生与消耗的相互制约关系。随着汽车用电器的不断增加，整车用电量也随之增加，因此发电机和用电器如何匹配就成了整车电器设计的一个关键。

二、研究整车电平衡的目标

讨论整车电量平衡，实质上就是研究车辆在各种运行状态下，发电机在整个汽车电器系统中的匹配情况，保证在各种驾驶环境中，车辆蓄电池总是处于充电的状态中。这里，发电机的工作参数对整车的电量平衡起关键的作用。

发电机的工作参数主要有4项：电机的转速、输出的电流、确定的电压和环境的温度。汽车在行驶时，这4个参数都是动态变化的，在动态变化中，找出参数的极限值，以验证发电机的性能是否保证整个汽车电器系统的输入输出总电量平衡，这就是研究电量平衡的目的。

三、关键电器及其作用

1  起动机

起动机可以将蓄电池的电能转化为机械能，驱动发动机飞轮旋转实现发动机的起动。汽车起动机主要由直流电动机、传动啮合机构（拨叉、单向离合器及驱动齿轮）、电磁开关三大部分组成。工作时电磁开关一边拉动拨叉使驱动齿轮与发动机飞轮齿环啮合，一边使开关触点闭合，直流电机通电转动，开始起动。

2  蓄电池

在起动发动机期间，它开动启动机、点火系统、电子燃油喷射和发动机的其它电器设备。当发动机停止运转时，由它给汽车电器件供电；当发动机低速运行的这段有限时间内，由它协助提供电流，补充发电机所欠缺的发电量。它起到了整车电气系统的电压稳定器的作用。对蓄电池的最大需求出现在它必须给启动机供电的时候，起动起动机，需要几百安培电流，其具体数值还受温度、发动机排量和发动机性能等的影响。

3  发电机

在发动机高速运转时，发电机应能给整车用电器正常供电，适当时给蓄电池充电，以保证蓄电池处于满电荷状态；在发动机低速运行时，可以允许蓄电池协助发电机给整车用电器供电。而在冬季雪夜和夏季雨夜是整车用电量的极限情况，允许蓄电池向用电设备提供一定大小的放电电流，以满足整车的用电需求。

四、电平衡的设计原则及要求

整车电平衡设计原则是发电机必须在绝大多数运行工况下，能够给各用电设备提供足够的电能，同时又能保证给蓄电池充电，即所选定的发电机的特性能够使发电机产生的电量至少等于相同工况下用电器的消耗。

整车电平衡的设计需要考虑发动机参数、整车用电器功率和使用频度等，下图为电平衡设计示意图，描述了电平衡关键零部件选型顺序和各关键零部件的影响因素。

五、整车电平衡的设计

1  汽车用电器的频率系数

为了整车的用电量的计算分析方便，首先引入电器使用频率系数这一概念，随着季节和环境的不同，各种电器的使用频率也不同。电器的使用频率系数可以通过长期的道路行驶统计获得。汽车用电器按使用范围不同，可分为3类：

