一种车辆低压系统发电设备及蓄电池的选型方法与流程

1.本发明涉及一种车辆低压系统发电设备及蓄电池的选型方法，属于车辆低压配电技术领域，尤其涉及一种车辆低压蓄电池的选型方法，及发电机或dc/dc的选型方法。


背景技术：

2.低压蓄电池的作用是在车辆启动前，为车辆低压系统供电；以及在车辆启动后，存储发电量大于用电量时发电机发出的额外电量，和极端负荷情况下(例如冬季雨夜山路，水暖系统、中冷风扇、灯光、雨刷及限滑、坡道缓速等安全设备全部投入工作，再加上影音娱乐系统，导致低压负荷较大)，发电量低于用电量时，低压蓄电池对低压母线进行电流的补充。车辆低压蓄电池常采用铅酸蓄电池，馈电会给铅酸蓄电池带来不可逆转的损害，严重降低蓄电池的使用寿命，为了避免在整车的实际使用中低压蓄电池的耗尽，需要按照车辆在极端工况下可能产生的最大用电电流来进行低压供电装置(发电装置)的匹配，以保证在车辆启动后发电装置的电量总能满足车辆低压负载的需要，尽可能的不使用低压蓄电池为低压系统进行补电。
3.这样的设计理念保护了低压蓄电池，防止低压蓄电池长时间在可能的极端情况下行车所导致的蓄电池馈电，但会使车辆低压发电装置(如燃油车的发电机或新能源车的dc/dc等)的选型偏大，虽然能满足任何极端情况下的整车低压电耗，但毕竟极端负荷情况占比极少，而发电设备长期工作在极低的负荷水平下，额外产生的电流会对低压蓄电池造成过充，同样会造成铅酸蓄电池的寿命减少，报废的蓄电池会严重污染自然环境；同时功率过大的发电设备装配在车辆上，而车辆又极少工作在大负荷的极端工况下，导致车辆的成本变高以及能耗增加，存在着极大的浪费。
4.同样的，低压蓄电池选型偏大会导致蓄电池长期无法满充，不利于电池寿命，造成环境污染和整车成本升高。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种车辆低压系统发电设备及蓄电池的选型方法，用以解决车辆低压蓄电池及发电设备选型偏大的问题。
6.为实现上述目的，本发明的方案包括：
7.本发明的一种车辆低压系统设备选型方法的技术方案，统计车辆行驶中极限工况下的最大低压用电量；根据车辆实际使用情况设置蓄电池用于补足车辆极限工况下最大低压用电量的电量比例，根据车辆实际使用情况设置蓄电池补足车辆极限工况下最大低压用电量的设定时间；
8.将最大低压用电量减去所述电量比例与蓄电池容量的乘积，得到车辆极限工况下发电设备的发电量，将车辆极限工况下发电设备的发电量作为发电设备的最大发电量，根据发电设备的最大发电量和所述蓄电池容量进行相匹配的发电设备和蓄电池的选型。
9.本发明的车辆低压系统设备选型方法，考虑到当车辆极限工况出现时，蓄电池可
以用不大于设定比例的电量，补足设定时间段内，发电设备的发电量与整车用电量之间的缺口。如此，则能够降低车辆低压系统设备的规格和容量，无需发电设备满足车辆任意工况下的用电需求。通过本发明的方法，可以快速选择出发电功率更低的发电设备和容量匹配的蓄电池，同时能够保证车辆即使在极端工况下的低压用电需求，降低整车成本。
10.本发明方法中所提到的电量，其实质是功率，是单位为安时的电池容量与时间的比值。可以理解为采用根据本发明的方法选型得到的低压系统的车辆在极限工况下，降低了规格的发电设备无法提供足够的功率，无法满足极限工况下所有低压用电设备的电流需要，此时采用蓄电池的一定容量来有效平抑车辆极端工况下的电流缺口，避免给整车电平衡带来的冲击。
11.进一步的，车辆行驶中极限工况下的最大低压用电量通过如下方式获得：首先统计出使用低压用电设备功率最大的若干种环境工况；将各种环境工况进行排列组合，得到低压系统耗电量最大的若干种极限工况。
