整车电平衡的设计与验证研究

徐伟

摘要：整车电平衡是研究整车电源系统电能供给和消耗之间的平衡关系，即发电机、 蓄电池、和其他各种用电设备之间的电能产生与消耗的动态平衡。本文结合笔者在整车电平衡的开发研究，分析开发的整个过程，并最终通过验证的方式，分析整车电平衡开发设计方法的正确性，以期通过本文的验证研究为日后整车电平衡设计工作的展开提供参考性意见。

关键词：整车；电平衡；设计；验证；意见

前言：汽车电气系统的电量平衡，决定着汽车能够正常启动和行驶，是汽车电气系 统设计中一项重要的环节。对起动机最大输出功率与蓄电池容量优化匹配，既能 保证车辆在不同地区环境温度条件下可以正常起动，同时又能降低蓄电池成本和 油耗量；对发电机有效输出功率与整车电器耗电量优化匹配，既能保证蓄电池正常充放电工作，延长发电机与蓄电池寿命，同时又能降低发电机成本和油耗量。为达到电气系统设计既满足设计要求，又不会因产生设计裕量过大而增加成本， 需对整车电气系统进行电量平衡计算与校核。

1.蓄电池选型

1.1 蓄电池容量构成

蓄电池的容量主要由两部分构成：一是起动容量，即起动过程中消耗的电量； 二是静态容量，即车辆放置时需要消耗的电量。考虑蓄电池的最低起动容量，一 般情况下，铅酸蓄电池在 SOC≥0.6 时有起动能力。因此，蓄电池容量≥最低起 动容量+静态容量[1]。

1.2蓄电池容量的计算

蓄电池的主要任务是向起动机提供瞬时的大电流，保证起动机在各种条件下 能可靠的起动，因此，蓄电池容量的选择可以先根据起动机的功率计算出初步结 果，然后再结合其他因素进行校核和调整，最后按蓄电池的规格选取合适额定容 量的蓄电池型号。蓄电池的选择一般以理论计算为基础，并结合标杆车型对比和 实车实验综合来选择[2]。

蓄电池的计算经验公式：C=K*P/U

式中，C—蓄电池额定容量，单位 Ah；P—起动机的功率，单位 KW；U— 蓄电池的额定电压，单位 V；K 为一个经验系数，一般取 K=450~600，可根据车 辆工作状态灵活选取。

图 1  起动机的输出特性曲线

根据厂家提供的起动机资料，起动机输出特性曲线如图，起动机的额定功率 为 P=8.8KW。

1. 当 K 取值 450 时，蓄电池额定容量 C=K*P/U=450*8.8/24=165(AH)。

2. 当 K 取值 600 时，蓄电池额定容量 C=K*P/U=600*8.8/24=220(AH)。 蓄电池选型计算结果为 165Ah~220Ah，下表为厂家提供的蓄电池可选型号及参数。

从计算结果分析，规格为 165Ah 处于可选数据范围边界，因此从可靠性考虑，建议初步选取规格为 180Ah 蓄电池。根据厂家销售地域，冷起动温度﹣18℃ 可满足要求，因此，初步选取蓄电池型号为 6-QW-180。

1.3  整车静态电流对蓄电池容量选择的影响

车辆在长途运输或长时间停放后应能起动发动机，所以在蓄电池选型时，需 考虑整车静态电流的验证。

图2 蓄电池选型

一般要求蓄电池能够满足车辆连续停放 6－8 周（一般国内规定车辆停放时间为 6 周，欧洲为 8 周）。我们以 6 周来进行计算。

整车静态电流计算公式：I 静≤C20*（90%－60%－1‰*T）/（T*24）

式中，I 静—整车静态电流；90%—汽车下线时，蓄电池的实际容量与额定容 量的百分比；60%—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(天)；C20—蓄电池的 20h 率额定 容量。

当选型蓄电池容量为 180Ah 时，得出 I 静≤0.054A=54mA，可满足蓄电池容 量要求。以标杆车静态电流为 38.05mA 为依据，则实车静态电流＜整车要求静 态电流，因此满足要求。由此数据可以得出对于整车静态电流，其大小应不大于 54mA，才能满足整车存放时间。

