付宏程

某輕卡整車電氣系統(tǒng)的匹配設(shè)計方法

付宏程

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230000）

文章介紹了輕卡整車電氣系統(tǒng)的一種設(shè)計方法。主要包括供電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)的校核計算以及二者之間的匹配設(shè)計，如整車用電量的計算、發(fā)電機選型、蓄電池選型、線束設(shè)計等。

用電量；發(fā)電機；蓄電池；線束

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-37-04

前言

一般來說，汽車的電氣系統(tǒng)可簡要地分為供電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)和用電設(shè)備。供電系統(tǒng)指產(chǎn)生電能的裝置的總稱，主要有發(fā)電機、蓄電池；輸電系統(tǒng)指傳輸電能的裝置，主要有線束、開關(guān)及接插件等。整車對電氣系統(tǒng)的要求主要有：車輛在各種工況下，均能可靠地、穩(wěn)定地向各用電設(shè)備供電，例如照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備等，各電氣部件必須符合汽車電氣設(shè)備基本技術(shù)條件及其專門技術(shù)條件的要求。

通常在進行汽車整車電氣系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)盡量選擇供應(yīng)商的成熟產(chǎn)品并在此基礎(chǔ)上作優(yōu)化修改，以滿足零部件設(shè)計的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化等要求，在使系統(tǒng)設(shè)計更為安全、可靠的同時，有效地控制成本，提高企業(yè)效益。

本文在對整車電氣系統(tǒng)匹配設(shè)計論述的同時，結(jié)合某輕卡整車電氣系統(tǒng)選型設(shè)計的實例來簡要說明。

1 供電系統(tǒng)的匹配

1.1 整車用電量校核

通常，汽車上配置的用電設(shè)備不會在同一時間全部都投人工作，而各種用電設(shè)備的工作與否及工作時間長短，與其使用工況以及環(huán)境息息相關(guān)。為了便于分析計算，本文引入電器設(shè)備使用頻度系數(shù)這一概念來估算整車的用電量，計算公式如下：

（注：電源電壓27V，額定電壓24V）

式中：Ieq為等效電流(A)；fn為第n個用電設(shè)備的使用頻度；Pn為第n個設(shè)備的額定功率(W)。

汽車電器設(shè)備在不同的工況和環(huán)境，有著不同的使用頻度，例如工況可分為怠速工況、城市道路工況或鄉(xiāng)間道路工況；考慮到供電設(shè)備的供電參數(shù)需保留一定的余量，一般選擇較為惡劣的、耗電量大的環(huán)境進行校核，對于輕卡而言，典型的耗電量較大的環(huán)境為夏季雨夜。

表1列出了整車電氣系統(tǒng)常用電器設(shè)備的額定功率及使用頻度，可結(jié)合公式1統(tǒng)計出整車用電量。

表1 整車用電量（夏季雨夜）

整車上一般有兩個供電設(shè)備：蓄電池和發(fā)電機。蓄電池的作用一方面是將電能輸出到起動機，并拖動發(fā)動機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)起動功能，另一方面亦可在發(fā)電機不工作或低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時向用電設(shè)備供電。發(fā)電機通過發(fā)動機的拖動而運轉(zhuǎn)，在整車正常行駛時，發(fā)電機是最主要的供電電源，供給全車除起動機外的一切電氣設(shè)備的電能，并將多余的電能向蓄電池充電，使蓄電池始終保持較好的荷電狀態(tài)。

考慮到在保證整車用電量供給的同時，也需要提高電源系統(tǒng)的經(jīng)濟性和發(fā)動機的動力性，發(fā)電機規(guī)格的選擇應(yīng)以保證汽車行駛時正常用電量和蓄電池所需要的充電量為基準(zhǔn)。在極限工況下，允許蓄電池向用電設(shè)備提供一定量的放電電流，這也是選擇發(fā)電機規(guī)格所必需的原則。因此，上述整車用電量的統(tǒng)計表格是選擇汽車發(fā)電機功率等級的主要依據(jù)。總布置方案選定了整車所匹配的動力總成后，電氣設(shè)計工程師則以此為依據(jù)來校核、匹配整車發(fā)電機型式及其輸出功率等級。例如，校核確認(rèn)所選擇的發(fā)電機外形尺寸是否滿足汽車發(fā)動機艙總布置的三維空間安裝要求，并校核其供電量是否滿足整車電氣設(shè)備的用電需求。

