轻型商用车电量平衡试验研究

焦庆宏 王温锐 宋宁

（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）

轻型商用车电量平衡试验研究

焦庆宏 王温锐 宋宁

（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）

汽车产品供电系统的电量平衡性能直接影响整车成本及用户使用感受。基于某款轻型商用车开发验证实例，结合轻型商用车产品定位及使用特点，从整车电量平衡试验设定、测试要求、评价准则等方面进行论述，并针对该车型在较大功率负载下整车电量不平衡问题提出了改进意见。

1 前言

目前，在整车电量平衡试验及评价方面，汽车行业并无统一的标准及规范，国内企业对此方面的相关研究及成果均较少，且主要集中于乘用车产品[1]。在商用车产品开发设计中，合理设计整车电量平衡试验，并有效配合整车电气系统的匹配优化、评价及验证，是各汽车企业的技术工作重点之一。

本文在介绍影响整车电量平衡因素的基础上，重点对电量平衡试验的设定、测试要求、评价准则等方面进行研究，并结合某款轻型商用车产品开发实例进行了说明。

2 影响电量平衡的因素

影响轻型商用车供电系统电量平衡的因素主要包括以下几个方面。

2.1 工作温度

发电机的工作温度会对发电机内阻、电磁特性产生影响，从而导致在同样转速情况下发电机的输出电流不同。而整车使用环境温度、发动机的散热能力及发电机自身冷却能力均对发电机的工作温度有影响[2]。

图1为某轻型商用车上匹配的交流发电机在环境温度为23±5℃、端电压不变的情况下，发电机转速与冷态和热态输出电流之间的关系。从图1可以看出，相同转速下，冷态输出电流大于热态输出电流，尤其在发电机额定转速6 000 r/min以上，冷态输出电流比热态输出电流高出约10%。

此外，轻型商用车一般匹配酸铅蓄电池，温度的变化对蓄电池充电电压、放电容量、电解质粘度、结冰点都有影响。

蓄电池容量与温度的关系为：

式中，t1、t2为电解液的温度，一般情况下，t1为实际温度，t2为标准温度（25℃）；k为容量的温度系数；Ct1为温度为t1时的容量；Ct2为温度为t2时的容量。

根据式（1）可知，蓄电池使用性能最佳温度是在25℃，当温度每升降1℃时，相对容量大约升降0.8%。

2.2 发电机传动比

交流发电机的功率-质量比随着转速的增加而增加，因此传动系统选用的传动比大约是1:2～1:3，从而使交流发电机以2～3倍于发动机曲轴的转速运转。

一般轻型商用车的转速变化范围较大，从怠速的800～900 r/min到最大的4 000 r/min左右范围内，从图1可以看出，发电机的发电能力变化范围也较大。

2.3 蓄电池容量

在轻型商用车供电系统设计时，受到整备质量和成本控制，匹配的蓄电池容量只能保证启动需求，在车辆行驶过程中，较多处于充电状态，使整车用电情况更加恶劣。

2.4 使用特性

整车电量平衡特性还受到车辆电器使用情况影响，如运行环境、时段、驾驶员的使用习惯和法规等。而车辆用电负载不同，也会对整车供电系统的电量平衡产生影响。

综上所述，工作温度、发电机转速和用电负载等因素都需要在电平衡验证过程中进行考虑。因此，对于整车电量平衡试验，需要在不同季节、不同整车运行工况及不同电气负载情况下进行。

