基于某款车型的整车电平衡验证测试

安永岭，端木琼，王子龙，汪春华，王东升

（1.河北工业大学机械工程学院，天津 300134；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300）

随着汽车电子电气技术的迅速发展，电器功能日益增多且复杂［1］，消费者对车辆舒适性、智能性和安全可靠性等要求的提高，整车电源系统设计的合理性显得尤为重要。整车电源系统供耗电的匹配特性直接影响整车电气系统的性能及用户体验［2］，供耗电严重失衡时存在重大安全隐患。在新车型的开发设计时必须考虑整车供耗电系统之间的匹配特性，即达到整车电量动态平衡状态［3-4］。

整车电平衡是指车辆发电机、蓄电池、整车用电器在一定时间内的电能产生与消耗达到稳定的一种平衡状态，是重要的整车性能指标［3］。

整车电源系统的不匹配大体可分为两种情况，第一种为供电系统能力不足，发电机不足以提供整车电器的用电消耗，需要蓄电池辅助供电，但蓄电池电量有限，车辆在这种情况下长时间运转时容易出现灯光变暗、控制器和传感器故障、ABS故障、助力失效、发动机自动熄火等严重后果；第二种为供电系统能力过剩，发电机和蓄电池的选型不合理，供电系统的供电能力过大，实际负荷远小于额定载荷，造成资源的一种浪费，不符合经济、环保、节能、绿色的设计理念。

本文结合某款车型电源系统整改的实例，前后两次试验数据的对比，重点对实车电平衡验证测试和整车电源系统的整改优化进行论述。

1 整车电平衡验证测试

目前进行实车电平衡验证测试的途径主要分为两类，第一类为实车路试，即选择不同的环境及道路对车辆的电源系统进行测试，验证车辆在实际使用中的供耗电匹配状况。这类方式的优点在于接近某一特定实际路况，测试费用较低；缺点在于环境和道路的一致性难以保证，仅反映一种温度环境，一般不建议采用这种测试方式。

整车电平衡验证测试大多采用第二类方式，即在转毂实验室内模拟出测试所需的行驶环境，使用典型路况进行测试。电平衡验证测试一般分为3个工况：市郊工况、城市工况和怠速工况。市郊工况和怠速工况各测试方案大体一致，整个测试的关键在于城市道路工况的设计和选择上，工况越合理，越接近车辆实际运行过程中车载电器系统的供耗电状态。目前国内实验室测试时用的较多的模拟工况有：NEDC工况、FTP75工况、JC08工况和整车电平衡工况等。

1）NEDC工况 欧洲油耗及排放评定标准NEDC，它由市区循环和市郊循环两部分工况组成，测试循环曲线如图1和图2所示。从排放效果来看，这一曲线测试出来的结果符合欧盟的欧Ⅲ和欧Ⅳ的排放法规，恰与我国排放标准相近［5］，国内部分汽车厂商采用这一曲线。

2）FTP75工况 美国所采用的一种市区模拟循环测试工况，此工况分为3个阶段：冷起动阶段、暂态阶段和热起动阶段。测试循环曲线如图3所示。

3）JC08工况 日本JC08燃油模式，日系车大多采用。测试循环曲线如图4所示，尽管模拟曲线看上去无规律可循，但接近于正常的行车环境。

4）整车电平衡工况 本文选用的电平衡工况来自于国外某知名品牌汽车制造商，该工况是由汽车制造厂商在做整车电平衡验证测试过程中不断优化改进的结果，具有很强的实用性，普遍适用于一般乘用车和轻型载货汽车。工况大体由两个阶段组成：第一阶段最高车速48 km／h，第二阶段最高车速40 km／h。整个工况模拟城市一般拥堵状况，道路曲线如图5所示。

2 实车验证测试

整车电平衡验证测试在选择实验室道路测试工况时，应尽量符合实际路况，行驶曲线即不能过缓又不能太陡，同时又要考虑驾驶员的可操作性，此次验证车辆采用如图5所示的整车电平衡测试工况进行测试，环境温度、电器负载开启情况等其余主要测试参数设置如下。

1）试验车的相关参数 排量1500mL，驱动形式为前驱，整备质量1310kg，发电机参数14V／80A，蓄电池参数12V／45Ah。

2）测试环境 在环境舱内模拟夏季和冬季两种气候环境。

3）测试工况 根据相关资料和企业标准，此试验车在做整车电平衡验证测试时的模拟工况为：一般怠速工况、市郊工况和城市工况；其中市郊工况的车速为72km／h。

4）电器的开启 根据车辆电器在不同环境中实际使用的情况，测试时汽车电器系统可分为夏／冬季市郊、夏／冬季城市、夏／冬季怠速6种工况。其中每种工况电器负载的类型又可划分为3类：①车辆行驶时必须使用的电器，如发动机的电喷系统、保证车辆正常行驶的各种控制器和传感器等［2］；②根据车辆行驶的环境，出于安全性和舒适性考虑，需要一直使用的长时负载，如近光灯、刮水器等；③车辆行驶时随机性、短时间使用的电器，如喇叭、车窗、除霜器等。依据测试条件、电器负载的类型和试验车的实际状态，编制出各工况测试时车辆电器负载的开启情况见表1。