1.2 蓄電池的校核匹配

蓄電池作為供電系統(tǒng)的輔助電源，它供給起動機電源以使發(fā)動機起動，并在發(fā)電機不工作或低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時向用電設(shè)備供電；或者當(dāng)用電設(shè)備所需的功率超過發(fā)電機所發(fā)出的功率時，與發(fā)電機聯(lián)合向用電設(shè)備供電。

汽車用啟動型鉛酸蓄電池的性能要與汽車電氣系統(tǒng)匹配，一般需校核的參數(shù)包括冷起動電流和20h額定容量。

1.2.1 冷起動電流

冷起動電流根據(jù)發(fā)動機冷起動試驗決定的起動機功率確定，對于一般發(fā)動機起動的最低溫度為-18℃～ -25℃。則蓄電池的冷啟動電流Is應(yīng)滿足下式：

式中，Is為蓄電池冷起動電流(A)；Ps為起動機冷起動功率(W)；U為起動機額定電壓（V）。

通過查詢相關(guān)設(shè)備參數(shù)，得到如下數(shù)據(jù)：

因滿足公式2,故蓄電池冷起動電流滿足使用要求。

1.2.2 20h容量

蓄電池20h容量可根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算：

（注：比值一般可取500計算）

式中，C20h為蓄電池20h容量（Ah）；P為起動機額定功率（kW）；U起動機的額定電壓（V）。

所選蓄電池額定容量CE應(yīng)滿足：

通過查詢相關(guān)設(shè)備參數(shù)，可得到如下數(shù)據(jù)：

因CE、C20h滿足式4。故蓄電池所需20h容量滿足使用要求。

為了保證蓄電池始終處于良好荷電狀態(tài)，需要對其進行定期保養(yǎng)，例如檢查電解液面高度，增注蒸餾水等。但是在現(xiàn)階段，新型的免維護蓄電池已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，其可靠性、耐久性等各項指標(biāo)均較為優(yōu)異，一般在使用過程中不必再進行維護，省去了較多人力成本。

1.3 發(fā)電機的校核匹配

發(fā)電機發(fā)電量與其轉(zhuǎn)速有關(guān)，發(fā)電機轉(zhuǎn)速=發(fā)動機轉(zhuǎn)速×發(fā)電機與發(fā)動機傳動比。在發(fā)動機怠速時，發(fā)電機只能輸出額定電流的一部分，如果汽車電氣系統(tǒng)中的用電電流IY大于發(fā)電機供電電流IG，蓄電池就會放電。反之，如果IY小于IG，則多余的電流就會流入蓄電池，為蓄電池充電。在車輛的整個運行過程中，蓄電池的充電狀態(tài)是首先考慮的事，它對發(fā)動機停機后重新起動至關(guān)重要。因此，即使在極限的工況下，發(fā)電機的功率都必須使蓄電池保持充足電。對于輕卡系統(tǒng)，一般考慮的工況包括怠速工況和最大用電量的工況。前者用來考量發(fā)電機低速特性，后者考量發(fā)電機額定（最大）輸出電流。

此車型所匹配的發(fā)動機總成，其附帶的發(fā)電機是整體式交流發(fā)電機，基本電氣參數(shù)如下：

額定輸出電壓：28 V

常溫穩(wěn)態(tài)輸出電流：70A

發(fā)電機與發(fā)動機的傳動比：3.1

通過查詢發(fā)動機相關(guān)參數(shù)，可得知該發(fā)動機總成的怠速為800rpm，結(jié)合以上數(shù)據(jù)可計算出在發(fā)動機處于怠速狀態(tài)時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速值，此狀態(tài)下發(fā)電機的輸出參數(shù)可由發(fā)電機的輸出特性曲線求得。

