客車整車電量平衡計算

聶石啟

(金龍聯合汽車工業(蘇州)有限公司， 江蘇 蘇州 215026)

客車電氣系統的電量平衡，是指客車啟動型蓄電池、交流發電機和其他各種用電設備之間電量的消耗和產生的相互平衡關系。起動機與蓄電池、整車用電設備與發電機是一個電能需求和供給關聯系統[1-2]。蓄電池的主要作用是向起動機供給起動電能，發電機是客車上的主電源設備，除在正常運行狀態下保證整車用電設備(除起動機外)的用電量外，還要向蓄電池充電。所以，合理地計算蓄電池容量和發電機輸出功率，既能夠保證車輛在惡劣氣候環境和不同地區條件下可以正常運營，又能降低蓄電池消耗量和成本[3];既能延長發電機和蓄電池的壽命,又能降低發電機成本和油耗量。本文以海格牌KLQ6109T車型為例進行論述。

1 起動機的啟動功率計算

1.1 發動機的啟動條件

在起動機的啟動性能符合國家標準[4]規定的前提下，起動機的啟動轉矩必須大于發動機的阻力矩是確保發動機能夠正常啟動的必要條件[5]，其中發動機的阻力矩主要包括壓縮阻力矩、摩擦阻力矩和慣性阻力矩3項。

發動機啟動所必須的轉矩M可以用式(1)求得：

M=C×L

(1)

式中：L為發動機排量；C為比例系數，0 ℃時柴油機取70～75。

該車配置WP6.245E4發動機，此發動機的排量為6.75 L，計算出：

M=(70～75)×6.75=(472.5～506.25)N·m

1.2 發動機的啟動功率計算

起動機啟動轉速必須大于發動機能夠啟動并自行運轉的最低曲軸轉速nmin,柴油發動機一般為100～150 r/min。WP6.200E40發動機的啟動功率P按式(2)求得：

(2)

1.3 起動機功率計算

取起動機驅動齒輪與發動機飛輪齒環的傳動效率η(工程計算一般η取0.85～0.95)，則起動機功率P′可按P′=P/η計算。傳動效率η按照0.9取值，則起動機功率P′約在5.5～9 kW之間，可以選取24 V/6 kW型的起動機。

1.4 起動機傳動比選擇

計算起動機的傳動比一般以最大功率點的起動機轉速為依據，并使拖動發動機的轉速高于發動機能夠啟動成功的轉速[6]。根據起動機工作特性可知，起動機最大功率點一般在1/2最大制動電流處。鑒于柴油發動機的轉速較高，傳動比較小，因此一般選取起動機的傳動比為8～10。

2 蓄電池容量計算

蓄電池在客車上有3種工作狀態：起動狀態、車輛運行時的充放電循環狀態和車輛靜置狀態時需要消耗電量的狀態。在進行蓄電池的計算選型時，應計算蓄電池的20小時率額定容量C20和-18 ℃冷啟動電流CCA 2個參數[7]。

2.1 蓄電池的20 h率額定容量C20的估算

2.1.1 根據啟動功率估算蓄電池額定容量

在整車電器系統中，蓄電池的主要功能之一是當發動機啟動時向起動機提供大電流，故以啟動容量為依據計算選擇蓄電池。蓄電池額定容量C20按經驗公式(3)計算：

C20=C×P′/U

(3)

式中：C為配電系數，600～800；P′為起動機功率；U為電源端電壓。

經1.3節計算并選取的起動機，其參數為24 V/6 kW，通過式(3)可以計算出蓄電池額定容量C20=(600～800)×6÷24=(150～200)Ah。

2.1.2 根據靜態電流估算蓄電池容量

靜態電量消耗一般分為3部分：一是車輛靜態電流在規定停放時間T內消耗的電量；二是蓄電池自放電消耗的電量，按蓄電池自放電率為1‰/天計算；三是停車時的慣性負載消耗的電量，為確保車輛能夠正常啟動的最低電量需求，按蓄電池額定容量的75%預留計算。

蓄電池額定容量C20可按式(4)計算：

(4)

按規定，車輛停放時間T為30天，本車的靜態電流Is控制在60 mA以下，經式(4)計算得出：

結合2.1.1中的計算結果可選用蓄電池容量為200 Ah的蓄電池。

2.2 蓄電池-18 ℃冷啟動電流CCA的確定

蓄電池的冷啟動電流直接關系到起動機的啟動性能，蓄電池的冷啟動電流應大于起動機功率曲線上功率最大點對應的啟動電流，同時小于功率曲線與扭矩曲線交點對應的電流。從圖1所示的24 V/6 kW起動機輸出特性曲線可以看出，在+20 ℃時，起動機輸出最大功率6 kW對應啟動電流為750 A；功率曲線與扭矩曲線交點對應的電流為1 100 A，因此選用-18 ℃時蓄電池冷啟動電流要大于750 A，小于1 100 A。經查蓄電池容量200 Ah的參數可知，-18 ℃冷啟動電流CCA為1 000 A。