5）数据采集 测试过程中的监控及分析数据的需要，对整车的关键部件和必要的参数应通过数据采集设备进行采集，试验车两次试验时具体的监控参数如下：发电机、蓄电池、发动机舱、外部环境监控温度；发电机、蓄电池、其他主要用电器监控电流和电压；整车监控发动机转速和车速。

6）测试结果 试验车辆在转毂实验室内做验证测试的主要数据处理结果见表2。

由表2的试验数据可以得出：夏季工况下，发电机不足以满足整车用电消耗，需蓄电池辅助供电，且蓄电池的平均放电电流为14.7 A、10.5 A和16.3 A，在这种状态下长期运行，必然会导致蓄电池亏电，停车后由于蓄电池电量低，车辆将无法起动。

表1 电器负载开启表

表2 整改前试验数据统计表

夏季与冬季相比，夏季发电机的平均电压都比较低，分别为12.265V、12.256V和12.32V，根本无法满足蓄电池充电的需求；发电机的性能受环境影响较大，尤其是在高温环境，发电机的热态输出特性、稳定性较差；夏季怠速时，发动机转速1 000 r／min左右，蓄电池放电电流16.3A，发电机在低转速的情况下，发电能力有限；然而使用者为追求舒适性和娱乐性要求，实际使用中很容易出现在车辆怠速时大功率的耗电状况。

车辆由市郊工况和城市工况后进入怠速工况，由于长时间的运转，发动机舱内的温度不断升高，夏季怠速时发电机表面平均温度高达125.3℃。冬季工况时，发电机平均电压均高于13.5V，蓄电池也以缓流的形式交替充放电，整车的供耗电系统处于平衡状态。

3 整改

结合整车的参数配置和试验数据，参考相关零部件的工作特性，重点对发电机的以下几个方面进行了改进。

1）提升发电机输出性能，增大发电机调节器的调节电压。以夏季城市工况为例，整改前后发电机电压 （发电机输出端与蓄电池负极之间）的实际输出曲线对比如图6、图7所示。

2）适当降低了发电机的功率，将发电机的型号由JFZ18更换为JFZ1715A，发电机的额定电流由原来的80A改为70A，功率降低，发电机自身温度下降，输出性能提升。以夏季怠速工况为例，整改前后发电机表面温度 （发电机前端盖外表面）的对比曲线如图8、图9所示。

整改后的试验数据表明，车辆在不同的工况下都能够很好地满足整车供耗电需求，符合整车电平衡的标准；同时发电机功率的降低，在一定程度上也节省了整车的成本。

经整改后的试验数据见表3，试验各参数设置与整改前的参数设置完全相同。

整改后的试验数据可得出：夏季工况下，发电机的平均电压分别13.0028V、12.9792V和12.8518V，蓄电池以缓流的形式交替充放电，整车供耗电系统处于平衡状态；各工况下发电机电压的波动较小，发电机的稳定性和热态输出特性得到改善。

表3 整改后试验数据统计表

冬季工况时，发电机平均电压均高于13.5 V，蓄电池也以缓流的形式交替充放电，整车的供耗电系统处于平衡状态；整改后的数据表明此次整改没有影响到冬季工况供耗电平衡的状态。

4 总结

对比整改前后的两组试验数据可以看出，此次的整改验证试验达到了整车电源系统的用电平衡状态，整车的电源系统的供电能力得到很大提高，保证车辆在安全运行的情况下，又能满足用户对舒适性的要求。

在做整车用电平衡验证测试时，建议采用图5所示的整车电平衡测试工况，这一工况更符合现代城市频繁怠速、低速行驶的交通路况；这一工况下，发电机的转速变化范围较大，能很好地验证发电机的稳定性和在发电能力不足时与蓄电池的协调性；排放工况更多地注重发动机的使用性能及法律法规。

整车电源系统设计时，由于整车用电单元的增多和使用者对舒适性要求的提高，按照之前的经验设计，往往达不到最佳的效果。建议在设计时，考虑供电系统 （发电机、蓄电池）本身的性能外还要多注重实际的工作环境 （发动机舱的散热系统），适当增加发动机与发电机之间的传动比，用电单元增多的情况下应尽量降低单个用电器的功率，在设计完成后，必要的验证测试是必须的。

［1］ 张明森.汽车的电量平衡计算［J］.汽车电器， 2010 （10）：10-16.

［2］董利伟.乘用车整车电量平衡计算方法的研究与应用（Ⅰ）［J］. 汽车电器， 2010 （2）： 9-15.

［3］佘建强，顾晔.电量平衡分析方法在发电机选型中的应用［J］. 汽车科技， 2006 （1）： 36-37.

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

［5］朱毅.欧洲联盟汽车技术法规最新发展［J］.汽车标准化，2008（2）：9-10.