整車電源分配系統(tǒng)設(shè)計研究

邱 偉，吁 苗

Qiu Wei，Yu Miao

（李爾中國技術(shù)中心，上海 201201）

0 概述

電氣原理設(shè)計通俗的講就是用符號將整車電氣系統(tǒng)合理地連接起來,以此清楚地反映出電氣系統(tǒng)各部件的連接關(guān)系以及電路的工作原理,對迅速分析排除電氣設(shè)備的故障非常有利。然而，在整車電氣原理的設(shè)計里面，尤其以整車電源分配設(shè)計最為重要，文中將重點闡述這部分。

1 整車電源分配系統(tǒng)設(shè)計

在進(jìn)行整車電氣系統(tǒng)設(shè)計之前，需要對整車電氣系統(tǒng)的系統(tǒng)控制圖進(jìn)行分析。理解各電器系統(tǒng)的工作原理及控制邏輯關(guān)系是電路設(shè)計的前提，必須在理解整車電器工作原理的基礎(chǔ)上對整車的電源進(jìn)行合理分配。

1.1 電源類型劃分和負(fù)載分配

根據(jù)點火開關(guān)的檔位，我們通常會將電源分成以下幾種類型：

（1）B+，即我們通常說的常電，是直接從蓄電池正極取的電。這部分的電源所接負(fù)載一般都是在點火鑰匙從點火開關(guān)拔下后還需要工作的負(fù)載，如一些ECU及儀表的記憶電，危險警告燈的電源，具有Follow Me Home（伴我回家）功能的前照燈的電源，防盜控制器的電源等。

（2）ACC，通常為點火開關(guān)的第二個檔位（第一個為OFF/Lock），我們稱之為附件檔。這一檔位我們實際上是不想讓其負(fù)擔(dān)太多負(fù)載的，因為當(dāng)點火鑰匙撥到這個檔位的時候，發(fā)動機(jī)還沒有運轉(zhuǎn)，此時從ACC取電的負(fù)載，實際上還是在消耗蓄電池的電量，因為發(fā)電機(jī)還沒有參與發(fā)電。通常使用ACC電作為工作電源或信號電源的設(shè)備，常見的有儀表、收放機(jī)、電動后視鏡、點煙器等。在ST檔位的時候，ACC是沒有電的。

（3）IG，也叫ON檔，通常為點火開關(guān)的第三檔位，我們稱之為點火檔，當(dāng)點火開關(guān)打到這個檔位的時候，全車允許大部分的設(shè)備可以工作。而這個檔位通常有IG1和IG2兩個觸點，在某些車型上IG1與IG2是相同的，即同時有電或者沒電；而有些車型，如大部分的日系車，IG1與IG2是不同的。區(qū)別在于在ST檔位的時候IG1有電，而IG2沒電。這樣設(shè)計的原因是啟動的時候需要蓄電池的電量集中供給起動機(jī)使用，所以此時希望能夠切斷一些與啟動無關(guān)而且功率較大的負(fù)載，如后風(fēng)窗玻璃加熱器，鼓風(fēng)機(jī)等，可以將這些負(fù)載連接在IG2上，或者用IG2來控制。

（4）ST檔，即啟動檔，也就是點火開關(guān)的最后一檔。它的作用是用來給起動機(jī)供電，啟動發(fā)動機(jī)。

總之，在整車電路的設(shè)計中，我們要根據(jù)負(fù)載的實際工作狀態(tài)靈活地將全車負(fù)載分配到各個檔位。

1.2 中央電氣盒的選擇

中央電氣盒是全車電源分配的總樞紐。其內(nèi)部主要是保險絲和繼電器，智能型的電氣盒內(nèi)部還包含有電子控制元器件。按照連接方式分，中央電氣盒通常分為硬線型和PCB型，兩者的區(qū)別在于前者是導(dǎo)線通過端子直接連接到電氣盒，沒有接插件，而后者是通過接插件連接到電氣盒；如果按照是否含有電子控制單元來劃分的話，又可以分為普通型與智能型。

一般情況下，在整車電路的設(shè)計中，會根據(jù)如下3點的綜合考量來選擇最適合的中央電氣盒。

（1）成本。通常PCB型比硬線型成本要高，但是這并不意味著PCB型就比硬線型有更多優(yōu)點，從電氣性能角度講，恰恰相反，硬線型有著更優(yōu)秀的表現(xiàn)，因為中央電氣盒內(nèi)部有許多保險絲繼電器，它們在工作的時候，會散發(fā)出很多熱量，而熱量的聚集會使溫度升高，從而降低了保險絲繼電器的性能。相比之下，硬線型的中央電氣盒有更多的散熱通道如端子的孔穴，并且上下貫通，這樣就大大減少熱量的聚集，使保險絲繼電器有一個更優(yōu)的工作環(huán)境。所以筆者對于國內(nèi)一些主機(jī)廠盲目追求PCB型的電氣盒持保留意見。

