于秩祥(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心,江蘇 徐州 221116)
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轎車應(yīng)急起動(dòng)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)
于秩祥
(江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)與職業(yè)技能管理中心,江蘇 徐州221116)
摘要:在不改變轎車原有電氣電路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)一套應(yīng)急起動(dòng)裝置,來(lái)解決轎車蓄電池電量過(guò)低或過(guò)放電后無(wú)法起動(dòng)的問(wèn)題,同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù),延長(zhǎng)車輛蓄電池使用壽命,提高車輛使用經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞:應(yīng)急電池;充電電路;制動(dòng)能量回收
轎車起動(dòng)用的電池為普通鉛酸蓄電池或鉛酸免維護(hù)蓄電池,這2種蓄電池有一定的使用壽命。電源系統(tǒng)采用12 V的蓄電池最短使用壽命在2年以內(nèi),最長(zhǎng)不超過(guò)5年,平均使用壽命為3年左右。轎車在頻繁起動(dòng)、走走停停、短距離行駛的工況下,由于蓄電池過(guò)發(fā)電,將嚴(yán)重影響蓄電池使用壽命,增加轎車使用維護(hù)成本。尤其是當(dāng)蓄電池過(guò)放電或容量過(guò)低后,將導(dǎo)致車輛無(wú)法起動(dòng)。根據(jù)上述現(xiàn)象,筆者設(shè)計(jì)一套應(yīng)急起動(dòng)裝置,來(lái)解決轎車蓄電池電量過(guò)低或過(guò)放電后無(wú)法起動(dòng)的問(wèn)題,同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù),延長(zhǎng)車輛蓄電池使用壽命,提高車輛使用經(jīng)濟(jì)性。
圖1 轎車應(yīng)急電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
在不改變轎車電氣系統(tǒng)的情況下,設(shè)計(jì)一套起動(dòng)電路和兩套充電電路,構(gòu)成轎車應(yīng)急電源系統(tǒng)。充電電路一套與轎車充電系統(tǒng)并聯(lián),另一套與轎車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)充電電路并聯(lián),兩套電路相互獨(dú)立,設(shè)有開(kāi)關(guān)連接控制電路,根據(jù)轎車使用工況特點(diǎn),兩套充電電路可交替為應(yīng)急電池進(jìn)行充電。轎車應(yīng)急電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
在設(shè)計(jì)應(yīng)急起動(dòng)電池時(shí),應(yīng)滿足起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大電流和轎車附屬電氣系統(tǒng)中用電設(shè)備電流。在起動(dòng)過(guò)程中,應(yīng)急起動(dòng)電池應(yīng)承受最大放電電流為300~ 600 A。轎車電氣系統(tǒng)用電器的最小電流應(yīng)大于20 A,所以電壓下降應(yīng)盡可能小,同時(shí)能反復(fù)起動(dòng)數(shù)次,還應(yīng)保證應(yīng)急起動(dòng)電池具有一定的容量。另外應(yīng)急起動(dòng)電池不應(yīng)占用過(guò)大空間,這樣可以不改變轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
根據(jù)上述要求,應(yīng)急起動(dòng)裝置采用一塊容量為8000~10000mA的固態(tài)聚合物鋰離子電池,最大放電電流為200~500A,電池尺寸為12cm×8cm×3cm,可安裝在轎車蓄電池旁邊,與蓄電池留有一定距離 (約50mm),應(yīng)急起動(dòng)電池與蓄電池并聯(lián),設(shè)有連接控制電路。應(yīng)急起動(dòng)電池采用固態(tài)聚合物鋰離子電池,可快速充放電,且不影響轎車充電系統(tǒng),不增加發(fā)電機(jī)負(fù)載,體積小,便于安裝。固態(tài)聚合物鋰離子電池的市場(chǎng)價(jià)格在200元左右,價(jià)格便宜,在正常充、放電情況下設(shè)計(jì)使用壽命可達(dá)1000次以上;在不存在過(guò)放電的情況下,使用時(shí)間可達(dá)10年。
2.1制動(dòng)能量利用原理