圖1 24 V/6 kW起動機輸出特性曲線

通過2.1的計算和2.2中蓄電池-18 ℃冷啟動電流CCA參數的驗證，選用容量為200 Ah的蓄電池滿足使用需求。

3 發電機功率計算

3.1 整車主要工況的用電量計算

3.1.1 整車用電量統計

為了整車電器系統的輸入與輸出總電量的動態平衡，首先要計算整車用電量[8-10]。整車用電量計算存在多種工況：怠速常用工況、怠速極限工況、綜合工況、極限工況(夏季雨夜、冬季雪夜)、超極限工況等。

為便于客車電量平衡數據庫管理，簡化計算過程，本計算方法選3種代表工況(夏季雨夜工況、綜合工況、冬季雪夜工況)進行用電量統計，結合加權系數綜合計算。

對各工況下用電設備使用頻度及等效功率按表1進行統計，其中“加權系數”是經驗值，可以根據車輛實際銷售的區域和實際運營情況進行適當調整，“額定功率”視實車配置和同規格設備匹配數量調整，對于未統計新增設備可以在表1中增加功率和適當的加權值。

表1 用電設備使用頻度及等效功率表

3.1.2 總電負荷計算公式

總電負荷If可按式(5)進行計算：

(5)

式中：j為整車用電設備的數量；Pi為第i個用電設備的額定功率；Ub為用電設備的標稱電壓；Ue為發電機輸出電壓；Ki為第i個用電設備的加權值。

3.2 發電機功率的選取

3.2.1 發電機的選用原則

在選用發電機時，不僅要考慮發電機在滿足整車電器設備用電的同時，還應有一定的余量給蓄電池充電。具體選用時應遵循以下原則：

1) 保證在常用行駛速度(一般取40 km/h)時有20小時率放電電流C20/20 A以上的充電電流。

2) 為確保蓄電池在綜合工況下能可靠地充電，使蓄電池的充放電也能達到平衡，發電機熱態最大輸出電流應不小于整車綜合工況下的最大總電流的1.2倍。

3) 極限工況時，發電機的發電量應不小于該工況下的用電量。如果發電機發電量不滿足要求，則以極限用電2 h內蓄電池容量保證75%為原則進行計算。

3.2.2 發電機選取

依據式(5)(其中Ub=24 V，Ue=28.5 V)和表1的統計結果，計算出3種工況下的總電負荷If，見表2。

表2 整車用電設備總電負荷If表 A

由上計算，初步選定輸出曲線如圖2所示的28 V/140 A發電機。

圖2 28 V/140 A發電機輸出特性曲線圖

3.2.3 選用發電機的驗證

根據交流發電機的選用原則，對選用的28 V/140 A發電機進行驗證。

1) 常用行駛速度選取40 km/h，3擋時發動機轉速約為1 400 r/min，扭矩約為806 N·m，發動機與發電機的傳動比為2.5，此時發電機的轉速為3 500 r/min。對照圖2發電機的輸出特性曲線，此時發電機的輸出電流約為135 A，大于冬季雪夜工況下的最大總電負荷121.41 A，并且差值13.59 A大于該車型匹配的蓄電池(蓄電池容量200 Ah)20小時率放電電流200 Ah/20 h=10 A，滿足要求。

2) 發電機熱態最大輸出電流應大于整車綜合工況下的最大總電流的1.2倍。綜合工況下總電負荷為102.88 A，1.2倍為102.88×1.2≈123.46 A。28 V/140 A發電機熱態最大輸出電流為143 A，大于123.46 A，滿足要求。

3) 發動機與發電機的傳動比為2.5，未開空調的發動機怠速為700 r/min，發電機轉速約為1 750 r/min。 對照圖2發電機的輸出特性曲線，此時發電機輸出電流約為100 A，小于冬季雪夜極限工況下的最大總電負荷121.41 A。根據經驗，以極限用電高峰怠速2 h、蓄電池容量確保75%為原則計算Q=I×t=(121.41-100)×2=42.82 Ah，所選取的蓄電池容量不小于42.82÷(1-75%)=171.28 Ah。該車型選用的蓄電池容量為200 Ah，可以增補28 V/140 A發電機在冬季雪夜怠速極限工況下在2 h內的用電需求。

通過以上計算驗證選用28 V/140 A發電機滿足該車型需求。

4 結束語

由于起動機、蓄電池和發電機的技術日益成熟，如電激磁行星減速兩級嚙合結構的大功率起動機已成為發動機匹配主流趨勢，兩并聯或三并聯小功率發電機整車匹配技術已成為客車發展趨勢，低內阻無集流器鉛酸蓄電池技術的進一步發展，均會對本文中提出的部分經驗參數產生影響；并且還需要根據地理區域、氣候條件、駕駛習慣等客車營運的實際狀態的差異，運用統計學、概率學等知識對表1中的加權系數不斷進行完善，使客車電器系統電量平衡計算更加優化。