陳文儀 孫震堃 陳自能 吳俊濤 石永斌 彭樹穎

廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 福建省漳州市 363105

1 引言

隨著汽車普及率的提高，汽車在人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬絹碓街匾淖饔?。進(jìn)而使得汽車的安全性、穩(wěn)定性、舒適性顯得更加重要。汽車電瓶作為汽車關(guān)鍵的部件，其穩(wěn)定性尤其重要。目前大多數(shù)汽車的電瓶采用的是單一電瓶設(shè)計(jì)，即在汽車正常行駛的時(shí)候，通過發(fā)電機(jī)向所有用電設(shè)備供電，同時(shí)向電瓶充電。這種常規(guī)的設(shè)計(jì)存在一個(gè)技術(shù)問題，就是汽車發(fā)電機(jī)只有在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才能進(jìn)行發(fā)電，如果汽車處于怠速或者是汽車發(fā)電機(jī)發(fā)生故障不能發(fā)電的時(shí)候，又或者如果汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不在行駛狀態(tài)下，車內(nèi)電器仍然長時(shí)間工作，這些都會(huì)導(dǎo)致汽車電瓶出現(xiàn)虧電的情況，結(jié)果勢必會(huì)影響汽車的正常駕駛，例如會(huì)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火、剎車失靈、防抱死裝置失效等嚴(yán)重后果；如果這時(shí)汽車處于停止?fàn)顟B(tài)，那么汽車啟動(dòng)時(shí)就會(huì)存在發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常啟動(dòng)的問題，從而使汽車處于癱瘓狀態(tài)，這時(shí)候要想啟動(dòng)汽車，就需要通過連接另外一輛汽車的電瓶或者將汽車拖至修車廠內(nèi)維修才能解決，這樣給車輛使用人員造成了非常大的麻煩。

2 設(shè)計(jì)思路

針對(duì)以上問題，經(jīng)過研究分析，本方案設(shè)計(jì)了一款新型的汽車充電系統(tǒng)，以保證汽車在啟動(dòng)和行駛過程中有穩(wěn)定充足的電能供應(yīng)，解決了汽車出現(xiàn)電瓶虧電時(shí)的一系列問題。

具體的，本設(shè)計(jì)方案特別設(shè)計(jì)了一套新型的汽車充電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的中心就是在汽車充電回路中增加一個(gè)副電瓶，與汽車發(fā)電機(jī)充電回路的主電瓶形成主備關(guān)系，這樣當(dāng)主電瓶電量不足時(shí)，可以采用副電瓶對(duì)汽車電器供電，從而保證汽車在任何情況下都能夠正常運(yùn)行，使得汽車因?yàn)橹麟娖刻濍姸鴮?dǎo)致的一系列運(yùn)行故障迎刃而解。

為了達(dá)到這一目的，在汽車雙電瓶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提供了兩種方案，方案一：采用共用回路對(duì)主、副電瓶進(jìn)行充電，即主、副電瓶共用一套充電回路；方案二：采用獨(dú)立回路對(duì)副電瓶充電，即副電瓶采用單獨(dú)的回路充電。為了選取最優(yōu)化的方案，對(duì)以上兩種方案進(jìn)行了研究分析。

2.1 方案一：采用共用回路對(duì)主、副電瓶進(jìn)行充電

采用主電瓶原有充電回路對(duì)副電瓶進(jìn)行充電，即兩者共用一套充電回路，這一設(shè)計(jì)是目前新型汽車雙電瓶系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通用的一種充電方式，在部分重型汽車中得到了廣泛應(yīng)用。這種設(shè)計(jì)中，一般是選用一個(gè)與主電瓶容量相當(dāng)?shù)母彪娖浚c主電瓶采用并聯(lián)的形式連接在充電回路中。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，工作量小，適合于對(duì)現(xiàn)有汽車單電瓶系統(tǒng)的改造。但是由于兩組電瓶采用并聯(lián)的方式連接，存在充放電不一致的問題。在雙組電瓶并聯(lián)充電情況下，易使車輛充電系統(tǒng)負(fù)載過重，導(dǎo)致充電系統(tǒng)故障甚至損壞充電電路部件；在雙組電瓶并聯(lián)放電的情況下，會(huì)出現(xiàn)因電瓶性能的差異導(dǎo)致自放電嚴(yán)重的問題，浪費(fèi)了一部分電能，同時(shí)縮短電瓶使用壽命[1]。除此以外，由于汽車電瓶容量的設(shè)計(jì)是和汽車發(fā)電機(jī)的能力是相匹配的，通常在正常行駛速度下，汽車發(fā)電機(jī)輸出的電能基本只滿足對(duì)一只電瓶充電，因此這一方案的充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在一些嚴(yán)重的技術(shù)問題，導(dǎo)致雙電瓶系統(tǒng)穩(wěn)定性差、性價(jià)比低等問題。

