某SUV车型整车电源系统计算研究

（浙江顺驰汽车研发有限公司 310051）

0 引言

现在汽车电源系统主要包含：蓄电池、发电机和用电器，要求整车蓄电池有足够的电能储备，发电机发电量能够满足各种工况下众多用电器的需求。能够保证车辆任何时候都能正常起动和工作，也包括发动机停转时期电气设备工作一段时间后仍然能够正常起动，整车电气系统在充放电上始终要接近动态平衡。

为了满足整车电能达到动平衡，需要对某SUV 车型蓄电池、起动机、发电机以及电气系统进行功率匹配，以便为发电机选型和蓄电池选型和整车电路保护设计提供依据（图1）。

1 计算分析条件

1.1 整车运行工况分析

汽车用电负荷是进行发电机选型的重要依据，汽车上配置的所有用电器设备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长短，取决于季节和环境的变化。

一般来说汽车在行驶中几种较为典型的用电情况大致可分为8 种：平常日间、平常夜间、冬季日间、冬季夜间、冬季雪夜、夏季日间、夏季夜间以及夏季雨夜。

1.2 整车电器设备使用频度分析

整车用电设备可分为连续工作制，短时工作制和随机工作制3 种。

图1 整车电气供电系统简图

连续工作制用电器是指汽车行驶中连续不间断用电的设备。如发动机点火系统、燃油供给系统、发动机传感器、散热器风扇系统、仪表及监控系统、行驶系统以及车联网等。

短时工作制用电器是指汽车行驶中常使用电的设备。如转向灯、制动灯、位置灯（LED）、

远光灯、近光灯、前雾灯、后雾灯、日行灯、倒车灯、喇叭、牌照灯、氛围灯、前/后雨刮、一键起动、前座椅加热、后座椅加热和TCU 等。

随机工作制用电器是指汽车行驶中使用时间不确定而随即使用的用电设备。如室内灯、电动门窗、电动洗涤、空调压缩机、鼓风机、点烟器、视听系统、天窗、电动后视镜、ABS、EPS 和EPB 等。

综合季节、气候、环境、行驶工况和个人使用习惯，用电器的使用频度系数µ分析如表1。夏季相关频度系数相关用电器有散热风扇、雨刮器、空调压缩机、鼓风机；冬季相关频度系数相关用电器有散热风扇、雨刮器和鼓风机。

2 计算分析过程

整车电源系统计算也就是整车供电平衡计算，主要由整车用电设备等效负荷计算、发电机选型和蓄电池选型三部分组成[1]。

2.1 整车用电设备等效负荷计算

2.1.1 整车供电平衡的最大动态平衡点等效电流计算

电气设备在整车电气负载中的实际等效功率从理论上可以由公式（1）来计算。

公式（1）中，P加权为第i 个用电器设备的等效功率；µi为第i 个用电设备所对应的使用频度系数；Pi为第i 个用电设备的标称功率。

用电设备在整车电器中的实际等效电流从理论上可以由公式（2）来计算。

表1 某SUV 汽车用电器使用频率

公式（2）中，I加权为第i 个用电器设备的等效电流；P加权为第i 个用电器设备的等效功率；U 为系统标称电压。

系统标称电压U 取值参考发电机的实际输出电压，计算上取值13.5 V。

结合表1中用电设备在各种环境下的所对应的使用频度系数，整车电量计算值见表2。

缩机、鼓风机、EPS、制动真空泵及后除霜加热参数值等为供应商提供，其余为经验值。

根据表2可得出夏季雨夜为整车用电负荷最大工况，因此计算发电机额定输出电流时，应确保发电机额定输出电流大于夏季雨夜情况下整车的用电负荷。

整车在夏季雨夜工况下的整车用电电流如下。

连续工作制：

I1=P1/U=625/13.5=46.3 A

短时工作制:

I2=P2/U=179.4/13.5=13.3 A

随机工作制:

I3=P3/U=1200.38/13.5=88.9 A

整车用电附负荷：

I加权=I1+I2+I3=46.3+13.29+88.92=148.5 A

综上，整车供电平衡的最大动态平衡点等效电流为148.5 A。

2.1.2 整车怠速工况时等效电流计算

在夏季雨夜怠速工况下，整车电平衡动态平衡点要求满足连续工作制与短时工作制用电器工作。

考虑怠速工况发电机输出电流不能满足要求，同时为了避免选定发电机额定输出电流过大，导致成本浪费，车辆实际运行过程中，允许蓄电池短时间协助发电机同时给整车用电器供电，并且蓄电池放电后能够保证下次发动机起动所需的电流和电压。即：怠速工况下用电器消耗电流=发电机怠速工况下的输出电流+蓄电池放电电流[2]。

怠速状态使用空调时，整车用电需求相对不使用空调时增加了鼓风机和压缩机。考虑到空调功率较大，需要进行区分计算。

（1）空调系统工作需求为：

Iac=（P鼓风机+P压缩机）/U=（430+48）/13.5=35.4 A

（2）怠速工况下不使用空调时，整车电量需求：

Idx=μi·Ii=连续工作制电流+短时工作制电流=46.3+13.29=59.6 A

表2 整车电量计算值

表3 蓄电池容量与起动机功率的匹配

（3）怠速工况下使用空调时，则有：

Idx=μi·Ii=连续工作制电流+短时工作制电流+空调系统=59.59+35.4=95.0 A

2.2 蓄电池选型

蓄电池的选用主要功能是通过起动机来起动发动机。因此蓄电池选型主要根据起动机的功率来选择，还需考虑整车静态电流、起动机冷起动电流参数以及蓄电池固定方式、空间布置等因素。