對于發(fā)動機怠速工況：發(fā)動機怠速800rpm，發(fā)電機轉(zhuǎn)速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速比為3.1，故此狀態(tài)下發(fā)電機轉(zhuǎn)速約為2480 rpm，結(jié)合發(fā)電機輸出特性圖，此時發(fā)電機發(fā)電量為55A,因55A＞46.5A，余量為18%，滿足整車要求；

對于城市低速工況：發(fā)動機轉(zhuǎn)速1500rpm，對應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速4650rpm，發(fā)電量為70A，因70A＞51.3A，余量為36%，滿足整車要求；

對于整車高速運轉(zhuǎn)工況：發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于1500rpm，對應(yīng)發(fā)電機輸出電量基本達到穩(wěn)態(tài)，即發(fā)電量為70A，因70A＞51.3A，余量為36%，滿足整車要求；

下圖1是該型號的發(fā)電機輸出特性曲線圖。

圖1 發(fā)電機輸出特性曲線圖

2 輸電系統(tǒng)的匹配設(shè)計

輸電系統(tǒng)主要有線束、繼電器及接插件等。在汽車系統(tǒng)中，線束既可以傳輸電能，如向電氣設(shè)備供電；也可以傳輸各種信號，如輪速傳感器的信號通過導(dǎo)線傳輸至ABS控制器，以實現(xiàn)不同的控制策略。在整個電氣設(shè)計過程中，線束設(shè)計是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，它不僅僅關(guān)系到各電氣設(shè)備能否正常工作、實現(xiàn)預(yù)期的功能，也關(guān)系到整車的經(jīng)濟性、行車安全性等。

線束設(shè)計時選用的導(dǎo)線一方面需要滿足環(huán)境要求，如發(fā)動機附近或者排氣管附近，由于該區(qū)域溫度較高，線束必須使用耐高溫德標(biāo)線或者采用耐高溫包裹；導(dǎo)線也要滿足負(fù)載的電氣特性、具有一定的載流能力，如導(dǎo)線線徑必須適應(yīng)負(fù)載電流，并且要適應(yīng)相應(yīng)的保險絲容量；再者，導(dǎo)線設(shè)計也要考慮成本的因素，應(yīng)盡可能地優(yōu)化線束走向、長度以及分支點等，以達到成本最優(yōu)化。

2.1 原理圖繪制

根據(jù)新產(chǎn)品開發(fā)的總布置設(shè)計方案書，梳理出待開發(fā)車型（標(biāo)準(zhǔn)型配置）的電氣配置如下表2所示：

表2 整車電氣配置

整車原理圖的繪制，需要滿足整車的電氣配置和技術(shù)要求，原則上采用“對標(biāo)設(shè)計”的方法，即以某技術(shù)成熟的車型為基礎(chǔ)，結(jié)合其整車電氣原理圖，根據(jù)開發(fā)車型的特點作針對性的變動。

本文以空調(diào)系統(tǒng)為例來簡要說明整車電氣原理圖的繪制方法以及保險容量、導(dǎo)線規(guī)格的確定，見下圖2。

圖2 空調(diào)系統(tǒng)原理圖

鼓風(fēng)機繼電器的輸入端連接到整車的ON檔電源，輸出端連接到整車的常電。當(dāng)駕駛員打開鼓風(fēng)機開關(guān)，鼓風(fēng)機繼電器輸入端通電，線圈的電磁力使得繼電器內(nèi)部開關(guān)吸合導(dǎo)通，輸出端通電，電能輸出到鼓風(fēng)機使鼓風(fēng)機工作。若再打開空調(diào)開關(guān)，則鼓風(fēng)機繼電器的輸出端的電能也將輸送到空調(diào)繼電器的輸入端，使得空調(diào)繼電器吸合導(dǎo)通，一方面將電能輸出到壓縮機使其工作，另一方面將電能輸送至冷凝器繼電器的輸入端，使得該繼電器吸合導(dǎo)通，電能輸送至冷凝器使其工作。這就是整個空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯。

