汽车电功率设计计算与分析

刘保国，雒拓，高锦

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

前言

随着汽车电控技术的不断发展，电控技术在汽车控制系统中的比重逐年上升。各电控分系统均需汽车电源系统为其提供足功率、高品质的电源。整车电功率设计计算作为汽车电源系统设计的重要组成部分，必须以整车电功率需求为依据，还应有一定的功率储备。本文通过计算某特种车电源系统的整车耗电功率、储备功率、蓄电池电能储备最长供电时间，评价汽车电源系统设计功率与整车电源系统功率设计需求的符合性，为汽车电源系统设计者提供一种汽车电功率设计计算与分析方法。

1 某特种车整车用电功率构成

某特种车电源系统额定电压为24VDC， 采用单发电机、单组蓄电池、独立配电、单/双线制电源系统。整车电子电器系统架构为多路 CAN总线分布式电子电器系统。该车采用电控高压共轨发动机、液力自动变速器、ABS系统、电加热风挡玻璃、空调、空气加热取暖装置、蓄电池加热，可选装信息管理系统、战术电台、北斗定位导航等信息化装备。发动机配装进气加热和缸套加热辅助起动系统。为设计及评价该车的电源系统，其整车用电功率应包括整车配装和选装的所有用电设备功率。

2 用电设备功率值分析

表1 整车电器设备电功率

车辆电器设备正常工作时，其功率值并不全稳定在某一功率值附近不变。某些设备功率值基本稳定，如灯具功率、发动机进气加热功率、挡风玻璃加热功率等，有些设备功率会随设备工作状态的变化而变化较大，如 ABS系统，ABS不起作用时，仅ABS控制器及检测传感器耗电，用电量不超过12W，当ABS起作用后，其用电量大增，最高可达150W，时间不超过1s。北斗导航定位设备平时平均功率约为10W。最大功率出现在峰值信号发射时，功率为50W，持续时间约0.3秒。车载式超短波电台待机和接收时功率约为 14W，最大功率出现在大功率发射时，最高可达180W。若按照20%时间大功率发射状态的工作频度分布，平均功率约为47W。对于作用时间很短且工作频率很低的用电设备工作工况，因所有用电器最大用电功率工况不会同时达到最大，且任何车辆的电源系统功率均有一定的功率储备，因此在平时工作时很短时间且工作频率很低的大功率消耗可忽略不计。以同样的分析方法，可求得其他电器设备用电功率如表1。

3 整车电功率计算

3.1 最大整车用电量计算

表2 整车电器设备用电量

汽车的电器设备一般不会在同一时间全部投入工作，许多用电设备的工作及工作时间的长短取决于季节和环境的变化，在不同的季节和环境，有着不同的使用频度系数。发动机进气加热、蓄电池加热、电动泵油、发动机缸套加热系统仅在发动机起动之前工作。发动机起动后，进气加热、蓄电池加热、缸套加热及起动机不再消耗电能。当点火锁位于ON档接通电源时，电动油泵开始工作； 预热解蜡加热器工作触发温度 7℃±3℃，关闭触发温度 24℃±3℃。当点火锁 ON档接通，电动泵油系统的电动泵开始自动泵油，10分钟后自动停止。以 Ks、Ko、Kw分别表示电器设备夏季环境、与气候无关环境及冬季环境3种情况下的使用频度系数，根据用电功率构成，I=P/24，获得整车电器设备的用电量，并确定与季节有关的使用频度系数见表2。

整车用电量可利用每一用电设备用电量的等效电流来计算，计算公式如下：

其中：Idx—等效电流

Ui—第i个用电设备对应的使用频度系数

Ii—第i个用电设备的电流

以Idxs、Idxo、Idxw分别表示电器设备夏季、与气候无关及冬季3种环境下的等效电流，根据整车电器设备用电量，计算求得等效电流Idxs=45.3A，Idxo=34.8A，Idxw=55.3A。于是，当车辆运行于冬季环境时，其整车用电量最大，最大整车用电量为：I=55.3A。