12.根据不同环境工况下所涉及到的车辆上功耗较大的低压用电设备，找出耗电量较大的若干种行车环境工况，例如使用车辆的季节、白天黑夜、天气状况等。然后通过排列组合，找到低压用电设备功率最大的一种或多种工况，然后通过模拟出这些工况，通过实车实验的方式，能够快速准确的找到低压用电设备功率最大的极限工况。
13.进一步的，所述车辆实际使用情况包括，预估的车辆行驶中极限工况的占比。
14.根据车辆极限工况在全部工况的占比，设置蓄电池平抑低压系统电流电量或电量占比以及用于补足电量缺口的时间，能够一定程度保证选型得到低压系统设备，满足车辆包括极限工况在内的各种工况下的低压用电需求。
15.进一步的，用于发电设备和蓄电池选型的匹配关系为：
16.is·
t＝iu·
t-c
·
θ
17.其中，is为车辆极限工况下发电设备的发电量，iu为最大低压用电量，c为蓄电池容量，t为所述设定时间，θ为所述电量比例。
18.本发明的一种车辆发电设备的选型方法的技术方案，统计车辆行驶中极限工况下的最大低压用电量；根据车辆实际使用情况设置蓄电池用于补足车辆极限工况下最大低压用电量的设定容量，根据车辆实际使用情况设置蓄电池补足车辆极限工况下最大低压用电量的设定时间；
19.将最大低压用电量减去所述设定容量，得到车辆极限工况下发电设备的发电量，将车辆极限工况下发电设备的发电量作为发电设备的最大发电量，根据发电设备的最大发电量进行发电设备的选型。
20.本发明的发电设备的选型方法能够快速准确的基于蓄电池的规格，找到能够满足车辆极限工况用电需求的发电设备。
21.进一步的，车辆行驶中极限工况下的最大低压用电量通过如下方式获得：首先统计出使用低压用电设备功率最大的若干种环境工况；将各种环境工况进行排列组合，得到低压系统耗电量最大的若干种极限工况。
22.进一步的，所述车辆实际使用情况包括，预估的车辆行驶中极限工况的占比。
23.进一步的，用于发电设备选型的匹配关系为：
24.is·
t＝iu·
t-c
设
25.其中，is为车辆极限工况下发电设备的发电量，iu为最大低压用电量，c
设
为所述设定容量，t为所述设定时间。
26.本发明的一种车辆蓄电池的选型方法的技术方案，统计车辆行驶中极限工况下的最大低压用电量；根据车辆实际使用情况设置蓄电池用于补足车辆极限工况下最大低压用电量的电量比例，根据车辆实际使用情况设置蓄电池补足车辆极限工况下最大低压用电量的设定时间；
27.将最大低压用电量减去发电设备的最大发电量，再除以所述电量比例得到蓄电池容量，根据蓄电池容量进行蓄电池的选型。
28.本发明的蓄电池的选型方法能够快速准确的基于发电设备的规格，找到能够满足车辆极限工况用电需求的蓄电池。
29.进一步的，车辆行驶中极限工况下的最大低压用电量通过如下方式获得：首先统计出使用低压用电设备功率最大的若干种环境工况；将各种环境工况进行排列组合，得到低压系统耗电量最大的若干种极限工况。
30.进一步的，所述车辆实际使用情况包括，预估的车辆行驶中极限工况的占比。
31.进一步的，用于蓄电池选型的匹配关系为：
32.im·
t＝iu·
t-c
·
θ
33.其中，im为所述发电设备的最大发电量，iu为最大低压用电量，c
设
为所述设定容量，t为所述设定时间。
附图说明
34.图1是现有技术中车辆低压系统原理示意图；
35.图2是车辆低压系统设备选型方法流程示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
37.车辆低压系统设备选型方法实施例：
38.典型的车辆低压系统如图1所示，包括低压母线，挂载在低压母线上的车辆各部分负载，图1中显示3个负载仅作为接线原理的示意，并非限定车辆上有3个负载。还包括发电设备和低压蓄电池，发电设备与低压母线相连，用于向负载提供低压电流；蓄电池挂接在低压母线上，用于储能和平衡低压母线上的电流。