3 试验设定

根据以上分析，为全面评价整车电量平衡性能，其试验设定需重点从试验温度、车辆运行工况和电器负载等3个方面进行规范。

3.1 试验温度

为了模拟车辆在极限温度下供电系统电量平衡的情况，选择夏季温度高于40℃、冬季温度低于-20℃条件下进行试验。试验可在带有转毂的环境仓模拟，或在实际道路上进行。

在模拟不同道路条件下供电系统的电量平衡情况时，通常选择发电机发电能力最弱的状态运行。本文中选择低车速且车辆热负荷较大的环境下进行，此时发电机转速低，输出电流小。

根据以上原则，进行电量平衡试验时，车辆可以分为怠速工况、城市道路行驶工况及坡道行驶工况分别测试，如表1所示。

表1 试验工况

怠速工况下，车辆静止，此时发电机发电能力弱，且工作环境热负荷大。

城市道路工况根据车辆的目标销售区域的实际道路行驶工况选取，也可以根据图2中的试验工况进行，此时发电机的平均转速低，且发电能力不断变化。

坡道工况时在实际道路中选择足够长的坡道，或在转毂上模拟坡道的道路情况进行电平衡试验。此时车辆以不高于30 km/h的速度匀速行驶。

3.2 电器负载

车辆的电器负载根据使用情况不同分为3类。

第1类是车辆行驶过程中必须使用的电器，如发动机ECU、保证车辆正常运行的各类传感器和执行器等，这类电器负载无需选择，在电平衡试验中一直使用。

第2类是舒适性设备，如空调、风扇、电加热座椅、各种功能的灯等，根据整车配置，这类电气负载在试验中选择耗电最大的方式运行。

第3类是随机使用的设备，如电动门窗、喇叭等，这类电气负载规定使用时间不得低于试验时间的10%。

试验工况的制定，需考虑极限使用情况下车辆供电系统正常可靠运行且保持长时间的用电量情况。因此，根据不同试验温度、不同车辆运行状况的组合，选择电能消耗最大的电器负载方式进行电平衡试验，如表2所示。

表2 用电负载功率及占试验时间的比率

3.3 测试要求

为了能够结合车辆运行情况监测车辆的电器系统运行，需要在试验过程中应用数据采集设备测量并记录表3所示内容。

表3 测试参数

测试仪器精度应在表4所示范围之内。

表4 测试仪器精度

4 评价准则

目前，电平衡试验评价指标大致有4种。

第1种：蓄电池的充电、放电比率K。

式中，Iin为蓄电池在Δtin时间内平均充电电流；Δtin为蓄电池充电时间段；Iout为蓄电池在Δtout时间内平均放电电流；Δtout为蓄电池放电时间段。

考虑汽车起动时蓄电池的容量和系统可靠性，K≥1.2[3]。

第2种：充（放）电电流的平均值I≤5A，则蓄电池处于动态平衡。

第3种：蓄电池放电电流＞-15A，即可视为电平衡。

第4种：根据试验后蓄电池的荷电状态是否比试验前增加，来评判电量平衡状态。

第4种评价方法通常在乘用车中应用，是整个试验过程的平均结果，不能反映试验过程中的情况。而第2、3种方法，只从蓄电池的最大或最小电流方面予以限制，也不够全面。考虑到蓄电池充电特性，在充电过程中适当予以放电，则可有效消除蓄电池极板极化现象，达到快速充电目的。因此，通常选择第1和第2种方法的组合，作为电平衡试验的评价标准。

5 试验验证

5.1 试验方案

以某款轻型商用车电量平衡试验为例，从试验工况、测量及评价方法3个方面，说明此试验方法的应用。该商用车的发电机、蓄电池和发动机信息如表5所示。

表5 车辆信息

本文以该商用车夏季全负荷道路试验为例进行说明。用电负载模拟根据表2进行选择。

5.2 试验数据

各工况下的试验结果如图3～图5所示。

表6～表11分别给出了各试验工况下的测试数据统计，从统计结果可知：

夏季怠速工况下，蓄电池充电电量和放电电量的总比率K=0，蓄电池平均放电电流I=-11.53 A；

夏季城市道路工况下，蓄电池充电电量和放电电量的总比率K=1.79，蓄电池平均放电电流I=-0.21 A；

夏季坡道工况下，蓄电池充电电量和放电电量的总比率K=9.55，蓄电池平均放电电流I=0.67 A。

表6 怠速工况数据统计

表7 怠速工况充/放电的电量比率和时间比率

表8 城市道路工况数据统计

表9 城市道路工况充/放电的电量比率和时间比率

表10 坡道工况数据统计

表11 坡道工况充/放电的电量比率和时间比率

5.3 评价结果

从数据记录曲线及统计结果可以看出，在夏季全负荷道路试验中,车辆以怠速工况运行时，车辆处于较大功耗状态下，且发电机的平均转速低，因此发电机发电能力有限，导致蓄电池一直处于馈电状态，以维持整车电器系统的用电。

