袁芬，張明，李彪，吳宏濤，李航

（中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072）

0 引言

警用液壓自動(dòng)路障車是一款可實(shí)現(xiàn)快速布障、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和威懾的特種車輛[1]，底盤電瓶作為整車功能的電源之一，對(duì)保證汽車及設(shè)備的啟動(dòng)性和可靠性有著重要的影響。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有序使用車輛設(shè)備時(shí)，底盤電瓶電量能夠滿足功能需求。當(dāng)電瓶長(zhǎng)時(shí)間使用后，多種設(shè)備同時(shí)操作時(shí)，易出現(xiàn)大功率設(shè)備無法啟動(dòng)的情況；尤其在車輛長(zhǎng)時(shí)間擱置或者車輛不在行駛狀態(tài)下，并且車內(nèi)電器設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，電瓶經(jīng)常出現(xiàn)饋電，底盤無法正常啟動(dòng)的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響車輛的正常使用。在一般的改裝車輛中，為降低對(duì)電瓶的損耗，在駐車狀態(tài)必須接入市電。但是對(duì)于警用車輛，工作時(shí)所處的環(huán)境往往無法提供市電，所以外接電源的模式無法解決該型車遇到的饋電問題。通過對(duì)電瓶饋電故障展開分析和推理，可為設(shè)計(jì)和維護(hù)人員在相關(guān)工作時(shí)提供啟示和借鑒[2]，不斷推動(dòng)改裝車輛的發(fā)展。

近幾年，有研究人員在小型車上開展雙電瓶的研究，如陳文儀等[3]設(shè)計(jì)了一款利用風(fēng)能充電的副電瓶系統(tǒng)，但是只能在車輛行駛到一定速率時(shí)才能充電，主副電瓶之間的切換需要手動(dòng)完成，增加駕駛員的工作量；王襄[4]提出通過設(shè)計(jì)一套控制器來解決手動(dòng)控制的問題，但對(duì)于在售產(chǎn)品，增加過多的電子元器件對(duì)產(chǎn)品的可靠性有嚴(yán)重的削弱作用；王玲等[5]在隔離器的設(shè)計(jì)中提出重型車設(shè)置雙電瓶的方法，內(nèi)容簡(jiǎn)單，且雙電瓶均用底盤發(fā)電機(jī)充電，雖然解決車輛啟動(dòng)的雙供電，但是沒有考慮到底盤發(fā)電機(jī)的超負(fù)載。

本研究首先對(duì)電瓶失效原因進(jìn)行分析，利用經(jīng)受市場(chǎng)考驗(yàn)的成熟產(chǎn)品展開主、副供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以達(dá)到既保證底盤車輛的實(shí)時(shí)啟動(dòng)，又兼顧車輛的可靠性的目的，為改裝車輛的供電設(shè)計(jì)提供參考。

1 原因分析

在整車的電源系統(tǒng)中，電瓶、起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和底盤電器、控制柜組成一個(gè)供、耗電系統(tǒng)。電瓶和發(fā)電機(jī)為車輛的供電系統(tǒng)，其中車輛的電瓶容量為 120 A·h，底盤發(fā)電機(jī)可以輸出 DC 28.5 V/90 A的電功率。底盤電器和控制柜所控制的負(fù)載組成了耗電系統(tǒng)，其中底盤電器主要包括底盤照明、組合燈、儀表等設(shè)備；空調(diào)、液壓泵、起伏機(jī)構(gòu)是改裝車耗電量最大的單體設(shè)備；其他負(fù)載主要指警燈警報(bào)、圖文顯示、攝錄像等設(shè)備，這些設(shè)備雖單件功耗低，但總量大，同樣是耗電的重要部分。上述設(shè)備耗電情況如表1所示。

表1 車輛主要用電設(shè)備能耗表Table 1 Energy consumption table of main electrical equipments