39.本发明的方法所针对的车辆，可以为具有类似图1所示低压系统的任意类型车辆，例如柴油车辆、汽油车辆、甲醇车辆、天然气车辆、混合动力车辆、纯电动车辆、氢燃料车辆；车辆类型具体可以分为内燃机车辆和电驱动车辆，对于内燃机车辆来说，发电设备一般为由内燃机直接驱动的发电机，对于电驱动车辆，发电装置一般为连接于动力电池或燃料电池和低压母线之间的降压电路，例如dc/dc。
40.商用车上低压负载更大，例如客车相比乘用车，车内空调系统、灯光、乘客影音娱乐系统都容量更大且数量更多，因此本实施例以客车为例，对本发明的车辆进行说明，本领域技术人员应当明了，除了低压系统中的发电设备、用电设备有数量、类型和容量的区别外，其他方面并无实质区别，方案在应用于商用车或乘用车从原理上是相通的，本实施例中
在具体某种类型的车辆上应用的描述不应当成为对本发明保护的限制。
41.内燃机客车上低压大功率用电设备通常包括：水暖设备、空调设备、雨刮器、车内外灯具、电涡流缓速器、电子冷却风扇、电子路牌、影音娱乐设备等；新能源客车上低压大功率用电设备通常包括：水暖设备、空调设备、雨刮器、车内外灯具、冷却风扇、电子水泵、电子路牌、影音娱乐设备等。
42.本发明的车辆低压系统设备选型方法如图2所示，包括如下步骤：
43.1、找出车辆低压用电的高耗电工况。
44.针对一种具体的客车车型，首先根据该车辆上低压用电设备的功率，尤其是大功率用电设备，列举需要分析的整车低压用电功率较大的环境工况。
45.从季节上包括冬季和夏季，原因在于，冬季需要整车水暖设备长时间工作，即使热量来自于动力电池或内燃机的余热，但水暖系统中驱动介质循环的水泵，及乘客舱换热器风扇由低压带动且须持续工作，将热量送入乘客舱；而夏天需要空调设备长时间制冷，虽然压缩机不论内燃机车辆还是电驱动车辆，一般都不需要低压系统驱动，但乘客舱蒸发器风扇、中冷器风扇等仍需高负荷转动，导致低压系统耗电大。
46.考虑到夜间对灯光要求较高，乘客舱可能还需要额外的照明，因此夜晚会增加低压系统耗电。
47.对于天气来说，雨天需要额外配合雨刷和灯光，雪天需要额外的取暖，因此雨雪天会增加低压系统耗电。
48.在行驶路况上包括城市和山区，城市道路路口众多，车速处于慢速区间，对于内燃机车辆来说，发电机效率很低。而山区路况下，车辆在山路上长下坡导致缓速器长时间工作，内燃机车辆上通常使用的电涡流缓速器带来较大低压负荷。此外山路频繁上下陡坡，导致车辆功耗高，需要散热或电池冷却系统大功率运转；同时山路路况下频繁转向，转向助力泵或电子转向的助力电机功耗较高。
49.最后还有堵车路况，堵车路况下，车辆长时间停车，对于内燃机车辆来说发动机长时间工作在怠速工况，转速极低，导致发电量低，给低压系统带来较大压力。
50.2、结合车辆低压系统分析，根据找出的车辆高耗电工况的排列组合，获得车辆的极限工况。
51.极限工况即为车辆实际运行中低压系统可能出现的耗电最大的工况。
52.根据分析和实际测试，得到内燃机客车的极限工况为夏天夜晚雨天山区未堵车，冬天夜晚雨天山区未堵车，夏天夜晚雨天城市堵车，冬天夜晚雨天城市堵车；
53.新能源客车的极限工况为夏天夜晚雨天，冬天夜晚雨(雪)天。
54.3、根据车辆的极限工况，得到车辆所需发电设备规格和蓄电池容量规格之间的关系。
55.从上述车辆极限工况可以看出，车辆极限工况占车辆所有工况的比例很小。本发明的车辆低压系统设备选型方法，考虑到车辆极限工况的占比，当车辆极限工况出现时，蓄电池可以用不大于设定比例的电量，补足设定时间段内，发电设备的发电量与整车用电量之间的缺口。如此，则能够降低车辆低压系统设备的规格和容量，无需发电设备满足车辆任意工况下的用电需求，在选型时，可以选择发电容量更低的发电设备和容量匹配的蓄电池，同时能够保证车辆即使在极端工况下的低压用电需求。
