～清晰版整车开发中的汽车电量平衡的设计与验证邓恒Word格式.doc
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而耗电系统是指所有的用电器，按使用情况可分为连续用电器（如喷油器，冷却风扇），长时间用电器（如收音机，导航系统），短时间用电器（如电动天窗与喇叭）。
而不同的汽车状态（如启动和行驶），气候（如夏季或是冬季或雨天），路况（如高速公路或市效），一天中时段（白天还是夜间，不同的汽车使用习惯，都会造成不同的用电器的使用组合，造成不同的用电器用电需求。
而不同的气候和路况同样会造成不同的供电系统的系统供给性能。
为使全部系统在任何的气候和路况下都可靠工作并且具有一定的抗突发性能力，我们必须考查耗电与供充电系统的相互制约关系，交流发电机的输出，蓄电池的容量，启动机的电能需求以及其它电器负载，都必须尽量合理地相互得当匹配。
一、供电系统供电原理：
1．发电机。
（ALTENARTOR）
1.1非线性函数性：
如下图1为日本某电机厂家交流发电机电流性能曲线表，我们取25℃热稳定态曲线图。
在怠速发动机转速N1时（假定怠速汽车发动机转速为750REV/MIN,皮带无滑差率，轮速比（pulleyratio）为2.66）对应图上输出电流为IN1=49安培，IN2=110安培，电流是随转速变大的，但是定子有一定的阻抗Z,
Z=√r2+X2L ，，L=2πfL
（其中r为绕组的电阻，XL为感抗。
f为电动势频率L为电感）
由于随着转速的变大，XL变大，导致阻抗变大和发电机的电枢反应，使内部压降增大，所以电流只可能随转速增加到某一限值而不在增加。
图1
上述49培是怠速NI的输出，仅为额定电流（取6000rev/min为额定值计算）的60%。
如果负载消耗的电流大于此时交流发电机提供的电流Ig,则蓄电池放电会增加来补偿电器负载的需要。
这一特性反应在整车试制领域中就体现了电平衡在不同工况（比如上海上下班车流高峰和浦东机场高速公路），不同终端用户使用习惯（比如年轻人喜欢快节奏，而有人喜欢中速）下的输出性能差异。
1.2.温度变化性：
100℃时的输出特性曲线在高速运转区小于25℃。
由于发电机内在结构，及其电磁的特性决定了其在高温时输出变小的特征。
这一情况反应在整车试制领域就体现为电量平衡的季节性差异化。
2．蓄电池。
（BATTERY）
2.1．温度性能变化性：
蓄电池放电在是通过电解液与极板之间的化学反应完成的，例如铅酸蓄电池，是通过正极板＋４价铅置换成＋２价铅，负极铅单质迁移到正极变成＋２价，整个过程在极板和电解液间进行。
而随着温度降低电解液的粘稠度变大，从使蓄电池的内阻变大，同时导致低温时电化学反应十分缓慢，从而影响蓄电池的性能，此性能特性正好和发电机相反，发电机是降温时电性能上升。
这一情况反应在电量平衡就是冬季低温试验。
3．起动马达。
（STARTOR）
图2
3.1.瞬间电流非常态性：
此为博士起动电机转矩（touque）电流图，由于起始时要克服发动机的静态摩擦力，此转矩与发动机的气缸数，压缩比，冲程，气缸直径，曲轴及活塞等活动件的质量等等有关。
所以此转矩要求很高，瞬间电流很大，一般民用轿车笔者经验值在300～800安培之间（汽车成功启动后电耗一般小于100安培）。
此情况反应在电量平衡上就是蓄电池的起动性能要能满足汽车的要求。
3.2.低温高要求性：
由于低温导致发动机的机油粘稠度上升，故起动电流变大。
此种情况就需要电平衡试验考虑专门在低温时试验。
二、汽车电系统（PROTOTYPE）设计思路：
1.满足低温启动的整车性能：
在设计汽车之初必需设计/假定出与启动系统对应参数群。
此点是设计汽车电系统的第一步。