電瓶作為整車的供電來源之一，一方面要向起動(dòng)機(jī)提供瞬時(shí)大電流，以保證起動(dòng)機(jī)在各種條件下均能可靠地起動(dòng)[6]；另一方面，車輛起動(dòng)后，底盤發(fā)電機(jī)向電瓶充電，并支撐底盤負(fù)載的用電，當(dāng)用電設(shè)備增加，發(fā)電機(jī)輸出的電流不夠用時(shí)，電瓶參與供電[7]。電瓶除了要負(fù)擔(dān)底盤的部分負(fù)載，如車燈、駕駛室儀表等外，還要支撐控制柜的用電?？刂乒裰诬囕v完成布障、監(jiān)控、攝錄放、強(qiáng)光搜索等特殊功能所需要所有設(shè)備的用電，設(shè)備多、耗電量大，是車輛啟動(dòng)后電瓶的最大負(fù)載。當(dāng)車速達(dá)到一定狀態(tài)，底盤發(fā)電機(jī)向電瓶充電，保證電瓶的正常使用。

在車輛的使用過程中，可分為正常行駛、怠速、駐車3種工況：

1）當(dāng)車輛正常行駛時(shí)，電瓶分別向底盤電器和控制柜輸出功率，底盤電器雖處于高功耗狀態(tài)[8]，但是控制柜中的液壓泵、起伏機(jī)構(gòu)處于關(guān)閉狀態(tài)，大功率設(shè)備只有車載空調(diào)。同時(shí)底盤發(fā)電機(jī)實(shí)時(shí)向電瓶充電，并承擔(dān)部分底盤電器的載荷，整車工作電流在100 A左右，整車用電處于平衡狀態(tài)。

2）當(dāng)車輛怠速時(shí)，底盤發(fā)電機(jī)依然在給電瓶充電，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低，輸出功率減少，充電速度隨之減緩，此時(shí)底盤電器雖處于低功耗狀態(tài)，但控制柜處于高耗能狀態(tài)，液壓泵、起伏機(jī)構(gòu)、車載空調(diào)的頻繁使用導(dǎo)致耗電速度高于充電速度。按照設(shè)備的使用頻率，整車工作電流在120～200 A之間，設(shè)備啟動(dòng)一段時(shí)間后，電瓶電量因供不應(yīng)求，電壓逐步降低，將影響設(shè)備的使用，甚至出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火等嚴(yán)重后果。

3）當(dāng)車輛駐車時(shí)，所有用電設(shè)備均由電瓶負(fù)擔(dān)，電瓶只放電無充電[9]，電壓持續(xù)降低，電瓶開始饋電，輕則無法啟動(dòng)設(shè)備，重則無法啟動(dòng)底盤，為車輛的正常使用埋下隱患。理論上，當(dāng)車上負(fù)載除底盤電路外均處于工作狀態(tài)時(shí)，120 A·h的電瓶電量在38 min內(nèi)將枯竭；實(shí)際情況下，起伏機(jī)構(gòu)、動(dòng)力單元、空調(diào)根本無法同時(shí)啟動(dòng)。

綜上，車輛電瓶失效的主要原因：一是電瓶承擔(dān)功能過多，沒有車輛啟動(dòng)備份方案；二是大功率用電設(shè)備未作分流，設(shè)備啟動(dòng)瞬時(shí)電流較大，電瓶使用環(huán)境惡劣，使用壽命嚴(yán)重縮短。

2 解決方法

為保證車輛的正常使用，設(shè)計(jì)主、副兩套供電系統(tǒng)，保證車輛啟動(dòng)有備用方案，滿足警用車輛多工況的使用要求[7-8]。同時(shí)借助底盤取力系統(tǒng)，對(duì)大功率用電設(shè)備進(jìn)行分流，進(jìn)一步減輕電瓶負(fù)載。

2.1 主、副供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整車供電系統(tǒng)分為主供電系統(tǒng)與輔助供電系統(tǒng)兩部分（圖1）。主供電系統(tǒng)主要依靠底盤發(fā)電機(jī)發(fā)電，通過加裝大容量電瓶組為底盤電路和上裝控制電路供電。輔助供電系統(tǒng)是一套備用電瓶，稱之為副電瓶。當(dāng)主電瓶饋電時(shí)，副電瓶向底盤起動(dòng)機(jī)供電，保證底盤車輛的正常啟動(dòng)。啟動(dòng)后車輛正常給主電瓶充電，當(dāng)主電瓶電量達(dá)到一定電壓時(shí)，車輛自動(dòng)回到主供電系統(tǒng)。為保證副電瓶的電量，可按照車輛所處的狀態(tài)選擇車載發(fā)電機(jī)、市電、逆變器3種方式通過充電機(jī)為副電瓶充電。