56.这其中，设定比例的电量和设定的时间段长度，可以根据车辆极限工况的预测占比决定。例如车辆极限工况占比相对较大，则将设定的时间段长度减少，也就是降低蓄电池弥补发电不足的时间长度；同时可以减少设定比例的电量，也就是降低蓄电池为弥补发电不足所付出的容量；此外，设定比例的电量还可以根据蓄电池的充电效率也就是最大充电电流来决定，例如可以耐受更大充电电流时，即极端工况结束时充电更快，就增加设定比例的电量，即在极端情况下蓄电池多付出来补足发电量和用电量的缺口，能够更进一步降低发电设备的选型规格。
57.车辆极限预测占比可以根据车辆销售地、客车运营方式等分析计算。例如，根据某地区的夏季时长、冬季时长，或者当地日平均气温在30摄氏度以上的平均天数和低于10摄氏度以下的平均天数，结合每日或每周的车辆运营频次，即可得到车辆夏季和冬季的运营时长；结合车辆的运营时间，即可得到车辆的白天工作时长和夜晚工作时长；结合车辆的运营路线，即可得到车辆的城市运行时长和山区运行时长；结合当地年均降水天数，得到车辆的雨(雪)天运行时长。据此推断出车辆例如全年夏天夜晚雨天山区等极限工况的运行时长，再结合车辆全年总运行时长，得到车辆极限工况占比。
58.作为其他实施方式，还可以采集不同地区的客车运行数据，或者车辆运营方现有客车的运行数据进行统计得到车辆极限工况占比。
59.具体地，本实施例中，以20％作为设定比例的电量、2个小时作为设定的时间段长度为例，发电设备和蓄电池之间选型的匹配关系的具体计算公式如下：
[0060][0061]
其中，i
sn
，n＝1,2,3
…
，为对应极限工况(n为极限工况的序号)下所需发电设备的发电量，单位为a；i
un
，n＝1,2,3
…
，为对应极限工况下所需用电设备的用电量，单位为a；c为该车所配铅酸蓄电池的容量，单位为ah；sn，n＝1,2,3
…
，为不同极限工况下所需发电设备的规格大小。
[0062]
蓄电池的容量通常采用安时(ah)作为单位，表示在一定电流下的放电时间。因此，本实施例中与蓄电池相关的物理量，例如发电量、用电量和设定比例的电量，是单位为安时的物理量与时间的比值，可以用电流单位安(a)表示，其本质为功率。因为车辆低压系统的电压等级是一定的，为12伏或24伏，因此功率可以用电流来表示。
[0063]
不同极限工况下所需用电设备的用电量i
un
通过模拟出对应的极限工况，并进行实际行车，同时采集车辆低压实际耗电量得到。低压实际耗电量可以采集统计不同用电器件
在对应极限工况下的实际耗电，并求和得到；或者采集低压母线电压和电流，然后在对应极限工况过程中积分得到。极限工况下，各低压用电设备，例如水泵、风扇、车灯等不一定工作在额定状态下，因此通过统计出对应极限工况下参与工作的低压用电设备，再根据其铭牌查询其参数进行极限工况用电设备的用电量i
un
的计算，结果并不准确。
[0064]
不同工况下得到的发电设备的规格sn并不相同，原因在于，对于内燃机车，发电机发电量与发动机带动发电机转动的转速有关，不同工况下发动机负载不同、车速不同、挡位不同，导致发动机带动发动机的转速也不同；对于新能源车辆来说，不同工况下动力电池的输出不同，高压母线上的电压会发生变化，作为新能源车辆低压系统“发电机”的dc/dc来说，高压侧电压不同，则低压侧的输出也不同。
[0065]
其中，如采用内燃机系统时发电设备的规格sn与其发电量i
sn
的关系可以通过发电机厂家提供的发电机特性曲线或参数表获得。
[0066]
如采用新能源系统时发电设备的规格sn与其发电量i
sn
的关系可以通过dc/dc厂家提供的参数获得。
[0067]
s为最终评估出的所需发电设备的规格，c为最终评估出的所需蓄电池的容量。其实质为找出各种极限工况下，低压用电设备用电量i
un
的最大值，也即车辆使用过程中可能出现的低压用电设备用电量的最大值，找出在用电量最大值时，蓄电池可以用不大于20％的电量，补足两个小时内，发电设备的发电量与整车用电量之间缺口的条件下，低压系统中发电设备和蓄电池之间的关系。