具体参数包括，车辆拟销售的国家及区域冬季温度图谱B，发动机的在此温度图谱下各温度点对应的最低对应启动转速C，能够在B的条件下提供C转速的启动机E,些启动机的最大启动电流D。
根据D来的瞬间需求来选择蓄电池的瞬间能力A1，来考查决定使用哪一定供应商蓄电池。
流程如下：
B
和 设计EE推出DD设计蓄电池 蓄电池A1
C
2.CAD空间装配设计：
由于一般汽车设计之初无实体样件，故只能依靠于CAD虚拟设计。
故有以下几点在设计时须要重点考虑：
2.1．电能空间极限输出设计：
空间直径的大小决定了蓄电池和发电机的输出最大极限值。
在发电机设计时，性能的最大输出由定子的外径决定，例如雷米（REMY）DR系列电机定子半径约为68mm,此电机6000转/分25℃热稳态输出很难大于120安。
如果你的引擎预留给发电机的空间半径一定的，那么其输出极限值也是一定的。
当然有的发电机厂商的电机输出密度很高，比如日本电装（DENSO）使用带状线圈（CIOL）技术来减小占用空间从而提高输出密度，但是成本相应的高很多，对于国内一些以“成本领先”为采购原则的整车企业来说可能是个负担。
所以根据发动机部给定的空间直径可以计算出最大输出极限值,根据此值来选择供应商与供应商产品系列。
2.2．发动机动态振动设计：
在整车设计中，CAD建模一般都是含有静态的相对位子关系。
很多工程师在设计之初忽略了发动机虚拟动态分折。
特别是当整个发动机体安装于白车身的托杆的材料为非刚性材料时，振动是相当的大，有的发动机最大的可达到35MM,特别是像是PASSAT这种高级轿车的发电机和固定于白车身的冷凝系统的距离（CLEARANCE）相当近的情况下，这种CAD静态数模无法反映的问题就有一定的危害性了，可能产生干涉，或是在重新设计时必须减小发电机直径，从而引影响了整个汽车的电量平衡，后果不堪设想。
做虚拟动态分析的软件很多，比如一些专门CAE分析软件，甚至可以用一些高级数模设计软件，比如在航天和汽车领域的CATIAV5的ANALYSIS模块等。
因此，在设计之初一定要除去这个动态间距，把余下的空间做为发电机输出极限空间。
2.3．安全性预留设计：
如果车辆的目标客户是欧洲，那么必须满足欧洲的一些安全标准，比如一些汽车公司设计汽车时就会考虑到欧洲一些碰撞空间预留标准，如欧洲NCAP汽车组织的五星（FIVESTAR）级碰撞标准里硬性要求的蓄电池体与引擎仓盖间距必须大于80～100MM才能合理的保证人身安全。
这种预留性设计一定要考虑到，如果一旦投产，或是重新定义客户群，此改动所引起费用相当的大，特别是空间不够时,这方面中国整车出口企业也有过类似不满足国外空间标准问题的困扰。
所以在设计之初一定要充分考虑这些标准化要求。
3．环境空间温度：
环境温度在设计过程中决定产品的选择。
例如在PASSAT1.8T涡轮增压发动机系列，发电机的环境温度比较宽松，在车体前进方向有冷却系统的风扇，在反方向有一个很大的空间，十分有利于散热。
而在很多车型中,四缸涡轮增压系列发动机设计过程中PT设计人员常常把空间设计的十分紧凑，而且在该车中发电机侧体是隔热罩，隔热罩后面是排气管，环境十分恶劣。
我们来看看在怠速实验下来的此处的温度图谱：
由于到达110℃时发动机仓冷却风扇自动运行（ECU控制），所以有温降。
综合上图温度接近110℃。
所以在选择发电机时一定要预先测定或是从PT部门得到该值. 从该值要求来选择调节器芯片，如有的芯片做耐久性实验时只能耐受到110℃，而有的可以达到125℃。
而且环境温度决定了输出，如果该车的发电机环境一直处于高温，那我们的考查侧重点就在于高温输出曲线区域。
4.蓄电池静态放电能力及售前维护间隔时间设计：