2.2.1 依据起动机功率初步选型

蓄电池的主要功能之一是通过起动机来起动发动机。发动机的起动机功率为1.4 kW。通过起动机的特性曲线分析(图2)，起动机的实际使用最高功率点在1.4 kW，所以根据功率1.4 kW 来进行蓄电池的选型。环境温度的不同，蓄电池的供电能力会发生很大的变化，蓄电池的选用主要考虑其冷起动性能。

按公式（3）选择蓄电池：

图2 发动机匹配的起动机的特性曲线

图3 150.0 A 发电机的电流输出特性曲线

式中，Q 为蓄电池的容量（A·h）；P 为起动机的功率（kW）；U 为蓄电池的额定电压（V）。

将P=1.4，U=12 代入式（3），得：

Q=（600～800）×1.4/12=70.0～93.3 A·h

因此，蓄电池的容量建议在70.0～93.3 A·h 选取[3]。

根据国内外的蓄电池容量与起动机功率的匹配参考表3。

根据同类车及参考样车，蓄电池的容量定为80 A·h。

2.2.2 整车静态电流与蓄电池容量

根据车辆放置时的暗电流来验证蓄电池容量。车辆在车库等处存放时间至少为30 天时，仍然能够可靠起动。

整车的合理静态电流计算方式为：

公式（4）中,I静为静态电流目标值；C20为蓄电池的20 h 率额定容量（A·h）；90%为下线时蓄电池的实际容量与额定容量的比值；65%为确保车辆正常起动的最低实际容量与额定容量的比值；T 为储运时间（国内30 天，长途运输45 天）；1‰为蓄电池一天的自损耗率。

按照国内市场储运要求，验算45 A·h 额定容量的蓄电池：

I静=C20×（90%-65%-1‰×T）÷（T×24）=13.7 mA

按照国际市场储运要求，验算45Ah 额定容量的蓄电池：

I静=C20×（90%-65%-1‰×T）÷（T×24）=8.5 mA

根据设计，整车静态电流须不大于13.7 mA，节电保护后不大于8.5 mA。参照静态电流分配计算书，国内储运可以满足要求[4]。

2.2.3 起动机低温起动对蓄电池的要求

蓄电池容量越大，放电电流越大，工作低温性能越好。

蓄电池电量越小，电解液密度越小，凝点越低，越容易结冰。

根据图2所示，为了保证车辆在低温气候环境下能够正常起动，蓄电池的冷起动电流必须大于满足发动机起动的最低输出轴阻力距对应的起动电流420.0 A。并且要满足该起动电流持续放电10 s 后，仍能保证蓄电池电压大于起动机起动所需的最低电压。

此SUV 车型蓄电池在低温（-30℃）条件下的放电电流为500.0 A，大于满足发动机起动的最低输出轴阻力距对应的起动电流420.0 A，持续放电30 s 后的电压7.2 V（大于起动机工作所需最低电压4.0 V）。所以蓄电池的冷起动电流能够满足起动机所需的冷起动电流。

2.3 发电机选型

2.3.1 最大用电量时的发电机功率校核分析

发电机热态额定输出电流应大于夏季雨夜的最大用电负荷,车型最大电流为148.5 A。此SUV 车型发电机热态额定输出电流为150.0 A。

如图3所示，发动机配150.0 A 发电机的热态额定输出为150.0 A，比整车要求的148.5 A 多出1.5 A，满足电平衡要求。

正常行驶时发动机的转速n 为1 500～2 500 r/min，发电机皮带轮传动比i 为2.7。换算到发电机转速N 为：

N1=2.7×1 500=4 050 r/min

N2=2.7×2 500=6 750 r/min

则发电机对应转速下发电量为150.0～155.0 A，满足最大电流需求[5]。

2.3.2 怠速时的发电机功率校核分析

（1）不使用空调时

怠速时发动机的转速n 为750 r/min，发电机皮带轮传动比i为2.7。则发电机的转速N 为：

N= i×n =2.7×750=2 025 r/min。

根据图3，对应的发电机输出电流约为115.0 A，相对2.1.2中的计算结果59.6 A，满足电平衡要求。

(2)使用空调时

此时发动机怠速补偿后为1 000 r/min,发电机速比为2.7，则发电机的转速为2 700 r/min，对应的发电机输出电流为135.0 A。相对3.1.2 中的计算结果95.0 A，满足电平衡要求。

3 计算分析结果及结论

①综上分析，夏季雨夜为整车用电负荷最大工况，整车用电负荷为148.5 A。

②基于当前计算，整车蓄电池选用80 A·h。

③发电机性能输出满足怠速以及全工况下电流需求，选用150.0 A 发电机。

④此SUV 车型用电设备等效负荷满足动态平衡。