圖1 整車供電系統(tǒng)Fig.1 Vehicle power supply system

2種供電方式可單獨(dú)運(yùn)行，也可同時(shí)運(yùn)行，二者可通過接觸器進(jìn)行切換。主供電系統(tǒng)工作時(shí)，輔助供電系統(tǒng)與起動(dòng)機(jī)處于斷開狀態(tài)，可通過充電機(jī)充電，保持副電瓶電量的最佳狀態(tài)；選擇輔助供電系統(tǒng)啟動(dòng)底盤后，底盤發(fā)電機(jī)工作，并開始為主電瓶充電，主電瓶繼續(xù)為底盤電路和上裝控制電路供電，為避免在啟動(dòng)過程中主電瓶和副電瓶之間并聯(lián)存在放電的問題，在兩者之間增加隔離器，阻止電流在電瓶組之間相互流動(dòng)[9]。

2.2 大功率電器分流設(shè)計(jì)

在車輛設(shè)計(jì)中，一方面，車輛功能的擴(kuò)展離不開一些大功率設(shè)備，例如車載空調(diào)是車輛舒適性的提供者，液壓泵是車輛布障系統(tǒng)的動(dòng)力來源，起伏機(jī)構(gòu)是云臺(tái)和搜索燈的載體；另一方面，操作人員經(jīng)常忽視觀察電瓶電壓，在低電壓狀態(tài)下頻繁啟動(dòng)設(shè)備，導(dǎo)致設(shè)備耗電量提高，瞬間電流增大，直接影響電瓶的正常使用。為此開展大功率設(shè)備分流設(shè)計(jì)，逐步減輕電瓶負(fù)載。

二類底盤車輛普遍擁有大功率發(fā)動(dòng)機(jī)和足夠的功率儲(chǔ)備[10]，同時(shí)為了滿足改裝需求，二類專用底盤一般會(huì)在車輛底盤基礎(chǔ)上預(yù)留取力口等接口，從而滿足車輛的特定功能[11]。充分利用取力接口，加裝取力器，通過分流設(shè)計(jì)從底盤變速箱分流儲(chǔ)備功率，滿足改裝負(fù)載的需要（圖2）。取力器與底盤變速箱取力輸出口連接，通過傳動(dòng)軸與適用于改裝車輛的齒輪箱輸入軸連接。齒輪箱根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)，其輸出軸分別與空調(diào)壓縮機(jī)泵和液壓系統(tǒng)泵連接，隨時(shí)為空調(diào)和液壓系統(tǒng)提供能量輸出，充分利用底盤的機(jī)械能代替電能，大大減輕底盤電瓶的壓力。

圖2 取力器分流設(shè)計(jì)Fig.2 Power collector shunt design

3 實(shí)車驗(yàn)證

主、副供電系統(tǒng)和大功率分流系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)一步更改優(yōu)化整車電氣系統(tǒng)，并在售出的路障車上進(jìn)行驗(yàn)證，在歷經(jīng)2 a的使用過程中，未接到電瓶因頻繁饋電需要更換的任何信息，有效解決車輛主電瓶饋電后車輛無法緊急啟動(dòng)的難題；通過取力器帶動(dòng)車載空調(diào)壓縮機(jī)泵和液壓泵的運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備動(dòng)力增強(qiáng)，耗電減少，有效減輕電瓶負(fù)載，為整車的電氣健康管理提供條件。充分證明該方法的可行性，也為后期車輛維護(hù)降低質(zhì)量成本[12]。

4 結(jié)論

1）路障車頻繁出現(xiàn)的電瓶失效為電瓶在使用過程中產(chǎn)生饋電而引起的，饋電的主要原因是電瓶承載功能過多而無備份啟動(dòng)電路、大功率用電設(shè)備未做分流。

2）采用主、副供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和利用底盤取力系統(tǒng)對(duì)大功率設(shè)備進(jìn)行分流，能夠有效改善電瓶的使用環(huán)境，保證車輛實(shí)時(shí)有效啟動(dòng)。