在汽车设计之初一定要考虑整车静态的放电电流,因为在汽车停车期间，虽然车体机械部件停止运行，但是电子控制模块（ECU）还在继续运行，单片机等嵌入式系统的运行还需要断续供电。
PASSAT等高级轿车都是20个模块以上。
实验情况来看，例如一般性高级轿车的静态电流可以达到0.01～0.1安培之间（视车型的具体高低配置而定）。
所以从客户的角度讲，是不希望模块（ECU）的电耗而引起汽车启动能力下降。
由于车体长时间放置而无高速公路上的充电行车机会，蓄电池很有可能因为模块的电耗而无法启动汽车，尤其在中国北方寒冷区域，例如黑龙江省与河北省（这种情况在很多中国北方汽车试验厂都遇到过无法启动）。
所以我们一定要在汽车进入市场前考虑到此静态电量平衡问题，可以通过实车实验，也可以通过理论放电量计算来获得蓄电池设计要求。
这一点同样存在于售前存量产品维护中，针对此点，我们必需根据物流部门或是产品维护人员（DEALER）的维护能力设计蓄电池的静态放电能力，比如某个汽车4S店的维护周期是平均每一个半月充电一次，那么设计之初的放电能力一定要满足要求。
5.地域性用户用车习惯的统计：
用户使用习惯常常决定着电量耗用的情况，注意这里电系统设计关心的不是用户习惯性开启用电器的数量，而是在开启用电器时的整车使用情况，比如有些用户喜欢躲在车内听歌，有些司机喜欢在堵车时开启车内电视，有些地方常常下雨而且堵车，这些情况都会导致低速或是怠速的用电量，尤其是夏天下雨天的夜晚堵车，在车内看DVD视频或音响，这是十分恶劣的一种情况，这种情况很有可能发生，比如多雨车流量大而且夏季比较长的伦敦，上海也是同样的情况。
这种使用习惯或是情况下，主要用电器有雨括，音响，视频，冷凝系统风扇，大灯，空调控制系统，像一些国产高级轿车开车默认开启的车窗加热器，几十个传感器，电力转向系统（EPAS）冬天了还会有座椅加座等等，都是在汽车怠速时开启，耗电大，而供电吃力，这样很有可能导致汽车的电量不平衡，让蓄电池始终处于馈电状态，发电机处于低供电状态，从而让汽车关闭后的再次启动时产生启动失败。
因此，一定要考虑不同地域或是目标客户地域的用车习惯，统计各种路况运行模型，这是整车电平衡系统设计中最关键一环节，如果此环节设计失败将对整车厂是一个灾难性的打击，因为无数的车辆会无法启动。
6.充电系统搭配方式设计探讨：
充电系统电量平衡设计本质就是优化充放电比例。
我们可以比较∑（I in△Tin）与∑（I out△Tout）,根据优化需要程度，对以下函数K进行赋值：
K=∑（Iin△Tin）/∑（Iout△Tout）
其中Iin，Iout分别是在△T内的蓄电池平均充放电电流。
而充放电比例与发电机与蓄电池的配比有相当大的关系。
在供电系统设计时非定量化的可以统计为两种搭配情况，第一种是大交流发电机和小蓄电池模式，第二种是小交流发电机和大蓄电池模式。
蓄电池，交流发电机，负载，温度，发动机转速以及发动机/交流发电机速比之间的相互关系确定了系统的动态响应特性，这个特性是动态的，因为它随着各个参数组合以及各组运行工况而变化。
我们把一台数据采集仪连接到轿车蓄电池的接头上，进行城市道路循环（CITYTRAFFICCYCLE）试验，可以画出动态响应特性曲线。
然后我们再来看看世界各大厂商的供电系统搭配情况，表７是关于各款世界知名汽车的典型应用情况,可以看到两个搭配方法都有应用。
沃尔沃V40-1.9TDI
福特WINDSTAR3.8I
西亚特AROSA1.7SDI
发电机A
80
130
70
蓄电池（A.H）
72
58
61
表7
从笔者从事供电系统设计的经
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