對比機背屏幕，你會發(fā)現(xiàn)D500上的3.2寸LCD屏幕尺寸上要比X-H1上的大一點，分辨率上比X-H1上高一倍，顯示效果非常不錯。不過X-H1上屏幕可以全方向翻轉(zhuǎn)，無論橫拍還是豎拍都可以派上用場。相比之下，D500的屏幕只能上下翻轉(zhuǎn)，在豎拍時沒有辦法使用。

2.2 線束匹配設(shè)計

線束匹配設(shè)計包括保險容量以及導(dǎo)線規(guī)格的確定。一般來說，可以先通過各用電器功率來確定保險容量，再確定導(dǎo)線規(guī)格，最后進行整合設(shè)計整車線束總成。

首先確定負(fù)載電流IL、保險容量fU，有如下經(jīng)驗公式：

其中PE為負(fù)載額定功率，UE為負(fù)載額定電壓，UB為電源電壓，fU為保險容量。

其次確定導(dǎo)線規(guī)格，包括導(dǎo)線種類與線徑，考慮到空調(diào)系統(tǒng)附近的溫度接近于環(huán)境溫度，故導(dǎo)線種類選擇AVSS日標(biāo)線（許用環(huán)境溫度為-30～+70℃）；線徑則可以根據(jù)下列AVSS導(dǎo)線許用電流的表格（表3）進行參考確定。

表3 AVSS導(dǎo)線環(huán)境溫度許用電流

以鼓風(fēng)機為例，通過查詢鼓風(fēng)機技術(shù)參數(shù)得到其額定功率為210W，額定電壓24V，電源電壓28V，因此有：

再根據(jù)供應(yīng)商提供的保險絲規(guī)格進行取整，得fU1=15A，即選用15A的保險絲。其次確定導(dǎo)線規(guī)格，參考表3內(nèi)容，鼓風(fēng)機導(dǎo)線截面積選用1.25mm2。

綜上，鼓風(fēng)機設(shè)備匹配容量為15A的保險絲，并選擇線徑1.25mm2的AVSS日標(biāo)導(dǎo)線。

同理可計算并確定冷凝器與壓縮機共用容量為30A的保險絲，且冷凝器設(shè)備選擇1.25mm2的AVSS日標(biāo)導(dǎo)線，壓縮機設(shè)備選擇線徑0.85mm2的AVSS日標(biāo)導(dǎo)線。

按照此種設(shè)計思路，可延伸設(shè)計整車其他各電氣設(shè)備的保險容量、導(dǎo)線規(guī)格，最后進行整合，即可得到整車的電氣原理。

3 小結(jié)

本文簡要介紹了輕卡整車電氣系統(tǒng)的匹配設(shè)計方法，主要涉及供電系統(tǒng)以及輸送電系統(tǒng)的匹配設(shè)計。整體思路是通過計算整車用電量來匹配電氣參數(shù)、性能均可符合整車需求的發(fā)電機、蓄電池；再通過計算各電氣設(shè)備的負(fù)載電流，來匹配容量適合的保險絲、參數(shù)適合的導(dǎo)線等。當(dāng)然，線束總成的設(shè)計還需要進行三維空間校核、線束分支長度校核、線束走向優(yōu)化等，本文暫不做詳細(xì)討論。

本文提出的輕卡電氣系統(tǒng)的設(shè)計方法，雖不能完全應(yīng)用于輕卡行業(yè)，這也是本文的不足之處，但是本文所體現(xiàn)的整車電氣系統(tǒng)的設(shè)計思路，對讀者仍有一定的參考價值。

[1] 周云山,鐘勇.汽車電子控制技術(shù).

[2] 大濱莊司.電氣控制線路應(yīng)用.

A Design Method of Electrical System in Light Truck

Fu Hongcheng
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper focuses on introducing a design method of electrical system in light truck,mainly including the calculation of power supply system and power transmission system.For instance,the power consumption of light truck, choosing of generator and battery,the design of wiring harness,etc.

power consumption; generator; battery; wiring harness

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-37-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.014

付宏程，學(xué)士學(xué)位，就職于江淮汽車集團股份有限公司輕卡。負(fù)責(zé)輕卡電氣系統(tǒng)設(shè)計。