2.2 方案二：采用獨(dú)立回路對(duì)副電瓶充電

為了避免共用一套充電回路出現(xiàn)的問題，方案二設(shè)計(jì)了一套副電瓶獨(dú)立的充電回路。結(jié)合汽車行駛的特點(diǎn)，這一充電回路利用新能源發(fā)電的技術(shù)，采用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)對(duì)副電瓶進(jìn)行充電。具體的，在汽車前臉位置安裝風(fēng)輪，利用汽車正常行駛過程中產(chǎn)生的風(fēng)能，結(jié)合風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，對(duì)汽車副電瓶進(jìn)行充電。由于單個(gè)風(fēng)輪產(chǎn)生的風(fēng)能比較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)汽車前臉的位置情況，對(duì)風(fēng)輪的大小、葉片的數(shù)量及形狀進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以提高汽車行駛過程中的風(fēng)能利用。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1中，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由風(fēng)輪、發(fā)電機(jī)、充電控制器以及電瓶構(gòu)成。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的選用上，根據(jù)汽車正常行駛在60km/h 的狀態(tài)下，其風(fēng)輪最大能夠達(dá)到800r/min，可選用600W 的永磁直流發(fā)電機(jī)，其額定電壓為12V；選用100Ah 的免維護(hù)蓄電池，以保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)在汽車正常行駛過程中，可以有效地對(duì)副電瓶進(jìn)行充電控制。[2]

這一方案的優(yōu)點(diǎn)在于：由于副電瓶充電回路與原來汽車主電瓶充電回路相獨(dú)立，因此解決了兩個(gè)電瓶并聯(lián)存在的充放電不一致問題；同時(shí)因?yàn)槔昧似囆旭傔^程產(chǎn)生的風(fēng)能，提高了能源利用率，起到了節(jié)能減排的作用。但是由于這一方案對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)要求增高，并且由于汽車前臉位置的限制，風(fēng)能不能很好地利用，因此存在進(jìn)一步優(yōu)化的可能性，比如增加新能源利用途徑，采用目前比較先進(jìn)的風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)，引入太陽能和風(fēng)能一起對(duì)汽車副電瓶進(jìn)行充電，可以最大限度地提高能源利用率。

為了方便駕駛員了解副電瓶的充、放電狀態(tài)及剩余電量等情況，還需要在駕駛室增加副電瓶充、這樣放電指示燈，以及剩余電量顯示裝置，可以使汽車駕駛員隨時(shí)掌握主、副電瓶的電量情況。另外為了方便駕駛?cè)藛T操作，還在駕駛室相應(yīng)的位置設(shè)置了切換開關(guān)，讓駕駛?cè)藛T可以根據(jù)主、副電瓶電量情況進(jìn)行手動(dòng)的切換。這樣就可以避免兩個(gè)電瓶同時(shí)放電時(shí)造成的性能下降，甚至因?yàn)樽苑烹妼?dǎo)致?lián)p壞電瓶的問題出現(xiàn)，同時(shí)手動(dòng)切換開關(guān)增強(qiáng)了駕駛員的可操作性，可以方便快捷地控制汽車雙電瓶充電回路。

圖1 汽車雙電瓶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 采用風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的汽車雙電瓶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電路工作原理

以利用風(fēng)力發(fā)電對(duì)副電瓶單獨(dú)充電為例，本方案設(shè)計(jì)了兩套獨(dú)立的充電回路，一路是主電瓶的原充電回路，采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，即汽車發(fā)電機(jī)靠與之相連接的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，然后對(duì)主電瓶進(jìn)行充電；另一路是在汽車前進(jìn)氣格柵位置設(shè)置風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將汽車行駛過程中產(chǎn)生的風(fēng)能通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能，然后通過充電控制器對(duì)副電瓶進(jìn)行充電，電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

由于本設(shè)計(jì)中兩套電池充電系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，可以有效地保障主、副電瓶各自的充電效果，使得當(dāng)主電瓶虧電的時(shí)候，汽車駕駛?cè)藛T可以通過切換開關(guān)，用副電瓶存儲(chǔ)的電能代替主電瓶承擔(dān)整車電器設(shè)備的用電需求，從而達(dá)到互為備用、在線切換的優(yōu)良效果。

4 效果

通過上述設(shè)計(jì)，在汽車原有充電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用雙電瓶控制系統(tǒng)，能夠最大限度地利用汽車行駛時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)能作為汽車輔助能源，起到充分利用能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的作用；同時(shí)在汽車主電瓶電量不足時(shí)，尤其當(dāng)汽車主電瓶虧電時(shí)，能夠使汽車正常運(yùn)行，避免了常見的汽車搭電救援的情況出現(xiàn)，真正起到備用的重要作用。

作為本設(shè)計(jì)的改進(jìn)方案，可以從新能源的獲取途徑及控制電路兩方面進(jìn)行。如采用“風(fēng)光互補(bǔ)”系統(tǒng)，把風(fēng)能和太陽能結(jié)合在一起，作為副電瓶充電電源的來源；另外在電路設(shè)計(jì)中，可以引入自動(dòng)切換裝置代替本系統(tǒng)的人工切換開關(guān)，達(dá)到監(jiān)控主電瓶電量不足時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換到副電瓶供電的目的，這就需要對(duì)雙電瓶控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

鑒于該項(xiàng)設(shè)計(jì)方案具有一定的先進(jìn)性及推廣價(jià)值，目前項(xiàng)目小組已對(duì)該項(xiàng)設(shè)計(jì)方案申請(qǐng)專利保護(hù)，并已經(jīng)由國家專利局受理。