整车用电量平衡计算

赵文庆

（河北中兴汽车制造有限公司 汽车研究院，河北 保定 071000）

随着汽车上用电设备的增多，在汽车电气系统的设计中，整车电气系统的电量平衡必须进行科学计算［1］，以适应自主品牌车型正向设计开发的需要，保证整车电气系统设计的可靠性。因而，匹配准确性成为至关重要的课题。

汽车电气系统的电量平衡，是指供电装置与用电设备之间电能产生和消耗的相互制约关系。蓄电池的主要作用是在发动机起动时向起动机提供瞬时大电流供电；发电机是汽车上的主要供电设备，在整车正常运行状态下保证整车电器 （除起动机外）的用电量外，还要向蓄电池充电。所以，合理地选择蓄电池的容量及发电机的输出功率是保证整车供电与用电平衡的必要条件［2］。

汽车的电气系统分为供电系统和用电设备。供电系统主要包括发电机、蓄电池、电线束、各种开关及继电器等。用电设备主要包括动力总成控制、各种灯光信号、安全辅助功能、空调、刮水、娱乐音响等。

根据以上概念的阐述，汽车电气系统用电量平衡计算的主要工作：蓄电池选型使容量与起动机最大输出功率的优化匹配，保证车辆在恶劣环境温度条件下的正常起动，同时又能够降低蓄电池成本和消耗量；对发电机选型，使其有效输出电量与整车电器用电量的优化匹配，既能够保证蓄电池正常充放电工作，延长发电机和蓄电池的寿命，又能够降低发电机成本和油耗量。

1 整车用电量总量的模型建立

汽车上配置的所有用电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，取决于季节和使用环境的变化。本文将整车复杂的用电环境系统化模块化，通过细分建立整车用电模型，使整车用电这一模糊系统计算参数化，更便于进行严密推理计算。

汽车在行驶中几种较为典型的用电情况大致可分为：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、夏季雨夜［1］；根据以上使用环境考虑连续工作用电设备、短期工作用电设备和随机工作用电设备，权值的选取是经过本人长期实践经验积累选取的，具有很强的可借鉴性。以一款皮卡汽油版为例，见表1所示负荷。

总功率计算：P=PW1+PW2+PW3=470.74+363.4+267.38=1101.52W， 最小需求Imin=P／U=1101.52／14≈78.68A， 最大需求Imax=P／U=1101.52／12≈91.79A。

2 发电机的功率选取

应保证整车正常的运行实际供给用电设备电能和满足蓄电池充电的要求。

表1 皮卡汽油版负荷

2.1 选型时遵循的原则

1）发电机热态最大输出功率大于整车综合工况下总功率的1.3～1.5倍。

2）怠速时，输出电流应大于发动机点火系统和供油系统等连续用电设备所需电流。

3）考虑极限环境 （夏季雨夜工况）及增加空调、音响设备装置等负荷的用电电流。

4）整车实际用电和蓄电池的充放电平衡，为保证蓄电池可靠地充电，使蓄电池的充放电也达到平衡。

发电机输出电流应满足以下要求：①热态最大电流需求： P热=（PW1＋PW2）×140%=（470.74＋363.4）×1.4=1167.796W， 则I热=P热／14=1167.796／14=83.414A。②怠速时发电电流：怠速条件下的发电机输出电流应满足连续用电设备需求电流，不小于：I1=PW1／14=470.74／14≈33.6A。 ③极限环境夏季雨夜工况，考虑增加空调及音响设备时的电流需求。负载电流：I2=（PW1＋PW2）／14=（470.74＋363.4）／14≈59.6 A。④整车电器消耗及蓄电池充电需求：发电机输出功率除应满足在正常运行状态下须保证整车电器用电量外，还应满足向蓄电池补充电量 （充电系数为0.05～1.5） 的要求［3］。根据蓄电池充电需求及内阻消耗，选取充电系数为0.2；发动机应满足在整车随机用电设备功率下的最大电流消耗电流时还能向蓄电池充电： I冲=Imax×（1＋0.2）≈110.148A。

综合上述条件考虑，建议选用14V／120A发电机。

2.2 初选发电机校验

根据初步选定的发电机，需根据公式K=R1／R2Xn预先计算怠速时的发电机转速。

式中：n——怠速发动机的转速，取800r／min；R1——发动机的飞轮半径，取85.5；R2——发电机的飞轮半径，取28.6。

发 电 机 怠 速 时 ， 转 速K=R1／R2×n=85.5／28.6×800=2391.6r／min。

选定发电机的输出特性及曲线见图1，由其输出特性曲线（HOT 90℃）可得：①怠速时发电机输出电流：80±5 A，大于33.6 A。 ②最大输出电流≥105 A，大于理论计算值83.414 A，可满足需求。③发电机最大输出160 A，大于整车用电设备及蓄电池充电的最大需求110.148A。

通过上述分析计算，选定匹配该款发动机的120A发电机，可满足整车耗电要求。

3 蓄电池容量的确定

1）蓄电池容量估算 此款发动机的起动机额定输出功率为2.2 kW，选用的蓄电池低温放电电流，应大于起动机低温起动电流，并且端电压在放电期间的前15～30s时间内要稳定。起动机相关参数见表2。

表2 起动机相关参数

根据经验公式

式中：Q20——蓄电池的额定容量，Ah；P——起动机的功率，kW；U——蓄电池的额定电压，V。

则： Q20=（350～450）×P／U=（350～450）×2.2／12≈64.2～82.5 Ah， 故初步确定蓄电池容量的可选范围为64.2～82.5Ah之间。

2）蓄电池的选取 由于低温起动电流直接关系到起动机能否良好起动，一般蓄电池的低温起动电流应该大于起动机功率曲线图上功率最大点对应的起动电流。根据起动机输出特性曲线 （图2）可以看出：起动机输出最大功率2.2 kW时， 需要输入工作电流450A，而蓄电池在-18℃低温起动电流为622 A，大于起动机的工作电流450 A，所以该款车型选用额定容量为

图2 起动机输出特性曲线80 Ah的蓄电池，其参数及低温起动电流满足起动机需求。

4 结束语

根据发电机和蓄电池的选取计算得出，该款车型选取额定容量为80Ah的蓄电池，选用14V／120A的发电机规格，经整车可靠性试验验证，选取结果能满足整车用电需求。本文经验公式选取以实践为基础，将复杂的用电环境模块化用数学模型进行计算，满足实际工程需要，区别于以往文件公式繁多，不便于实际使用。此方法已经得到我公司众多车型的实际验证，是一种准确可靠的计算方法。

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

［2］屈颖，李远，杨明.整车电量平衡计算［J］.汽车电器，2014 （4）： 10-12.

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