謝耀華

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

一款輕型卡車的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝耀華

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章論述了汽車電器在整車中的重要性。并詳細(xì)介紹了電氣系統(tǒng)中幾個(gè)重要參數(shù)的計(jì)算方法。

蓄電池；發(fā)電機(jī)；保險(xiǎn)；導(dǎo)線

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-23-04

1、緒言

1.1 汽車電源匹配在整車中的重要性

眾所周知，隨著汽車電子行業(yè)的迅速發(fā)展和人們對(duì)汽車電子所帶來(lái)的人性化和舒適性的要求越來(lái)越高。汽車電子行業(yè)正處在一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，汽車電子產(chǎn)品在汽車零部件中所占比例逐步增加。這樣就要求電氣件在各個(gè)工況下能夠正常工作，而電源的正確分配起到一個(gè)至關(guān)重要的作用，關(guān)系到整車安全性，尤其發(fā)動(dòng)機(jī)ECU模塊、ABS模塊和安全氣囊模塊能否正常工作更是重中之重。

1.2 本論文的目的

對(duì)目前正在研發(fā)的輕型卡車進(jìn)行電氣系統(tǒng)主要部件的匹配計(jì)算，在車輛正常使用及各電器件正常工作的基礎(chǔ)上，對(duì)其用電要求、功能和穩(wěn)定性進(jìn)行理論計(jì)算和校核，主要涉及到電源分配中以下幾個(gè)部分的計(jì)算：蓄電池容量、發(fā)電機(jī)發(fā)電量、電氣回路和導(dǎo)線規(guī)格。

2、蓄電池容量的計(jì)算

2.1 蓄電池功能

蓄電池與交流發(fā)電機(jī)并聯(lián)，同屬于汽車的電源系，是一種可以儲(chǔ)存和釋放電能的化學(xué)裝置。它儲(chǔ)存發(fā)電機(jī)的所發(fā)出的電能，并在車輛需要時(shí)釋放出來(lái)，如：發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)為起動(dòng)機(jī)供電、發(fā)動(dòng)機(jī)不工作或轉(zhuǎn)速低時(shí)為用電器供電、以及負(fù)載用電量大于發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能時(shí)與發(fā)電機(jī)一起給整車用電器供電。最重要的功能是向起動(dòng)機(jī)提供瞬時(shí)大電流，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況都能可靠的起動(dòng)。

2.2 蓄電池主要參數(shù)的確定

汽車蓄電池的選擇主要是蓄電池容量的計(jì)算及確定。蓄電池容量標(biāo)志著蓄電池對(duì)外供電的能力。一個(gè)完全充足電的蓄電池，在允許的放電范圍內(nèi)所輸出的電量稱為蓄電池的容量。

其標(biāo)稱容量一般指20h放電率額定容量。它是指充足電的蓄電池在電解液溫度為25℃時(shí)，以20h的放電率放電至單格電壓降到1.75V時(shí)所輸出的電量。

蓄電池容量根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：C——蓄電池20h額定容量，單位：Ah；

P——起動(dòng)機(jī)額定功率，單位：kW；

U——起動(dòng)機(jī)額定電壓，單位：V。

對(duì)于大功率起動(dòng)機(jī)，計(jì)算蓄電池容量時(shí)可選擇較小參數(shù)，則江淮自產(chǎn)輕型客車HFC6591KH的蓄電池容量為：

另，該車起動(dòng)機(jī)在-25℃時(shí)的起動(dòng)電流為297A，由GB/T 5008.2《起動(dòng)用鉛酸蓄電池產(chǎn)品品種和規(guī)格》查表得出，90Ah的蓄電池冷起動(dòng)電流為315A，滿足起動(dòng)要求。且該輕型客車所配HFC4DA1-2B2發(fā)動(dòng)機(jī)及起動(dòng)機(jī)均與瑞風(fēng)柴油版一致。目前已批量生產(chǎn)，且未發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)反饋的質(zhì)量問(wèn)題，使用效果良好。因此，該輕型客車也沿用90Ah的蓄電池。