3.2 电气设备耗电功率计算

整车电气设备耗电功率计算公式如下：

式中：P—整车用电设备总耗电功率（W）

K1…Kn—各用电设备能量核算系数

P1…Pn—各用电设备耗电功率（W）

按设备使用时间的长短，确定能量核算系数与最大使用频度系数相同。计算该特种车整车电气设备耗电功率如下：

电能转换功率计算公式为：

式中：P转—转换后整车用电设备总耗电功率（W）

K转—转换系数

P—整车用电设备总耗电功率（W）

则该特种车的电能转换功率为：

P转＝1.65×1564＝2581（W）

3.3 电能储备功率计算

电能储备功率公式为：

式中：P储——整车用电设备储备功率（W）

P发——发电机发电功率（W）

P转——转换后整车用电设备总耗电功率（W）

该特种车选用28VDC输出，150A发电机，则发电机额定功率为：

P发＝28×150＝4200（W），于是

P储＝4200－2581＝1619（W）

储备功率系数K储＝P储/P转，则电功率储备功率系数为：

K储＝1619/2581＝0.63

4 蓄电池放电时间计算

4.1 低温放电时间计算

车辆起动后，蓄电池作为辅助电源为空调、风窗玻璃加热器、暖风、点烟器及喇叭等提供电能。此时蓄电池作为负载蓄电池向整车供电，其低温放电时间可按负载型蓄电池放电时间公式计算，计算公式如下：

式中：Q-蓄电池容量（AH）；

K-安全系数

I-负荷电流（A）

T-放电小时数(H)

t-实际电池所在地最低环境温度值

α-电池温度系数(1/℃)

η-放电容量系数，可按表3取值

表3 放电容量系数（η）

根据3.1节计算结果可知，当车辆在严寒气候环境下正常行驶，发电机不发电时，蓄电池向整车电器设备供电量最大，其等效电流为55.3A。若按55.3A放完额定容量180Ah需要180/55.3=3.25小时。根据放电容量系数表3，按3小时蓄电池放电至 21.6V，放电容量系数为 0.75。取安全系数为1.25，电池温度系数α取 0.008/℃（即温度每升高 1度，容量增加0.8%），则-41℃环境下可持续放电时间为：

该车辆蓄电池电源系统设计蓄电池加热装置。采用蓄电池加热装置后，蓄电池加热器工作30分钟，蓄电池电解液平均温度上升可不小于15℃。若延长加热器工作时间，可使蓄电池电解液温度上升至常温水平，使-41℃环境下发电机不发电的蓄电池持续放电时间延长至常温放电时间3.25小时（见4.2节）。

4.2 常温放电时间计算

根据3.1节计算结果，常温环境下车辆正常行驶时，工作电器设备等效电流约为 34.8A。当发电机不发电时，用电设备消耗蓄电池储备的电能。若按 34.8A放完额定容量180Ah需要180/34.8=5.17小时。根据放电容量系数表3，按5小时蓄电池放电至21.6V，放电容量系数为0.84（根据线性插值法求得）。按负载性蓄电池放电时间公式（2），取安全系数为1.25，电池温度系数α取0.008/℃，则常温环境下（25℃）可持续放电时间为：

5 整车电能分析

5.1 蓄电池组与发电机电能平衡分析

该车电源系统储能设备采用蓄电池组储能，电源单个蓄电池20小时率额定容量为180 Ah。按蓄电池充电电流（Ica）值为4×Ce/20计算，起动电源蓄电池充电接受能力为36A。整车的最大用电量等效电流为 55.3A。该车型采用的发电机额定输出电流150A，因此在正常行驶过程中发电机不仅可为整车用电设备提供充足的电能，还可对蓄电池进行快速充电。

5.2 电能储备功率分析

该车整车电气系统储备功率为1619W，转换后整车用电设备耗电总功率为2581W，整车电气设备的电能功率储备系数为0.63，符合该车电能功率储备系数不低于0.6的设计标准要求，因此该车电能功率储备是充足的，完全可以满足整车电气设备的需要。

5.3 蓄电池低温放电能力分析

电源蓄电池为6-QW-180MF-J低温型蓄电池，20小时率容量为180Ah，-41℃冷启动电流630A。蓄电池完全充电后，在-18℃环境放置24小时后，以600A电流放电，蓄电池组电池电压不低于18V的放电时间最短为30s，放电到12V时的低温起动容量不低于90Ah、放电时间不低于200秒。在-40℃环境放置24小时后，以540A电流放电，放电至12V时的放电时间不低于75秒。以发动机单次起动标准时间15秒计，蓄电池低温放电能力满足低温使用要求。

6 结论

该特种车辆采用单发单组蓄电池电源系统，蓄电池容量180Ah，采用 28VDC150A发电机可充分满足整车电气设备的充电、用电需求，设计结果满足整车设计指标要求。

[1] 桂长清,郭丽,贺必新,钱志刚.实用蓄电池手册[M].北京:机械工业出版社,2010.

[2]郭纪明.汽车供电系统的选型设计[EB/OL]. http://www.autoinfo.gov.cn/html/051122qc.htm,2006-8-23.

[3] 桂长清.动力电池[M] .北京:机械工业出版社,2012.

[4] 朱松然.蓄电池手册[M] .天津:天津大学出版社,1998.