I类是所有无需驾驶员选择用电器，包括无条件长期使用的用电器，如发动机控制模块和有条件长期使用的电器，如近光灯；

Ⅱ类为安全行驶所必备的短期使用电器，如喇叭；

Ⅲ类是为了提供车辆行驶舒适性的随机使用的用电器，如电动后视镜。

使用频率系数参考值如下表所示：

其中：

1）μS 是与夏季相关频度系数

相关用电设备:散热器风扇、冷凝器风扇、刮水器、空调压缩机和空调鼓风机。

2）μO是与季节气候无关频度系数

相关用电设备：连续工作制设备、短时工作制设备和随机使用的设备。

3）F是用电器在ON档使用频度系数

2  汽车电器参数计算

1）单次启动消耗的能量QS的计算

发动机起动过程中，整车由蓄电池供电，将起动瞬间可能会使用的用电器全部统计出来，并求出总电流IS。

定义一次完整起动过程为5s，或根据主机厂定义，故单次启动消耗的能量

2）ON档时整车用电器按一定的使用频率使用一段时间后消耗的总能量QON的计算

ON档时发动机不起动，整车由蓄电池供电，我们可以将用电器分为4类：

A. 必须在发动机运行时才能工作例如，散热风扇、220V电源输出、后视镜加热等，在这里我们就不能计算它们的电流。

B. 一般在ON档不会打开的用电器例如，远光灯、倒车灯、制动灯、PAS、座椅加热等。

C. ON档时有些系统只有ECU工作，执行器不工作例如，TCU、ESC、发动机控制器等，这些在正常工作是电流会比较大，但在ON档时它们可能只有ECU的工作电流，这个电流就会比较小。

D. 其它用电器

a. 使用频率比发动机运转时小的电器；例如，雨刮、近光灯、前雾灯、后雾灯等。

b. 使用频率和发动机运转时差不多的用电器ON档时电器件的使用频度系统也是基于以上原则给出，并假设ON档时可以工作1小时(主机厂可根据车型实际情况修改)。

其中F是用电器在ON档时的使用频率系数。

3  整车电平衡的计算

得到各用电器的参数后下一步就是对整车的电源供应系统是否达到平衡进行计算。

电平衡计算就是选用合适的方法对整车用电量和发电量进行计算，最终使得发电量和用电量达到动态平衡即可。本计算可以得到两个结果：一是在发动机不起动时(ON档下)对蓄电池容量的要求；二是在发动机起动后对发电机容量的要求。

1）发动机不启动时

在ON档时，整车用电器按一定使用频率使用一段时间后还能保证发动机正常启动。

可由以下公式计算：

式中：

 N——可启动次数。理论上N大于1就应该可以保证发动机起动，但实际起动过程中条件非常复杂，为防止起动不良，对N值留有一定的余量，这里给出N=3 的参考值，也可以根据主机厂相关经验调整取值。

55%×QB——蓄电池容量取SOCC的55%作为参考值，一般为保证整车能正常起动，电池可使用的电量为总电量的55%，主机厂也可根据自己电池模型调整参数。

QON——在ON档时整车用电器按一定的使用频率使用一段时间后消耗的总能量。

QS——定义一次完整起动过程为5s，或根据主机厂定义，在5s内起动机和所有起动瞬间能工作的电器件共同消耗的能量。

2）发动机启动后

发动机起动后，正常情况整车完全由发电机来提供电能，此时考查发电机的发电能力。因为夏季雨夜和冬季雪夜是整车用电负载最大的时候，我们用加权法来计算这两种工况。如果在这两种极端工况下发电机能满足整车的用电需求，那么在其他工况，发电机也能满足整车用电需求。

4  关键零部件的计算选型

1）起动机的选型

起动机的作用是起动发动机，一般需要起动机以大电流工作2~5s。发动机的起动特性决定了起动机的性能参数，发动机的起动特性参数包括起动转矩和起动转速。设定试验测定极限低温工况下的起动转矩为M0，起动转速为n0，由M0和n0可得出起动需求功率。

根据传动比i和齿轮的啮合效率η(η通常为0.9)，可计算出发动机起动过程中起动机的输出参数:转矩M1=M0/I，转速n1=n0×i，功率P=P1/η。起动机的输出功率会随温度而变化，再根据起动动机温度系数修正出常温下起动机输出的转矩和功率，即可完成起动机的参数选择。

2）蓄电池的选型

蓄电池最主要的作用是起动发动机，故其选型应先分析起动机(或发动机)的特性。蓄电池的低温起动电流应大于起动机输出特性曲线图上功率最大点对应的起动电流，以确保实现起动发动机，同时小于功率曲线与力矩曲线交点处对应的电流，在符合条件的蓄电池中选择容量较大者以增加起动发动机的可靠性。依此原则选择的蓄电池，不会因蓄电池容量选择过大出现浪费及蓄电池体积增大而影响整车的装配空间及质量。车辆在长途运输或长时停放后应能起动发动机，所以在蓄电池的选型时需考虑整车整车静态电流的验证。

公式中：

I静——整车静态电流；

90%——下线时，蓄电池的实际容量与额定容量的百分比；

65%——确保车辆正常起动的蓄电池最低实际电量与额定电量的百分比；

1‰——蓄电池1天的自损耗率；

T——储运时间；

C20——蓄电池的20h率额定容量，Ah。

最后，根据蓄电池的布置位置、车辆销售区域及主要用途等，微调蓄电池的参数。某发动机起动转矩和起动转速选择了1.3kW起动机。该起动机输出特性曲线如下图所示：

根据蓄电池选型方法，结合上图，选择蓄电池放电电流应为260-500A，符合条件的蓄电池容量为45Ah(冷起动电流为425A)和60Ah(冷起动电流为480A)，可初选蓄电池的容量为60Ah。根据:I静公式可知，若储运时间要求为45天，蓄电池容量为60Ah，得:I静=11.4mA，故整车静态电流须小于11.4mA。

