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

1　應(yīng)急電源起動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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　制動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)換

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

3　原車充電電路設(shè)計(jì)

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。

4　應(yīng)急起動(dòng)電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

5　結(jié)論

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