客车整车电量平衡计算

聂石启

(金龙联合汽车工业(苏州)有限公司， 江苏 苏州 215026)

客车电气系统的电量平衡，是指客车启动型蓄电池、交流发电机和其他各种用电设备之间电量的消耗和产生的相互平衡关系。起动机与蓄电池、整车用电设备与发电机是一个电能需求和供给关联系统[1-2]。蓄电池的主要作用是向起动机供给起动电能，发电机是客车上的主电源设备，除在正常运行状态下保证整车用电设备(除起动机外)的用电量外，还要向蓄电池充电。所以，合理地计算蓄电池容量和发电机输出功率，既能够保证车辆在恶劣气候环境和不同地区条件下可以正常运营，又能降低蓄电池消耗量和成本[3];既能延长发电机和蓄电池的寿命,又能降低发电机成本和油耗量。本文以海格牌KLQ6109T车型为例进行论述。

1 起动机的启动功率计算

1.1 发动机的启动条件

在起动机的启动性能符合国家标准[4]规定的前提下，起动机的启动转矩必须大于发动机的阻力矩是确保发动机能够正常启动的必要条件[5]，其中发动机的阻力矩主要包括压缩阻力矩、摩擦阻力矩和惯性阻力矩3项。

发动机启动所必须的转矩M可以用式(1)求得：

M=C×L

(1)

式中：L为发动机排量；C为比例系数，0 ℃时柴油机取70～75。

该车配置WP6.245E4发动机，此发动机的排量为6.75 L，计算出：

M=(70～75)×6.75=(472.5～506.25)N·m

1.2 发动机的启动功率计算

起动机启动转速必须大于发动机能够启动并自行运转的最低曲轴转速nmin,柴油发动机一般为100～150 r/min。WP6.200E40发动机的启动功率P按式(2)求得：

(2)

1.3 起动机功率计算

取起动机驱动齿轮与发动机飞轮齿环的传动效率η(工程计算一般η取0.85～0.95)，则起动机功率P′可按P′=P/η计算。传动效率η按照0.9取值，则起动机功率P′约在5.5～9 kW之间，可以选取24 V/6 kW型的起动机。

1.4 起动机传动比选择

计算起动机的传动比一般以最大功率点的起动机转速为依据，并使拖动发动机的转速高于发动机能够启动成功的转速[6]。根据起动机工作特性可知，起动机最大功率点一般在1/2最大制动电流处。鉴于柴油发动机的转速较高，传动比较小，因此一般选取起动机的传动比为8～10。

2 蓄电池容量计算

蓄电池在客车上有3种工作状态：起动状态、车辆运行时的充放电循环状态和车辆静置状态时需要消耗电量的状态。在进行蓄电池的计算选型时，应计算蓄电池的20小时率额定容量C20和-18 ℃冷启动电流CCA 2个参数[7]。

2.1 蓄电池的20 h率额定容量C20的估算

2.1.1 根据启动功率估算蓄电池额定容量

在整车电器系统中，蓄电池的主要功能之一是当发动机启动时向起动机提供大电流，故以启动容量为依据计算选择蓄电池。蓄电池额定容量C20按经验公式(3)计算：

C20=C×P′/U

(3)

式中：C为配电系数，600～800；P′为起动机功率；U为电源端电压。

经1.3节计算并选取的起动机，其参数为24 V/6 kW，通过式(3)可以计算出蓄电池额定容量C20=(600～800)×6÷24=(150～200)Ah。

2.1.2 根据静态电流估算蓄电池容量

静态电量消耗一般分为3部分：一是车辆静态电流在规定停放时间T内消耗的电量；二是蓄电池自放电消耗的电量，按蓄电池自放电率为1‰/天计算；三是停车时的惯性负载消耗的电量，为确保车辆能够正常启动的最低电量需求，按蓄电池额定容量的75%预留计算。

蓄电池额定容量C20可按式(4)计算：

(4)

按规定，车辆停放时间T为30天，本车的静态电流Is控制在60 mA以下，经式(4)计算得出：

结合2.1.1中的计算结果可选用蓄电池容量为200 Ah的蓄电池。

2.2 蓄电池-18 ℃冷启动电流CCA的确定

蓄电池的冷启动电流直接关系到起动机的启动性能，蓄电池的冷启动电流应大于起动机功率曲线上功率最大点对应的启动电流，同时小于功率曲线与扭矩曲线交点对应的电流。从图1所示的24 V/6 kW起动机输出特性曲线可以看出，在+20 ℃时，起动机输出最大功率6 kW对应启动电流为750 A；功率曲线与扭矩曲线交点对应的电流为1 100 A，因此选用-18 ℃时蓄电池冷启动电流要大于750 A，小于1 100 A。经查蓄电池容量200 Ah的参数可知，-18 ℃冷启动电流CCA为1 000 A。