3）发电机的选型

发电机是汽车的主要电能来源，考虑到保证整车用电设备的电量供给，提高发动机的动力性，发电机功率的选择应保证满足整车的正常电器用电量和蓄电池充电量。发电机的发电能力主要与发电机的转速有关，随着转速的提高，发电机的发电量逐渐增大。下图为3种型号发电机转速与输出电流的关系。

整车所有的用电器一般不会全部同时工作，也不会一直工作，整车电器使用环境比较复杂，这里需要根据用电器使用习惯引入频度系数以简化计算；并且由于电器件在冬季和夏季的使用有较大差异，所以我们要分成冬季和夏季两种情况来计算，最后取两者中的最大值。

其中：μS是与夏季相关的频度系数，IS是夏季使用电器电流之和。

其中：μw是与夏季相关的频度系数，Iw是夏季使用电器电流之和。

为保证蓄电池有足够的充电在上面计算的较大值的基础上再加上蓄电池容量的10%作为发电机选型的参考输出：

在实际应用中，为节省陈本，蓄电池在怠速时可以适当放电；根据经验要求在夏季怠速工况下，一个满充的蓄电池在怠速4小时以后，容量不低于60%。由以下公式可

以算出怠速时发电机的最小输入电流I：

六、电平衡的验证分析方法

整车电平衡验证通过静态平衡和动态平衡两方面来验证。

1  静态平衡

1）静态电流

关闭所有用电器并锁好车辆，使其进人休眠状态后(即电流没有明显变化)，记录此时的电流值，确认整车在静止状态下耗电量。

2）低温最低起动容量

使用充电量为20%、30%、40%、50%的铅酸蓄电池，在低温-30℃条件下，测试整车的起动情况，考核蓄电池的低温起动能力。

3）蓄电池自放电电流

蓄电池自放电是电平衡的一个重要参数，不同的蓄电池厂商此电流会有不同，因此需要与蓄电池厂商共同确认，以保证设计时选型的定义。

4）汽车用电器负载测量

将汽车以一般用电状态运行30min，使汽车内蓄电池达到一定电量水平，保持蓄电池电压基本稳定。这时测量各主要用电器在高功耗、低功耗和一般功耗的耗电量，尤其是最高值，以确保实测值与理论值吻合。

2  动态平衡

动态平衡通过汽车电平衡道路试验来验证。通过测量汽车在各典型工况下发电机、蓄电池及用电器的用电状态和车内各关键部件处的温度状态，来全面评测实车的电平衡状态。

1）道路试验所需设备：数据采集器、电流传感器(蓄电池充放电电流测量精度要达到0.2%以上，量程500A以内，采用闭口的电流传感器，其它采用开口的电流传感器)、万用表、笔记本计算机、数字采集软件和通用蓄电池测试仪。

2）道路试验测试参数：通过监控电流、电压及温度值、测量蓄电池充放电电流、发电机发电电流、用电器耗电总电流、发电机端电压与蓄电池端电压。另根据特殊要求测量点，测量蓄电池周围温度、发电机外壳温度、环境温度、车内温度等。

3）蓄电池预处理：先将样车上的蓄电池拆下，用通用蓄电池测试仪以16V恒压充电2h，然后以4A恒流充电1h，再以C20/20A的电流放电到10.5V，测出蓄电池C20。在对蓄电池进行完全充电，然后以I20放电到蓄电池测量容量的50%，此时蓄电池内剩余50%的电量，测量蓄电池电压。蓄电池电量与其充电电流关系密切，电量越低，充电电流越大，统一蓄电池电量，以保证试验的一致性和可重复性。

4）汽车负载确定：汽车运行时，其电气负载常处于不同状态，一般选择高功率和低功耗进行试验，不同功耗定义如下表：

5）多种工况试验

因发电机发电能力与发动机转速有关，而发动机转速又与汽车行驶的工况有关，故在进行试验时要对多种工况进行试验。主要的试验工况有息速工况、城市工况、高速公路工况、山区公路工况。