3、發(fā)電機(jī)選擇

3.1 發(fā)電機(jī)功能

發(fā)電機(jī)是汽車電源系統(tǒng)的主電源，在汽車正常運(yùn)行時(shí)，它除向起動(dòng)機(jī)之外的全部用設(shè)備供電外，還可以為蓄電池充電?，F(xiàn)代汽車上所用的發(fā)電機(jī)多為三相交流發(fā)電機(jī)，主要由三相同步交流發(fā)電機(jī)和硅二極管組成，其中硅二極管起到交流變直流的整流作用。另外，汽車負(fù)載均為直流負(fù)載且需要在一定的電壓范圍下進(jìn)行工作，因此，要求發(fā)電機(jī)無(wú)論負(fù)載有多少，要盡量在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)保持輸出電壓恒定。

3.2 發(fā)電機(jī)選擇

發(fā)電機(jī)起著向整車用電設(shè)備提供電源的作用，因此它必須要滿足提供所有用電設(shè)備同時(shí)工作時(shí)所需要的電能。一般可按兩種工況進(jìn)行計(jì)算：怠速工況、全負(fù)荷工況。下面是一款輕型卡車的用電設(shè)備的功率（W）：

表1 某輕型卡車長(zhǎng)期工作電器功率一覽表

表2 某輕型卡車間斷工作電器功率一覽表

根據(jù)用電器功率對(duì)兩種工況的用電量進(jìn)行計(jì)算：

1）怠速工況

現(xiàn)在以用電量最大的怠速工況——夏季雨夜為例進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)工作的用電器有：雨刮、音響系統(tǒng)（CD機(jī)、揚(yáng)聲器）、儀表、前位燈、后位燈、牌照燈、前頂燈、前霧燈、后霧燈和空調(diào)系統(tǒng)（壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)扇、散熱風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)）。其用電總量為：

70+140+10+10+12+20+112+42+42+228+120+216=1022W

所需電流為：

4、全負(fù)荷工況

以夏季雨夜車輛正常行駛作為全負(fù)荷用電工況為例進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)工作用電器有：雨刮、音響系統(tǒng)（CD機(jī)、揚(yáng)聲器）、儀表、前位燈、后位燈、牌照燈、遠(yuǎn)光燈、近光燈、前霧燈、后霧燈、空調(diào)系統(tǒng)（壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)扇、散熱風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、后鼓風(fēng)機(jī)）。其用電總量為：

70+140+10+10+12+120+110+112+42+42+228+120+216+ 120=1352W

所需電流為：

I=P/U=1352/12=112.7A

圖1 發(fā)電機(jī)輸出特性曲線

發(fā)電機(jī)選擇的原則是在車輛工作的任何工況下均能夠滿足整車電器的用電要求，也就是說(shuō)，要保證發(fā)電機(jī)發(fā)電電流IG≥用電器用電電流IV，否則會(huì)導(dǎo)致蓄電池放電用來(lái)滿足用電器工作需求，時(shí)間久了就會(huì)造成蓄電池過(guò)度放電，從而導(dǎo)致車輛無(wú)法起動(dòng)，給顧客帶來(lái)極大的不方便。

根據(jù)兩種工況的用電量計(jì)算數(shù)據(jù)，結(jié)合發(fā)電機(jī)外特性曲線進(jìn)行理論校核：

1）怠速工況時(shí)用電電流為85.2A。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為1000rpm，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000*2.35=2350轉(zhuǎn)。對(duì)照特性曲線可知此時(shí)發(fā)電量約為87A，大于85.2A，可滿足該工況用電需求。

2）全負(fù)荷工況時(shí)的用電電流為 112.7A。此時(shí)車輛為正常行駛狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工作范圍是1850rpm～3000rpm，則，發(fā)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為：（1850～3000）*2.35=4348rpm～7050rpm，對(duì)照發(fā)電機(jī)外特性曲線，此時(shí)的發(fā)電量為110A～116A。基本可滿足整車用電需求。