2发电机选型

2.1  发电机选型基本思路

发电机是汽车的主要电能来源。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。

整车用电器的电能消耗量主要与整车用电器在各运行工况下的使用频度相 关。通过计算发电机的发电能力与整车用电器用电量的关系进行发电机的选型。

选择发电机功率的基本思路：根据整车所有负载电流确定发电机的额定输出 电流，使整车电源系统达到电平衡，同时发电机应保证在不同工况下，输出电流 能满足整车正常需求。

2.2  整车电气系统负荷计算

计算出整车主要用电器的总负荷，并根据总负荷值对发电机进行选型、校核。

2.2.1  用电设备分类

根据汽车行驶中用电设备的工作时间长短，将用电设备分为 3 种情况：连续 工作制设备（Ⅰ类）、长时间工作制设备（Ⅱ类）、短时或随机工作设备（Ⅲ类）[3]。

（1） 连续工作制设备（Ⅰ类）

连续工作制设备指汽车在行驶中连续不间断用电的设备，包括：发动机点火系统、燃油供给系统、组合仪表及监控系统、行驶系统等。

（2）长时间工作制设备（Ⅱ类）

长时间工作制设备指汽车行驶中长时间工作的用电设备，包括：远光灯、近光灯、小灯、鼓风机、压缩机、车载冰箱、刮水器等。

（3）短时或随机工作设备（Ⅲ类）

短时或随机工作设备指汽车行驶中使用时间不确定的用电设备，包括：室内灯、电动门窗、洗涤器、喇叭、点烟器、天窗、电动后视镜、ABS 系统和其他 用电设备。

2.2.2  用电设备使用频度系数

汽车上配置的用电设备在不同场合、不同气候条件下使用，一般不会在同一 时间全部都投入工作，而许多用电设备的工作及工作时间的长短，主要取决于季 节和环境的变化。我们以用电设备使用频度系数来计算整车的用电量。使用频度 系数为各主机厂的经验值数据[4]。

2.2.3  整车用电设备等效负荷计算

根据整车负载额定功率（额定电流）和用电设备使用频度系数，我们可以得 出：

1）连续工作设备

2）长时间工作设备

3）短时或随机工作设备

以上 8 种情况的分别为夏季白天、夏季夜间、夏季雨夜、平时白天、平时雨夜、冬季白天、冬季夜间、冬季雪夜，计算得出如下数据：

工况	夏季日间	夏季夜间	夏季雨夜	春秋日间	春秋夜间	冬季日间	冬季夜间	冬季雪夜
整车耗电量	57.768	69.5805	75.2355	48.9265	60.739	57.419	69.2315	75.1365

由此可以得出夏季雨夜是发电机输出电流最大的工况,此时整车消耗电流为75A。

5.4  发电机输出电流的计算

发电机输出电流的计算常见的计算方法如下： 当正常为蓄电池充电时，一般要求发电机提供给蓄电池的电流约为其容量的10%，这样蓄电池可在几小时内充满。所以最佳的发电机输出电流 Ig

Ig≥Max{负荷电流}+I10

式中，I10——蓄电池容量的 10%(参照 BOSCH 汽车工程手册和汽车的电量平衡 计算)。

计算后，得出

Ig≥75A+180*10%=93A

由此可以得出，发电机的额定输出电流为 93A 时，满足整车的负载需求和 蓄电池的充电要求。由于发电机选型时参考的是夏季雨夜这种极端工况下用电负载全部打开的 情况，如果在大多数的工况下，选择 90A 的额定输出电流的发电机可以满足需 求，但是考虑到后期的车型升级及功能预留需求，建议选择发电机的输出电流为100A 发电机[5]。

结束语：伴随汽车电子技术的成熟化，整车上安装用电设备的比例越来越大，其给整车电源系统带来较大的运行负担，为确保车辆的在公路行驶的安全，应对整车电源系统进行深入性研究，以期达到整车用电的基本需求。整车电平衡设计的目的在于达到电源供给和消耗之间的平衡，通过验证的方式，将发电机和蓄电池都调节在适合的参数，其将决定整车用电系统能否正常运转，是未来整车用电系统研究的主流方向。

参考文献：

[1]伍俊,张维杰,李立春,刘晓莹,孙萧,李强.基于某车型整车电平衡的计算分析研究[J].汽车与配件,2022(07):65-67.

[2]习璐颖,徐艳强,周平.纯电动汽车整车动态电平衡设计及验证测试[J].电工技术,2022(01):6-9.

[3]仲秦,张承淋,毛艺,王磊.基于某混动车型的整车电平衡测试[J].时代汽车,2021(05):101-103.

[4]陈宇新,王春凤.微车电路系统电平衡理论计算、实际测量及提升[J].汽车电器,2020(04):22-25.

[5]王玺.纯电动汽车动态电平衡设计研究[J].中小企业管理与科技(上旬刊),2020(02):182-183.