3  蓄电池的电量比

蓄电池电量比Q定义为

式中：

Q前——电平衡道路试验前蓄电池内的电量(以20小时率容量表示)；

Q后——电平衡道路试验后蓄电池内的电量(以20小时率容量表示)；

若Q值大于1.8，则说明发电机容量设计偏大；若Q值小于1.4，则说明发电机容量设计偏小。

4  蓄电池充放电比值

通过分析蓄电池充放电比值，来确定汽车的电平衡状态。在采集到的蓄电池电流中筛选出充电电流与放电电流，然后按下列公式计算K值。

式中：

K——蓄电池充放电电流比；

in——第n次充电电流数据，A；

jm——第m次放电电流数据，A；

tn——第n次充电电流采集间隔的时间，s；

tm一一第m次放电电流采集间隔的时间，s。

要求蓄电池充放电电流比K:1<><6；其中在高功耗情况下要求k>1，一般功耗情况下要求K<><1时，发电机容量设计偏小；当k>6时，发电机容量设计偏大。

5  电气动态热性曲线

电气系统的动态特性曲线是在一个行驶循环下，蓄电池电压随蓄电池电流的变化。该特性曲线(包络线)反映了蓄电池、发动机、用电器、温度、转速和发动机与发电机传动比等各部件的相互作用。特性曲线主要从以下几方面分析：

1）纵坐标

纵坐标的电压值，是车辆起动后从蓄电池两端测得的电压，该值为发电机端电压减去发电回路电压降得到，定义为U。电压U与发电机电流I的关系如下图所示。

由上图可以看出，某一特定发电机转速n对应In.当用电器电流I>In，会造成电压U大幅度地下降。

忽略发电机回路电压降的影响，电压U可表示为发电机电压，该值与发动机转速、用电器电流、发电机的温度有关。

蓄电池、发电机平衡状态的电气动态特性曲线如下：

U0为发电机额定电压，对于无电压动态调节系统的发电机为14.4+0.1V，取U0=14.5V；对于有电压动态调节系统的发电机，U取发电机允许额定电压的最大值。

U1为发电机平衡状态，发电机满足用电器和蓄电池充电，裕量为0。从发电机效率分析，在U1之上为发电机有部分裕量，还有发电潜力；特性曲线尽可能地靠近U，这样发电机功率得到充分利用，又不会造成蓄电池亏电。对于有电压动态调节系统的发电机，还应从其它方面(如充电电压)设定U1的值，把U1定为13.5V。

U2为蓄电池平衡状态，发电机仅满足用电器需求。在蓄电池平衡线U2之下，蓄电池处于放电较深、不饱和状态，是不希望出现的状态。考虑到试验时蓄电池初始容量为50%，整车下线时，蓄电池容量要求达到90%以上，故U2定为12.5V。

2)横坐标

横坐标表示蓄电池充放电电流，在发电机满足负载需求条件下，分析横坐标充放电

电流与蓄电池的关系，通过试验数据分析，-40~40A比较合理。

3)纵轴右侧比例

城市高功耗电平衡试验后，要求充电量要比放电量大，曲线在纵轴右侧为蓄电池充放电电流大于0，蓄电池处于充电状态，所以右侧数据量应大于左侧。

通过以上分析，可以定义电气系统动态特性曲如下图所示。矩形内为理想特性曲线分布范围，所以城市高功耗工况理想电气系统动态特性曲线应该是纵坐标值，主要分布在12.5~14.5v，横坐标范围应主要分布在-40-40A。

当纵轴电压在(U2，U1)的部分比例较大，发电机功率选择偏小；当纵轴电压90%以上在(U1，U0)部分时，发电机电压偏高，发电机功率选择偏大；当纵轴右侧数据量占总数据量大于60%，(U1，U0)比例大于60%，发电机发电裕量小于5A，相对合理，可以保证车辆的电平衡。

七、结语

发电机、蓄电池和整车用电器的供用电，是一个相互平衡的过程。本文通过实例详细描述了起动机、发电机、蓄电池等几个电平衡关键零部件的选型，引人Q值、K值、动态特性曲线等概念，重点对容易忽略且不易分析的整车电平衡的验证和评估进行了分析。

合理设计整车电平衡性能，不但可保证车辆电源系统的安全可靠性，还可指导零部件选型，有效降低发电机、蓄电池等零部件的成本、质量，增加蓄电池等零部件寿命，降低整车油耗。因此整车电平衡是重要的整车性能指标，具有重大的意义。