低温环境下整车电性能特性测试分析研究

秦振海，赵雷雷，王晓鹏

（陕西汽车集团有限责任公司，陕西 西安 710005）

1 前言

柴油车辆在低温高寒环境下工作，为了达到法规排放要求，保证驾驶室内温度的舒适性，发动机能正常顺利起动，柴油车辆必须做高寒环境适应性试验。通过对整车进行低温环境下电气负荷的电性能测试，获得车辆电气系统的电气参数，对原始数据进行分析与设计指标、相关法规进行比对，发现设计偏差、安全风险项、电气系统漏洞等，提出对电气系统整改的必要性及整改措施，保证电气性能的可靠性。

2 法规要求

2.1 对整车低温起动的要求

GB／T 12535-2007《汽车起动性能试验方法》中低温起动试验对环境温度要求-35±2℃，起动机拖动发动机的时间不得超过30s。

2.2 对电气负荷的要求

GB／T 28046.2-2019《电气及电子设备的环境条件和试验 第2部分：电气负荷》中要求在车辆起动期间工作的电气设备功能状态应能满足设计要求。

2.3 对蓄电池的要求

1）GB／T 5008.1-2019《起动用铅酸蓄电池第1部分：技术条件和试验方法》中要求低温起动能力对环境温度要求-18℃和-29℃，蓄电池放电至10s时端电压 （单个电池）不小于7.5V，30s时端电压 （单个电池）不小于7.2V，90s时端电压 （单个电池）不小于6.0V（参考值，不做要求）。

2）GB／T 5008.2-2013《起动用铅酸蓄电池第2部分：产品品种规格和端子尺寸、标记》中对额定容量为180Ah／220Ah的铅酸电池在-18℃时起动电流Icc不得低于1000A。

3 低温环境实车测试

根据相关法规要求，整车电气设备配置情况，柴油机的低温起动特性以及中国北方高寒地区冬季气候情况，特设定低温环境实车测试温度在-33±2℃的实际气候环境下进行。有关测试项目包括：起动过程电性能特性、汽车水暖式暖风系统、燃油加热器、起动辅助加热装置、SCR、DPF再生后处理系统等。

3.1 整车低温起动电性能特性测试

柴油机在高寒地区环境下的低温起动过程中，由于柴油机的机油粘度变大，导致起动阻力变大，进气温度变低，从而导致柴油雾化燃烧性能变差；另外硫酸变浓，内阻变大，其放电性能也相对减弱，这些因素共同作用影响了整车起动性能变差。

3.1.1 整车低温起动电性能特性对比测试—220Ah

将试验车、待测试用蓄电池选用220Ah免维护普通蓄电池在室外温度-33±2℃，低温静置8～12h后，使发动机机油、冷却液温度与环境温度一致，进行低温启动试验，实测电压、电流和发动机转速如图1、图2所示。

由图1、图2可知，在低温起动时，蓄电池最低电压为12.6V，起动机端起动电流最大为1546A，起动时间12s，发动机转速达到700转时发动机已能自行运转。

图1 不同测试点电压及起动机电流 （220Ah）

图2 发动机转速 （220Ah）

3.1.2 整车低温起动电性能特性对比测试—180Ah

将试验车、待测试用蓄电池更换为180Ah免维护低温蓄电池在室外温度-33±2℃，低温静置8～12h后，使发动机机油、冷却液温度与环境温度一致，进行低温启动试验，实测电压、电流和发动机转速如图3、图4所示。

由图3、图4可知，在低温起动时，蓄电池最低电压为13.7V，起动机端起动电流最大为1318A，起动时间6.45s，发动机转速达到599转时发动机已能自行运转。

3.1.3 对比测试结论

通过对上述图1～图4数据对比分析，起动过程中电性能得出以下结论。

1）与GB／T 28046.2-2019中章节4.6.3启动特性的启动电压曲线比对。该车启动特性的电压曲线变化与GB／T 28046.2-2019中章节4.6.3启动特性的启动电压曲线变化趋势一致，实车US6=12.6V，US6=13.7V均大于标准中US6MAX=10V，即高于在此起动期间工作的用电设备 （比如一键起动控制器，发动机ECU）的工作电压，说明电源供给系统中在起动瞬间引起瞬态电压变化优于标准要求，不会影响到其它用电设备的正常工作。

