摘 要：电平衡是指发电机、蓄电池、整车用电器一定工况下发电量和用电量达到稳定的平衡状态，文章主要介绍了汽车电平衡的设计流程、目的意义、设计方法（包括模型计算，蓄电池及发电机选型）以及如何进行试验验证。
关键词：电平衡；发电机；蓄电池；整车用电器；计算
中图分类号：U462.2 文献标识码：A 文章编号：1671-7988（2018）16-124-04
Abstract： Load balance refers to the equilibrium state among generator， battery， the power consumption of the whole vehicle appliances under the certain condition， this article mainly introduced the design of vehicle load balance process， the purpose， significance， design methods （including calculation and selection of the battery and generator） and how to do the test.
Keywords： Load Balance； Generator； Battery； Electric Appliance； Calculation
CLC NO.： U462.2 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）16-124-04
前言
随着科技进步，车联网及智能汽车的高速发展，现代汽车电气设备越来越多，各用电器工作条件及控制策略也越来越复杂，这使得整车耗电量也在逐步增加，如何保证车辆在任何工况下，如低温、车辆静置一段时间以及在极端工况等条件下，发动机都能够正常起动，电气部件能够可靠工作，这是一个重要的课题，从整车角度来讲，这是一个电气系统电能输出及需求的平衡问题，电平衡即汽车电气系统电量匹配平衡，即发电机、蓄电池以及用电负载之间的电能产生及消耗的匹配和相互制约关系[1]，发电机是电能的输出者，用电设备是电能的消耗者，蓄电池则充当为起动机供电，既协助发电机供电，又利用发电机输出电能充电的角色[2]，蓄电池、起动机、发电机以及电气系统作为一个整体，在设计时必须使它们的工作能相互匹配，因此电平衡设计在整车开发中尤为重要。
1 整车电平衡设计流程
整车电平衡设计流程如图1所示。发电机必须在绝大多数运行工况下，能够给整车电气系统提供足够的电能，同时又能保证给蓄电池充电。对于传统发电机来讲，所选定的发电机特性能够使发电机产生的电流至少等于极限工况下整车电气系统的消耗，而对于智能发电机，发电机产生的電流可结合整车控制策略及整车极限工况的电流需求进行确定。
2 整车电平衡设计目的
要求车辆在不同使用工况下，蓄电池的容量和整车电气系统电压均能够满足设计要求：
a）车辆电气系统低负载时，发电机能够提供负载消耗的电能，并能给蓄电池充电；
b）车辆电气系统高负载时，蓄电池能够帮助发电机一起提供负载所需电能，但放电量要控制在一定范围内；
c）车辆在标准驾驶循环后，蓄电池的容量应不能减少。
3 整车电平衡设计
3.1 蓄电池选取
蓄电池的作用主要是在发动机起动时给起动机、点火系统等用电设备供电，在发电机正常运行后作为储能器件存在，并当发电机不发电或者故障时给整车电气系统供电。
气温低时发动机的起动扭矩增大，起动机需要的起动电流也大[3]，蓄电池容量和电压下降快，起动困难，因此冬季要保证充足的放电电流，可采用大容量蓄电池。蓄电池容量和放电电流的关系：一般来说蓄电池的容量大，放电电流就大，工作低温性能好。
蓄电池的选取要根据车辆放置时的静态电流值研讨蓄电池的容量。车辆在车库等处的存放时间至少为30天时能可靠起动。其判断标准由以下算式表示：
式中：I—整车静态电流A；P—停放天数；C—蓄电池容量Ah，因此选择蓄电池时要考虑：使用条件、行驶条件、发电机功率、环境温度、整车静态电流等综合因素，此外还要考虑到蓄电池自身的损耗，蓄电池自放电是电平衡的一个重要参数，不同的蓄电池厂商此电流会有不同，因此需要与蓄电池厂商共同确认，以保证设计时选型的定义[4]，蓄电池自放电一般为其容量的3%-5%。
3.1.1 实例