根據(jù)以上計(jì)算可得，該發(fā)電機(jī)可滿足任何工況的車輛用電需求。

5、保險(xiǎn)絲容量計(jì)算

保險(xiǎn)絲容量的計(jì)算要分連續(xù)負(fù)荷和間斷負(fù)荷兩種情況。連續(xù)負(fù)荷是指在特定條件下進(jìn)行連續(xù)通電的負(fù)載，如空調(diào)、音響及夜間行駛時(shí)的近光燈、遠(yuǎn)光燈、位置燈等；間斷負(fù)荷是指動(dòng)作時(shí)間短或斷斷續(xù)續(xù)通電的負(fù)載，如電喇叭、門鎖、轉(zhuǎn)向燈等。對(duì)于間斷負(fù)荷很少單獨(dú)配保險(xiǎn)絲。另外，選取保險(xiǎn)絲大小時(shí)，通常以計(jì)算值按 5A、10A、15A、20A、30A取整選用。

（1）對(duì)于連續(xù)負(fù)荷的保險(xiǎn)絲有以下經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

式中：

IFUSE——保險(xiǎn)絲允許通過(guò)電流，單位：A；

ILOAD——負(fù)載通過(guò)電流，單位：A；

a——保險(xiǎn)絲負(fù)載率，一般取70%。

由以上公式，將表一HFC6591KH輕型客車的長(zhǎng)期工作負(fù)載功率代入公式可得不同用電器的保險(xiǎn)絲容量：

遠(yuǎn)光燈：IFUSE=ILOAD/a=120/12/0.7=14.29A，取整為15A；

近光燈：IFUSE=ILOAD/a=110/12/0.7=13.10A，取整為15A；

霧燈（前、后）：IFUSE=ILOAD/a=（112+42）/12/0.7=18.33A，取整為20A；

頂燈（閱讀燈、中頂燈、后頂燈）：IFUSE=ILOAD/a=30/12/0.7= 3.57A，取整為10A；

左小燈：IFUSE=ILOAD/a=（5+5+6）/12/0.7=1.9A，取整為10A；

右小燈：IFUSE=ILOAD/a=（5+5+6）/12/0.7=1.9A，取整為10A；

前雨刮和噴水器：IFUSE=ILOAD/a=（70/12+3.0）/0.7= 12.62A，取整為15A；

音響系統(tǒng)：IFUSE=ILOAD/a=140/12/0.7=16.7A=20A；

（2）對(duì)于間斷負(fù)荷的保險(xiǎn)絲有以下經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

式中：

IFUSE——保險(xiǎn)絲允許通過(guò)電流，單位：A；

ILOAD——負(fù)載通過(guò)電流，單位：A；

a——保險(xiǎn)絲負(fù)載率，一般取90%。

由以上公式，將表二HFC6591KH輕型客車的間斷工作負(fù)載功率代入公式可得不同用電器的保險(xiǎn)絲容量：

電喇叭：IFUSE=ILOAD/a=2*4/0.9=8.89A，取整為10A；

點(diǎn)煙器：IFUSE=ILOAD/a=10/0.9=11.11A，取整為15A；

玻璃升降器：IFUSE=ILOAD/a=120*2/12/0.9=22.22A，取整為30A；

報(bào)警燈：IFUSE=ILOAD/a=（21*2+5*2+21*2）/12/0.9=8.70A，取整為10A；

轉(zhuǎn)向燈和倒車燈：IFUSE=ILOAD/a=（21*2+5+21*2）/12/0.9= 8.24A，取整為10A；

油水分離加熱器：IFUSE=ILOAD/a=260/12/0.5=24.07A，取整為25A。

6、導(dǎo)線線徑計(jì)算

導(dǎo)線線徑是用導(dǎo)線標(biāo)稱截面面積表示的，不同于導(dǎo)線實(shí)際截面積，也不同于幾根導(dǎo)線實(shí)際截面積之和。在確定導(dǎo)線截面面積時(shí)要考慮電壓降和導(dǎo)線發(fā)熱。