图1 24 V/6 kW起动机输出特性曲线

通过2.1的计算和2.2中蓄电池-18 ℃冷启动电流CCA参数的验证，选用容量为200 Ah的蓄电池满足使用需求。

3 发电机功率计算

3.1 整车主要工况的用电量计算

3.1.1 整车用电量统计

为了整车电器系统的输入与输出总电量的动态平衡，首先要计算整车用电量[8-10]。整车用电量计算存在多种工况：怠速常用工况、怠速极限工况、综合工况、极限工况(夏季雨夜、冬季雪夜)、超极限工况等。

为便于客车电量平衡数据库管理，简化计算过程，本计算方法选3种代表工况(夏季雨夜工况、综合工况、冬季雪夜工况)进行用电量统计，结合加权系数综合计算。

对各工况下用电设备使用频度及等效功率按表1进行统计，其中“加权系数”是经验值，可以根据车辆实际销售的区域和实际运营情况进行适当调整，“额定功率”视实车配置和同规格设备匹配数量调整，对于未统计新增设备可以在表1中增加功率和适当的加权值。

表1 用电设备使用频度及等效功率表

3.1.2 总电负荷计算公式

总电负荷If可按式(5)进行计算：

(5)

式中：j为整车用电设备的数量；Pi为第i个用电设备的额定功率；Ub为用电设备的标称电压；Ue为发电机输出电压；Ki为第i个用电设备的加权值。

3.2 发电机功率的选取

3.2.1 发电机的选用原则

在选用发电机时，不仅要考虑发电机在满足整车电器设备用电的同时，还应有一定的余量给蓄电池充电。具体选用时应遵循以下原则：

1) 保证在常用行驶速度(一般取40 km/h)时有20小时率放电电流C20/20 A以上的充电电流。

2) 为确保蓄电池在综合工况下能可靠地充电，使蓄电池的充放电也能达到平衡，发电机热态最大输出电流应不小于整车综合工况下的最大总电流的1.2倍。

3) 极限工况时，发电机的发电量应不小于该工况下的用电量。如果发电机发电量不满足要求，则以极限用电2 h内蓄电池容量保证75%为原则进行计算。

3.2.2 发电机选取

依据式(5)(其中Ub=24 V，Ue=28.5 V)和表1的统计结果，计算出3种工况下的总电负荷If，见表2。

表2 整车用电设备总电负荷If表 A

由上计算，初步选定输出曲线如图2所示的28 V/140 A发电机。

图2 28 V/140 A发电机输出特性曲线图

3.2.3 选用发电机的验证

根据交流发电机的选用原则，对选用的28 V/140 A发电机进行验证。

1) 常用行驶速度选取40 km/h，3挡时发动机转速约为1 400 r/min，扭矩约为806 N·m，发动机与发电机的传动比为2.5，此时发电机的转速为3 500 r/min。对照图2发电机的输出特性曲线，此时发电机的输出电流约为135 A，大于冬季雪夜工况下的最大总电负荷121.41 A，并且差值13.59 A大于该车型匹配的蓄电池(蓄电池容量200 Ah)20小时率放电电流200 Ah/20 h=10 A，满足要求。

2) 发电机热态最大输出电流应大于整车综合工况下的最大总电流的1.2倍。综合工况下总电负荷为102.88 A，1.2倍为102.88×1.2≈123.46 A。28 V/140 A发电机热态最大输出电流为143 A，大于123.46 A，满足要求。

3) 发动机与发电机的传动比为2.5，未开空调的发动机怠速为700 r/min，发电机转速约为1 750 r/min。 对照图2发电机的输出特性曲线，此时发电机输出电流约为100 A，小于冬季雪夜极限工况下的最大总电负荷121.41 A。根据经验，以极限用电高峰怠速2 h、蓄电池容量确保75%为原则计算Q=I×t=(121.41-100)×2=42.82 Ah，所选取的蓄电池容量不小于42.82÷(1-75%)=171.28 Ah。该车型选用的蓄电池容量为200 Ah，可以增补28 V/140 A发电机在冬季雪夜怠速极限工况下在2 h内的用电需求。

通过以上计算验证选用28 V/140 A发电机满足该车型需求。

4 结束语

由于起动机、蓄电池和发电机的技术日益成熟，如电激磁行星减速两级啮合结构的大功率起动机已成为发动机匹配主流趋势，两并联或三并联小功率发电机整车匹配技术已成为客车发展趋势，低内阻无集流器铅酸蓄电池技术的进一步发展，均会对本文中提出的部分经验参数产生影响；并且还需要根据地理区域、气候条件、驾驶习惯等客车营运的实际状态的差异，运用统计学、概率学等知识对表1中的加权系数不断进行完善，使客车电器系统电量平衡计算更加优化。