图3 不同测试点电压及起动机电流 （180Ah）

图4 发动机转速 （180Ah）

2）该车 （用220Ah免维护普通蓄电池、180Ah免维护低温蓄电池）起动机克服发动机阻力矩拖动时间分别为t8=2s，t8=6s，均小于标准中t8=10s，起动过程拖动时间优于标准所列值。在此期间电压波动变化量较大为4V，劣于标准中的2V，说明柴油机的发动机阻力矩较大，应通过其它辅助方式 （比如对发动机的油底壳及水套进行预热）减小发动机阻力矩，改善其起动性能。

3）两组蓄电池放电至10s时端电压 （单个电池）均大于7.5V，30s时端电压 （单个电池）均大于7.2V，起动电流Icc均高于1000A，满足低温起动需要。

3.2 汽车水暖式暖风系统

汽车水暖式暖风系统中耗电器件主要是鼓风机，其电气属性为电感型设备，一方面由于电刷的不断接通和断开产生火花放电和高频噪声，另一方面特别是在起动瞬间，由于低温造成的起动阻力矩增大，导致浪涌电流的存在，此时因电流瞬时增大引起对熔断器的冲击，如果回路的电流峰值超过其熔断丝的极限 （开启瞬间），可能对熔断丝寿命造成影响。图5为暖风鼓风机 （在-3℃时）开启瞬间的电压电流曲线图，图6为-30℃时曲线图。

通过分析图5～图6暖风鼓风机不同温度下开启瞬间曲线，可以看出，极寒温度对暖风鼓风机开启瞬间浪涌电流的影响还是比较大。

3.3 燃油加热器

燃油加热器工作原理：开启燃油加热器开关，加热器控制器收到一个启动信号，计量油泵从油箱泵油并以脉冲形式将燃油打到燃烧室前的吸油锥衬 （金属毡）上，同时陶瓷电热塞加热到1000℃左右，将吸油锥衬上的细小油滴气化并点燃。因计量油泵和陶瓷电热塞以脉冲式工作，电流瞬时增大引起对熔断器的冲击，电流峰值超过其熔断丝的极限，需计算相对熔断热能I2t=（脉冲熔断热能／熔断器熔断热能）＜22%进行验算。图7为燃油加热器工作电压电流曲线图。脉冲熔断热能×0.0155=2.37 （A2S）。燃油加热器回路选用MINI慢熔型10A熔断器，通过图8查表确定10A熔断器的熔断热能I2t为93A2S。所以相对熔断热能I2t=0.025=2.5%＜22%。因此通过相对熔断热能的校核，脉冲电流不会对该回路熔断器寿命产生影响。

图5 暖风鼓风机 （在-3℃时）开启瞬间

图6 暖风鼓风机 （在-30℃时）开启瞬间

3.4 起动辅助加热装置

本车起动辅助加热装置采用PTC格栅进气预热装置，在起动发动机之前，PTC格栅进气预热装置进入前预热状态，持续时间21s，电流高达110A，随后前预热结束，此时可以起动发动机。在发动机起动过程中，起动机处于压缩拖动过程中，PTC格栅进气预热装置不工作，以便为起动机保留足够大的起动电流供起动机用，等压缩拖动过程完成后进入自行运转时，PTC格栅进气预热装置进入起动中加热状态，持续时间43s，电流为110A；等发动机转速稳定下来后，PTC格栅进气预热装置进入后预热状态，持续时间21s，电流为33.67A，整个低温起动辅助加热也就结束。图9为起动辅助加热全过程电性能参数曲线。

4 总结

目前国内外针对低温环境下整车电性能特性方面的研究比较少，可借鉴的资料比较少，在实践中不断摸索探究，如SCR后处理系统中的尿素溶液在-12℃时产生结晶现象，温度再低时发生冰冻现象，尽管SCR后处理系统中尿素箱及管路带有加热装置，其效果不甚明显，因此，后处理系统中的喷射装置处于停滞状态。而DPF后处理系统是发动机排放为达到国Ⅵ标准而新增设的装置，实车DPF再生电性能方面的测试几乎没有涉及，应加强发动机后处理系统的电性能测试研究，为整车电气系统设计和整车排放性能方面的设计提供数据支撑。

图7 燃油加热器工作电压电流曲线图

图8 MINI型熔断器熔断热能

图9 起动辅助加热全过程电性能参数曲线