5～清晰版-整车开发中的汽车电量平衡的设计和验证-邓恒.docVIP

注：此文已发表在内燃机2006.6期。可参考文库中同名杂志扫描版文章(不太清晰，所以应读者要求再次上传word版)。 整车开发过程中供电系统的设计与验证 针对汽车的电量耗用平衡的分析 摘要：.汽车上的供电系统（CHARGING SYSTEM）设计与验证是汽车设计与生产之初的最重要环节之一，它关系到整个汽车的所有电器执行器，电控单元（ECU），传感器的工作，及汽车启动性能。本文对世界范围内的供电系统相关零部件，及整车进行电量耗用与供给分析，本文涉及到温度电耗的关系分析，CAD建模的空间需求与电量关系分析，电量平衡数学模型的建立，数据采集实现方式，用户路况行驶概率统计，发动机转速概率分布。 关键词：系统设计，电量平衡，冷启动，比例优化。 问题提出：广义的说和汽车充放电系统（这里只讨论的汽车不包括混合动力类车辆与使用驱动类蓄电池车辆）是指与充放电有关的汽车零部件，蓄电池与发电机，启动马达。而耗电系统是指所有的用电器，按使用情况可分为连续用电器（如喷油器，冷却风扇），长时间用电器（如收音机，导航系统），短时间用电器（如电动天窗与喇叭）。而不同的汽车状态（如启动和行驶），气候（如夏季或是冬季或雨天），路况（如高速公路或市效），一天中时段（白天还是夜间，不同的汽车使用习惯，都会造成不同的用电器的使用组合，造成不同的用电器用电需求。而不同的气候和路况同样会造成不同的供电系统的系统供给性能。为使全部系统在任何的气候和路况下都可靠工作并且具有一定的抗突发性能力，我们必须考查耗电与供充电系统的相互制约关系，交流发电机的输出，蓄电池的容量，启动机的电能需求以及其它电器负载，都必须尽量合理地相互得当匹配。 一、供电系统供电原理： 1．发电机。(ALTENARTOR) 1.1非线性函数性：如下图1为日本某电机厂家交流发电机电流性能曲线表，我们取25℃热稳定态曲线图。在怠速发动机转速N1时（假定怠速汽车发动机转速为750REV/MIN,皮带无滑差率，轮速比（pulley ratio）为2.66）对应图上输出电流为IN1=49安培，IN2=110安培，电流是随转速变大的，但是定子有一定的阻抗Z, Z=√r2+X2L　，，L=2πfL (其中r为绕组的电阻，XL为感抗。f为电动势频率L为电感) 由于随着转速的变大，XL变大，导致阻抗变大和发电机的电枢反应，使内部压降增大，所以电流只可能随转速增加到某一限值而不在增加。 图1 上述49培是怠速NI的输出，仅为额定电流（取6000rev/min为额定值计算）的60%。如果负载消耗的电流大于此时交流发电机提供的电流Ig,则蓄电池放电会增加来补偿电器负载的需要。 这一特性反应在整车试制领域中就体现了电平衡在不同工况（比如上海上下班车流高峰和浦东机场高速公路），不同终端用户使用习惯（比如年轻人喜欢快节奏，而有人喜欢中速）下的输出性能差异。 1.2.温度变化性： 100℃时的输出特性曲线在高速运转区小于25℃。由于发电机内在结构，及其电磁的特性决定了其在高温时输出变小的特征。这一情况反应在整车试制领域就体现为电量平衡的季节性差异化。 2．蓄电池。(BATTERY) 2.1．温度性能变化性：蓄电池放电在是通过电解液与极板之间的化学反应完成的，例如铅酸蓄电池，是通过正极板＋４价铅置换成＋２价铅，负极铅单质迁移到正极变成＋２价，整个过程在极板和电解液间进行。而随着温度降低电解液的粘稠度变大，从使蓄电池的内阻变大，同时导致低温时电化学反应十分缓慢，从而影响蓄电池的性能，此性能特性正好和发电机相反，发电机是降温时电性能上升。这一情况反应在电量平衡就是冬季低温试验。 3．起动马达。（STARTOR） 　　　　　　　　　图2 3.1.瞬间电流非常态性：此为博士起动电机转矩（touque）电流图，由于起始时要克服发动机的静态摩擦力，此转矩与发动机的气缸数，压缩比，冲程，气缸直径，曲轴及活塞等活动件的质量等等有关。所以此转矩要求很高，瞬间电流很大，一般民用轿车笔者经验值在300～800安培之间（汽车成功启动后电耗一般小于100安培）。此情况反应在电量平衡上就是蓄电池的起动性能要能满足汽车的要求。 3.2.低温高要求性：由于低温导致发动机的机油粘稠度上升，故起动电流变大。此种情况就需要电平衡试验考虑专门在低温时试验。 二、汽车电系统（PROTOTYPE）设计思路： 1.满足低温启动的整车性能：在设计汽车之初必需设计/假定出与启动系统对应参数群。此点是设计汽车电系统的第一步。具体参数包括，车辆拟销售的国家及区域冬季温度图谱B，发动机的在此温度图谱下各温度点对应的最低对应启动转速C，能够在B的条件下提供C转速的启动机E,些启动机的最大启动电流D。根据D来的瞬间需求来选择蓄电池的瞬间能力A1，来考查决定使用哪一定供应商蓄电池。 流程如下： B