[0068]
由此，得到低压系统中发电设备和蓄电池用于选型的匹配关系：
[0069][0070]
其中，i
umax
为低压用电设备用电量i
un
的最大值；i
smax
为用电量最大值时对应的，发电设备的最大发电量；c为电池容量。根据发电设备的固定参数，查出i
smax
作为最大发电量时的发电设备规格，得到发电设备规格与电池容量之间的对应关系。
[0071]
或者，用电量i
un
最大时的极限工况下，内燃机车辆发动机转速(或者说发电机转速)或新能源车辆高压母线电压(或者说dc/dc高压侧电压)变化过程中，满足整个极限工况中不同时刻发电设备发电量的积分结果大于等于i
smax
时的发电设备的规格，是与容量为c的蓄电池相匹配的发电设备。
[0072]
其中，某时刻发动机转速(发电机转速)与发电机发电量的对应关系为发电机固定参数，可从发电机厂家获得；某时刻高压母线电压(dc/dc高压侧电压)与dc/dc发电量的对应关系为dc/dc设备的固定参数，可从发电机厂家获得。
[0073]
本发明的车辆低压系统设备选型方法得到的车辆低压系统，这种车辆在行驶过程中若出现长时间非预期的低压系统耗电量达到或超过选型时的极限工况，则可能导致蓄电池耗尽损坏，同时拉低低压母线电压，造成低压用电设备工作异常，可能出现行车中的安全隐患。因此本发明的方法选型得到的低压系统用于车辆后，该车辆在运行中需配合如下控制逻辑：
[0074]
当检测到车辆低压耗电，高于选型时的极限工况达到设定值，或者高于选型时的极限工况超过设定时间，或者高于选型时的极限工况达到设定值并达到设定时间时，认为车辆低压系统出现异常，应当报故障提醒司机停车检查或返厂维修。
[0075]
同时在正常行驶过程中对车辆低压电源进行持续的电量监测，当作为低压电源的蓄电池电量低于一个设定阈值时，应当告警提示司机关闭或主动关闭非必要低压用电器(例如影音娱乐设施，车内阅读灯光等娱乐设施；或者进一步的水暖、空调等舒适性设施)，降低低压用电量，防止蓄电池亏电降低使用寿命。
[0076]
本发明的选型方法，考虑采用蓄电池的一定容量来有效平抑车辆极端工况下所需的额外电流给整车电平衡带来的冲击的思路，降低低压供电装置所需的功率，并具体提供了一种如何实现这种思路的低压系统设备的选型方法，能够容易快速的匹配出实现这种思路的蓄电池和发电设备，有助于减少车辆成本，提升能量利用效率。
[0077]
车辆发电设备选型方法实施例：
[0078]
本发明的车辆发电设备选型方法实施例，与车辆低压系统设备选型方法实施例的区别仅在于，本实施例中车辆低压系统蓄电池规格是已知或已经确定的，因此蓄电池容量在内的相关蓄电池参数是已知的。然后根据车辆低压系统设备选型方法实施例的过程步骤，获得低压系统中发电设备和蓄电池之间的关系，然后根据蓄电池的容量，确定发电设备的规格。
[0079]
车辆低压系统设备选型方法的过程步骤已经在车辆低压系统设备选型方法实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。
[0080]
车辆蓄电池选型方法实施例：
[0081]
本发明的蓄电池选型方法实施例，与车辆低压系统设备选型方法实施例的区别仅在于，本实施例中车辆低压系统发电设备规格是已知或已经确定的，因此不同工况下发电设备最大功率(最大输出电流)在内的相关发电设备参数是已知的。然后根据车辆低压系统设备选型方法实施例的过程步骤，获得低压系统中发电设备和蓄电池之间的关系，然后根据对应工况(发电设备功率最大的工况)下发电设备最大功率，确定蓄电池的容量。
[0082]
车辆低压系统设备选型方法的过程步骤已经在车辆低压系统设备选型方法实施例中介绍的足够清楚，此处不再赘述。