導(dǎo)線線徑的選擇應(yīng)按照加載后產(chǎn)生的電流進(jìn)行選擇。這就要求在小的電壓降和輕的線束質(zhì)量之間作出最佳選擇。國(guó)外一些廠家經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)總結(jié)出了各種電路的電壓損失，在線束設(shè)計(jì)時(shí)作為確定導(dǎo)線截面積的參考和依據(jù)。表3給出了典型電路允許的最大電壓損失的相關(guān)參數(shù)。

表3 典型電路允許最大電壓損失

如果系統(tǒng)使用24V電源，則上表數(shù)據(jù)增大一倍。

用電設(shè)備的電流強(qiáng)度為：

那么導(dǎo)線的截面積為：

式中：

I——電流，單位：A；

P——用電設(shè)備功率，單位：W；

U——系統(tǒng)提供的電壓，單位：V；

Ud——允許最大電壓降損失，單位：V；

ρ——電阻率（銅導(dǎo)線電阻率為 0.0185），單位：Ω·mm2/m；

L——導(dǎo)線長(zhǎng)度，單位：m；

A——導(dǎo)線截面積，單位：mm2。

計(jì)算所得的導(dǎo)線截面積A根據(jù)導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的標(biāo)稱截面積取整，另外考慮到導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度，計(jì)算截面積小于0.5mm2的導(dǎo)線全部按0.5mm2確定。

根據(jù)公式及表一、表二用電器功率和表三中電路電壓允許最大損失，對(duì)整車電路各回路的導(dǎo)線線徑進(jìn)行計(jì)算如下：

（1）照明系統(tǒng)

遠(yuǎn)光燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（60/12）?0.0185?3/0.3=0.93 mm2，取整為1.25；

近光燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（55/12）?0.0185?3/0.3=0.85 mm2，取整為1.25；

前霧燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（56/12）?0.0185?3/0.3=0.86 mm2，取整為1.25；

后霧燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?10/0.3=1.08 mm2，取整為1.25；

前位燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（5/12）?0.0185?3/0.1=0.23 mm2，取整為0.50；

后位燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（5/12）?0.0185?10/0.1=0.77 mm2，取整為0.85；

前轉(zhuǎn)向燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?3/0.3 =0.32mm2，取整為0.50；

后轉(zhuǎn)向燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?10/0.3 =1.08mm2，取整為1.25；

側(cè)轉(zhuǎn)向燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（5/12）?0.0185?3/0.1= 0.23mm2，取整為0.50；

牌照燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（6/12）?0.0185?10/0.1=0.93 mm2，取整為1.25；

制動(dòng)燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?10/0.3=1.08 mm2，取整為1.25；

倒車燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?10/0.3=1.08 mm2，取整為1.25；

閱讀燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（10/12）?0.0185?4/0.1=0.62 mm2，取整為0.85；

中頂燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（10/12）?0.0185?5/0.1=0.77 mm2，取整為0.85；

后頂燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（10/12）?0.0185?6/0.1=0.93 mm2，取整為1.25。

（2）電機(jī)