為保證應(yīng)急起動(dòng)電池得到充分的充電,有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械損失,可將轎車制動(dòng)能量回收加以利用。當(dāng)轎車制動(dòng)時(shí),轎車制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輪施加制動(dòng)力,降低車輪轉(zhuǎn)速至轎車停止。轎車制動(dòng)時(shí)有兩種情況:一是轎車完全停止;二是降低轎車行駛速度。這兩種情況都是通過(guò)制動(dòng)盤和制動(dòng)片的摩擦所致,使制動(dòng)能量白白消耗了。利用轎車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量對(duì)應(yīng)急起動(dòng)電池充電,能有效把制動(dòng)能量回收利用,又能減少制動(dòng)系統(tǒng)損耗,提高制動(dòng)效率,縮短制動(dòng)距離,增加轎車行駛安全性。
轎車主要有發(fā)動(dòng)機(jī)前置前驅(qū)和發(fā)動(dòng)機(jī)前置后驅(qū)兩種驅(qū)動(dòng)形式,將應(yīng)急起動(dòng)充電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)安裝在變速器輸出軸上,如圖2所示。充電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)安裝在制動(dòng)踏板上,當(dāng)轎車減速制動(dòng)時(shí),踩下制動(dòng)踏板,充電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)打開(kāi),制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)車輪施加制動(dòng)力,這時(shí)發(fā)電機(jī)對(duì)應(yīng)急起動(dòng)電池充電,同時(shí)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電磁阻力矩,這個(gè)阻力矩將制約變速器輸出軸的旋轉(zhuǎn),經(jīng)傳動(dòng)軸、減速器、差速器半軸,制約著車輪的旋轉(zhuǎn),發(fā)電機(jī)和制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)車輪施加雙重阻力矩,可有效提高制動(dòng)效率,縮短制動(dòng)距離,將一部分制動(dòng)能量進(jìn)行回收利用。
圖2 轎車制動(dòng)能量回收結(jié)構(gòu)圖
2.2制動(dòng)能量回收電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)
轎車制動(dòng)能量回收系統(tǒng)充電電路如圖3所示。發(fā)電機(jī)與變速器輸出軸連接,采用一個(gè)8管交流發(fā)電機(jī),內(nèi)置集成電路電壓調(diào)節(jié)器。
當(dāng)轎車應(yīng)急起動(dòng)電池需要充電時(shí),應(yīng)急起動(dòng)電源系統(tǒng)開(kāi)關(guān)接通,發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。轎車在減速行駛時(shí),踩下制動(dòng)踏板,接通制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)關(guān),發(fā)電機(jī)發(fā)電,向應(yīng)急蓄電池充電,這時(shí)充電指示燈開(kāi)啟,交流發(fā)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),通過(guò)集成電壓調(diào)節(jié)器輸出穩(wěn)定的1~2A充電電流。轎車在城市工況下行駛時(shí),走走停停,可對(duì)應(yīng)急電池形成脈沖充電,有助于修復(fù)蓄電池,恢復(fù)使用容量。
圖3 制動(dòng)能量回收充電系統(tǒng)電路圖
當(dāng)轎車應(yīng)急起動(dòng)電池過(guò)放電或容量大量降低時(shí),同時(shí)轎車短距離行駛或長(zhǎng)時(shí)間高速行駛的工況下,利用制動(dòng)能量回收系統(tǒng)對(duì)應(yīng)急電池充電可能充不滿。另設(shè)計(jì)一套充電電路為應(yīng)急電池起動(dòng)充電,保證應(yīng)急起動(dòng)電池電量充足。
轎車交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部、外部電路和應(yīng)急電池充電電路如圖4所示。采用一個(gè)8管交流發(fā)電機(jī),具有集成電路電壓調(diào)節(jié)器,該發(fā)電機(jī)有5根接線:主輸出線B、至點(diǎn)火開(kāi)關(guān)的電源線IG、蓄電池電壓檢測(cè)線S、充電指示燈線L和應(yīng)急電池充電線P。
圖4 轎車充電系統(tǒng)和應(yīng)急充電系統(tǒng)電路圖