车辆以城市道理工况运行时，车速变化较大（1个循环60 s），平均车速低，发电机转速变化很大，因此发电机的发电能力也随之变化。蓄电池在车速高时充电，在车速低时放电，但总体上发电机的输出能满足整车用电需求。

车辆以坡道工况运行时，虽然车辆在较大功耗状态下运行，但此工况下发电机的平均转速高，因此发电机的输出电量足以保证整车电器系统的用电需求。

结合评价标准，车辆在较大功耗（夏季雨夜）负载下，整车电气系统不能在所有工况下都处于电量平衡状态。

鉴于上述结果，为尽可能降低发电机对整车动力性的影响，应适当增加发动机与发电机的传动比，或提高发电机的输出功率，并按照本文提出的方法重新进行实车测试综合验证，以满足电量平衡要求。

1 SMTC_3_840_001-2009.充电系统评估规范.

2 郭纪明.汽车供电系统的选型设计方法.上海汽车，2005，（6）：29～31.

3 冯超.汽车电器系统用电平衡试验方法.汽车电器，2005，（9）:46～55.

4 BOSCH汽车工程手册.北京：北京理工大学出版社.1999.

5 余建强,顾晔.电量平衡分析方法在发电机选型中的应用.汽车科技,2006,（1）:36～37.

6 边焕鹤，蹇小平.汽车电器与电子设备.北京：人民交通出版社.2006.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2014年12月1日。

5 结束语

针对某中型客车进气噪声问题。首先采用四负载法提取了该客车的进气噪声声源特性并作为进气噪声仿真边界条件，采用边界元法预测分析了进气噪声并提出了声学优化方案，最后通过整车进气噪声试验验证了优化方案的消声效果。采用优化方案后，该中型客车的进气噪声得到了明显改善。

参考文献

1 靳晓雄,胡子谷.工程机械噪声控制学.上海：同济大学出版社,1997.

2 Swati MAthavale,PRSajanpawar.Analysis and Develop⁃ment of Inline Helmholtz Resonator through Computer Simu⁃lation for Elimination of Low Frequency Intake Noise Char⁃acter.SAE Paper 1999-01-1662.

3 Jia Weixin,Hao Zhiyong.Prediction of Air Cleaner and the study of Noise Control at Low Frequency Chinese Internal Combustion Engine Engineering，2006,27,（5）:67～70.

4 J Lavrentjev,H Boden,M Abom.A Linearity Test for Acous⁃tic One-port Source.Journal of Sound and Vibration.1992, 155:534～539.

5 KS Peat,JGIh.Measurement Method of Estimation the Acoustic Impedance of a Time-varying Source.Journal of Sound and Vibration（2001）244（5）,821～835.

6 MG PRASAD.A four-load method for evaluation of acousti⁃cal source impedance in a duct.Journal of Sound and Vibra⁃tion（1987）114,347～356.

7 Seung-Ho Jang,Jeong-Guon Ih.Refined multiload method for measuring acoustical source characteristics of an intake or exhaust system.Korea Advanced Institute of Science and Technology,Science Town,Taejon 305～701,Korea.

8 E Dokumaci.On one-port characterization of noise sources in ducts by using external loads.Journal of Sound and Vibra⁃tion260（2003）,389～402.

9 庞剑，湛刚，何华.汽车噪声与振动理论与应用.北京:高等教育出版社，2002.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2014年12月14日。

Testing Research on Power Balance of Light Commercial Vehicle

Jiao Qinghong,Wang Wenrui,Song Ning
（Automotive Engineering Research Institute.Nanjing Automobile Group Corporation）

Power balance performance of power supply system directly affects vehicle cost and consumer feel.This paper introduces vehicle power balance test setting,requirements,evaluation criterion based on development of a light commercial vehicle,which considers vehicle market positioning and application characteristics.This paper also gives some suggestions on improvement of imbalance of vehicle power under high power load.

Light commercial vehicle,Power balance,Vehicle test

轻型商用车 电量平衡 整车试验

U463.6

A

1000-3703（2015）02-0024-05