起動(dòng)機(jī)主電纜：A=（P/U）?ρL/Ud =200?0.0185?1.5/0.5= 11.1mm2，取整為16.0；

發(fā)電機(jī)B+：A=IρL/Ud =110?0.0185?3/0.5=12.21mm2，取整為16.0；

噴水電機(jī)：A=IρL/Ud =3?0.0185?4/0.5=0.44mm2，取整為0.50；

車窗電機(jī)：A=IρL/Ud =120/12?0.0185?3/0.5=1.11mm2，取整為1.25；

雨刮電機(jī)：A=（P/U）?ρL/Ud =（70/12）?0.0185?3/0.5=0.65mm2，取整為0.85。

（3）其他

油水分離加熱器：A=IρL/Ud =（260/12）?0.0185?2/0.5=1.60mm2，取整為2.0；

點(diǎn)煙器：A=IρL/Ud =10?0.0185?2/0.5=0.74mm2，取整為0.85；

喇叭：A=IρL/Ud =4?0.0185?3.5/0.5=0.51mm2，取整為0.85；

CD機(jī)電源：A=（P/U）ρL/Ud =（140/12）?0.0185?2/0.5= 0.86mm2，取整為1.25；

CD機(jī)控制：A=（P/U）ρL/Ud =（40/12）?0.0185?2/0.5= 0.25mm2，取整為0.50；

前揚(yáng)聲器：A=（P/U）?ρL/Ud =（25/12）?0.0185?3/0.5= 0.23mm2，取整為0.50；

后揚(yáng)聲器：A=（P/U）?ρL/Ud =（25/12）?0.0185?7/0.5= 0.54mm2，取整為0.85。

線束的設(shè)計(jì)，根據(jù)用電器的額定功率，計(jì)算流經(jīng)線束的電流，然后根據(jù)導(dǎo)線的電流選擇保險(xiǎn)的規(guī)格和導(dǎo)線截面。需要明確的一點(diǎn)是：保險(xiǎn)絲的作用是用來(lái)保護(hù)線束的，防止導(dǎo)線因長(zhǎng)時(shí)間工作導(dǎo)致熱集聚而引起線束過(guò)熱燃燒。其發(fā)熱公式為：

式中：

Q——發(fā)熱量，單位：W；

I——通過(guò)導(dǎo)線電流，單位：A；

R——導(dǎo)線電阻，單位：Ω；

T——通電時(shí)間，單位：s。

而R=ρL/S

式中：

R——導(dǎo)線電阻，單位：Ω；

ρ——導(dǎo)線電阻率；

L——導(dǎo)線長(zhǎng)度，單位：米；

S——導(dǎo)線截面積，單位：mm2。

由以上公式可以得出，導(dǎo)線的發(fā)熱量Q與導(dǎo)線的長(zhǎng)度L成正比，與導(dǎo)線截面積成反比。因此，在同樣截面積的前提下，導(dǎo)線越長(zhǎng)，發(fā)熱量越大；導(dǎo)線越短，發(fā)熱量越小。也就是說(shuō)，一定容量的保險(xiǎn)絲保護(hù)的導(dǎo)線長(zhǎng)度與導(dǎo)線截面積成反比。

在保險(xiǎn)絲容量選定后，與所保護(hù)導(dǎo)線一般有以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：

表4 導(dǎo)線與保險(xiǎn)之間的匹配關(guān)系

一般在進(jìn)行線徑的理論計(jì)算后，還需對(duì)照表四進(jìn)行保險(xiǎn)與導(dǎo)線的校核。針對(duì)輕型卡車的導(dǎo)線進(jìn)行理論計(jì)算后，對(duì)照表四發(fā)現(xiàn)可滿足保險(xiǎn)與導(dǎo)線線徑以及長(zhǎng)度的匹配關(guān)系?？蓾M足整車電器的使用要求。

7、結(jié)論

本論文通過(guò)對(duì)整車用電器的功率等重要參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并結(jié)合車輛在使用過(guò)程中各電器的使用情況進(jìn)行計(jì)算，確定了蓄電池、發(fā)電機(jī)等重要零部件的規(guī)格型號(hào)。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，所選蓄電池、發(fā)電機(jī)能夠滿足整車電氣的設(shè)計(jì)需要，所選保險(xiǎn)絲及導(dǎo)線線徑規(guī)格能夠滿足各用電器的用電負(fù)荷要求。

[1] 朱積年.汽車電子設(shè)備.北京人民交通出版社.2001.

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Power supply system design of a light truck

Xie Yaohua
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper firstly presents the importance of the electronic system design in the car industry, describes the function, composition and classification of the electronic system.

battery; alternator; fuse; wiring harness

U462.1

A

1671-7988 (2017)06-23-04

謝耀華（1983-），男，助理工程師。就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司輕型車研究所，主要從事汽車電氣系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.008