某款车采用12V电源系统，其电源由蓄电池和发电机并联后组成。从成本、维修便利性、使用寿命及起动机起动电流考虑。计划选用起动型免维护铅酸蓄电池，此类型蓄电池具有内阻小、电压稳定、结构简单、成本低廉、能迅速提供大电流、免维护、使用寿命长等优点。根据设计要求，整车静态电流I不大于15mA，车辆停放30天后仍能可靠起动。由判断标准计算公式：
考虑到蓄电池自身的损耗，容量选择60Ah。
由表1和图2可知，在-25℃时，发动机静阻力矩T静=18.3 Nm，此时的冷启动电流为340A，为保证可靠起动，取蓄电池低温放电电流400A。
综上，可选容量为60Ah，低温起动电流为400A的铅酸蓄电池。
3.2 整车用电量的理论计算
根据整车电器系统常用电器设备的不同工作特性，将其分为连续接通、短时间接通、和长时间接通3种状况。
3.2.1 用电设备使用情况
整车用电设备在不同场合，不同气候条件下使用，一般不会全部工作，而许多用电设备的工作时间长短，取决于季节和环境的变化，对汽车在行驶中较为典型的用电情况进行分析，大致可分为8种，平常日间、平常夜间、夏季日间、夏季夜间、夏季雨夜、冬季日间、冬季夜间、冬季雪夜。不同工况下各用电器的使用情况见表2。
3.2.2 用电设备使用频率
电气系统负荷与用电设备的使用和工作状态相关，用电设备工作状态决定于季节、环境、交通状况和个人喜好，复杂的使用条件使电气系统负荷的计算变得困难，为了分析计算方便，引入用电设备使用频度系数概念来计算整车用电量。
在不同的季节和环境，汽车用电设备有着不同的气候环境频度系数，本文采用的频度系数及其有主要关系的用电设备如下：
1）μS 与夏季相关频度系数。相关电设备：空调压缩机、雨刮、风扇、鼓风机等。
2）μo 与季节气候无關频度系数。相关电设备：制动灯、室内灯等随机工作的设备。
3）μw 与冬季相关频度系数。相关用电设备：空调鼓风机、除霜等。
如表3所示，为了便于说明，下面我的论述将结合实例进行。
3.2.3 整车用电设备等效负荷计算
汽车用电设备的电量理论上可以由公式1进行估算，序号为i的车用电器的加权电流，用I加权 来表示，则：I加权=P加权/U
P加权=Piμi
式中：μi是第i个用电器所对应的使用频度系数。Pi是第i个用电器的功率。
不同工况下各用电器的功率分配见表4。
根据图3的计算结果，在夏季雨夜时，整车用电量为125.36A。因此经圆整，发电机选取应不小于140A。
4 电量平衡试验验证
电平衡试验项目一般有以下6项[5]：
1）怠速、夏季、雨夜。
2）怠速、冬季、雪夜。
3）低速（20～40km/h）、夏季、雨夜。
4）低速（20～40km/h）、冬季、雪夜。
5）高速（80～100km/h）、夏季、雨夜。
6）高速（80～100km/h）、冬季、雪夜。
试验中要记录发动机转速、汽车档位、环境温度、运行时间等参数。鉴于车辆的使用是城市运行工况，且夏季雨夜工况工作电流值比较大，所以夏季雨夜低速工况为主要试验考核项目，其它试验仅作参考。
在一款车型的电源系统设计中，采用了上述的设计验证方法，设计开发出的新产品。在通过汽车线束及整车的一系列试验后，整车供电系统未发生任何故障，起动机、发电机、蓄电池及线束均正常工作，以上可以有效验证整车电平衡设计的合理性。
5 结论
对整车而言，发电机、蓄电池以及整车用电器供电及用电是一个相互平衡的过程。本文详细描述了起动机、发电机、蓄电池等几个电平衡关键零部件的选型方法。合理设计整车电平衡性能，不但可保证车辆电源系统的安全可靠，还可指导零部件选型，有效降低发电机、蓄电池等零部件的成本，增加蓄电池等零部件寿命，降低整车油耗[6][7]，因此整车电平衡是重要的性能指标。另外，对于智能发电机系统，发电机的输出控制及能量管理策略的进一步研究以及合理的设计也会对整车节油、排放、电气系统的可靠性及经济性进行进一步的优化和提升[8]。
参考文献
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[2] 李高林，刘铁山，邹圣星，范学.整车静态电平衡测试研究[J].汽车电器，2014（8）：60-62.
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[5] 安永岭，端木琼，王子龙，汪春华，王东升.基于某款车型的整车电平衡验证测试，汽车电器，2015（7）：64-66.
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