應(yīng)急系統(tǒng)充電電路由兩套構(gòu)成,可根據(jù)轎車行駛工況和電池容量選擇性使用,兩套發(fā)電機(jī)集成電路電壓調(diào)節(jié)器提供14V、1~2A的充電電流。應(yīng)急起動(dòng)電池根據(jù)放電情況和自身容量由手動(dòng)控制充電,當(dāng)轎車長(zhǎng)時(shí)間高速行駛,應(yīng)急起動(dòng)電池電量相對(duì)較低時(shí),接通充電開(kāi)關(guān),充電電路即可對(duì)電池進(jìn)行充電,一塊容量為10000mA的固態(tài)聚合物鋰離子電池,在車輛高速行駛2~3h即可充滿,充電相對(duì)穩(wěn)定,不影響原車充電電路,電池充滿以后斷開(kāi)充電開(kāi)關(guān)。電池在不放電的情況下可以90天不用充電。
應(yīng)急起動(dòng)電池與原車蓄電池并聯(lián)連接,如圖5所示。正極連接導(dǎo)線由熔斷絲和控制開(kāi)關(guān)組成,電池負(fù)極搭鐵,應(yīng)急起動(dòng)電池尺寸小于原車蓄電池,設(shè)計(jì)尺寸為12cm×8cm×3cm,內(nèi)置電池控制電路,應(yīng)急起動(dòng)電池與轎車蓄電池應(yīng)保持在大于50 mm距離。當(dāng)轎車蓄電池過(guò)發(fā)電或容量降低時(shí),接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)無(wú)法起動(dòng)車輛,這時(shí)可接通轎車應(yīng)急起動(dòng)控制開(kāi)關(guān),應(yīng)急起動(dòng)電池代替原車蓄電池釋放電量,轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)可起動(dòng)轎車。
圖5 應(yīng)急起動(dòng)電路圖
1)本設(shè)計(jì)解決了轎車在城市工況下,短距離行駛、走走停停、頻繁起動(dòng)、蓄電池過(guò)度放電和長(zhǎng)時(shí)間使用容量降低的情況下,導(dǎo)致車輛無(wú)法起動(dòng)的問(wèn)題。
2)將轎車制動(dòng)能量回收,轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艽鎯?chǔ)起來(lái)加以利用,提高了轎車的制動(dòng)效率,降低了制動(dòng)系統(tǒng)的損耗,保證汽車行駛安全性。
3)采用兩套充電電路為應(yīng)急電池充電,根據(jù)轎車使用工況選擇性為應(yīng)急起動(dòng)電池充電,保證應(yīng)急起動(dòng)正常使用。
4)本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,不改變轎車電氣電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu),安全可靠,保證了車輛正常運(yùn)行,降低了轎車的維護(hù)成本。
5)本設(shè)計(jì)已在轎車上試驗(yàn)成功,申報(bào)國(guó)家專利已獲得授權(quán)。
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(編輯心翔)
中圖分類號(hào):U463.63
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1003-8639(2016)05-0017-03
收稿日期:2016-01-25;修回日期:2016-02-25
作者簡(jiǎn)介:于秩祥 (1983-),男,實(shí)驗(yàn)師,主要從事汽車電器、動(dòng)力系統(tǒng)性能檢測(cè)、汽車?yán)碚摵蛯?shí)踐教學(xué),工程機(jī)械車輛結(jié)構(gòu)改進(jìn)等工作。
Design of Emergency Starting Power Supply System on Car
YU Zhi-xiang
(Experimental and Occupational Skills Management Center,Jiangsu Institute of Architectural Technology,Xuzhou 221116,China)
Abstract:Based on the original electric circuit system of car,a set of emergency starting power supply system is designed,which can solve the cannot-start problem caused by low-battery or over-outflow of the car battery.The device could also protect the battery,extend its useful life and hence increase utilizing economy of cars.
Key words:emergency battery;charging circuit;breaking energy recovery