（2）環(huán)境及空間。通常，不同的車輛提供給電氣盒使用的空間形狀相異性是很大的。而PCB型的電器盒由于其制造工藝性，通常會設(shè)計成較為規(guī)則的長方體型或正方體型，它對空間的需求相對來說也會是一個比較規(guī)則的矩形體；而硬線型的電器盒卻沒有這方面的要求，它可以根據(jù)復(fù)雜的車身環(huán)境空間，因地制宜設(shè)計成異形，因而其適應(yīng)性也就更好。

（3）整車電氣架構(gòu)。在低端的車型中，因為電器設(shè)備較少，電氣架構(gòu)及控制邏輯較為簡單，使用普通型的電氣盒即可滿足使用要求；而在中高端的車型中，因為有著更多的電器設(shè)備，更復(fù)雜更龐大的電氣架構(gòu)和控制邏輯，這個時候就能突顯出智能型電氣盒的優(yōu)勢來，其主要體現(xiàn)在如下兩個方面：

①智能型電氣盒是將普通型的電氣盒與車身控制器（BCM）集成起來，更節(jié)省空間。在中高端車型中，由于車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電氣設(shè)備多，所以空間更為緊張，在這種情況下，智能電氣盒節(jié)省下來的空間就顯得彌足珍貴。

②智能型電氣盒可以通過CAN Bus與其他電器設(shè)備，如組合開關(guān)（具備CAN收發(fā)器的情況下）進(jìn)行通信，大大減少信號線的數(shù)量；與其他電氣盒通信，可以很大程度上縮短電源線的長度。比如，在某些歐系高端車型上，甚至有3個智能的中央電氣盒，分別布置在發(fā)動機(jī)艙、乘客艙和行李艙，通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信號，它們分別就近控制或提供電力給電器設(shè)備，可以大幅度地減少電線回路數(shù)，減輕線束重量，起到優(yōu)化設(shè)計的作用。

1.3 保險絲的選擇

前面講過，中央電氣盒中的主要工作部件就是保險絲和繼電器，而電源分配的重任，基本是靠這些大大小小、花花綠綠、類型各異的保險絲完成的。保險絲，其主要的用途在于熔斷，當(dāng)回路發(fā)生短路故障時起到保護(hù)回路不被燒毀的作用，從而避免車輛發(fā)生火災(zāi)。由此可見，保險絲的選擇就相當(dāng)關(guān)鍵。

1.3.1 保險絲類型的選擇

保險絲的種類按照不同的分類方式可以分為很多種，而且形狀各異，像美系車上常見的易熔線就是以一段導(dǎo)線的形式出現(xiàn)的保險絲。通常按照熔斷的速度亦即響應(yīng)的速度可將保險絲分為快熔型和慢熔型。一般情況下，在通過超出容量一定數(shù)量的電流時，以較短時間熔斷的保險絲稱為快熔型的保險絲，常見的Mini、ATO等保險絲就屬于快熔型保險絲的范疇；同樣，在通過超出容量一定數(shù)量的電流時，以較長時間熔斷，甚至不熔斷的保險絲稱為慢熔型的保險絲。常見的Jcase、BF1、Midi等保險絲就屬于慢熔型保險絲的范疇。但是，這種分類只是我們通常意義的分類，嚴(yán)格上講，快熔和慢熔并沒有嚴(yán)格的界限，比如像Maxi保險絲的熔斷特性就介于Mini與Jcase之間，但是會更接近于Jcase，這從保險絲供應(yīng)商提供的熔斷曲線可以看出。

那么種類如此繁多的保險絲該如何篩選呢？這就需要依據(jù)保險絲的熔斷特性來綜合考量。汽車上有很多的電器負(fù)載，通?？梢苑譃樽栊载?fù)載如鹵素?zé)艉透行载?fù)載如電機(jī)。阻性負(fù)載在工作過程中，電流相對穩(wěn)定，很少出現(xiàn)長時間的電流大幅波動，所以我們通常為這類負(fù)載選擇快熔型的保險絲，以期在回路發(fā)生短路時，保險絲盡快熔斷。但是感性負(fù)載則與此不同，它們在工作過程中，會出現(xiàn)較長時間的超出額定電流1倍甚至數(shù)倍的電流，如鼓風(fēng)電機(jī)在啟動的時候，或者玻璃升降器電機(jī)在受阻或發(fā)生堵轉(zhuǎn)的時候，這個時候慢熔型保險絲的熔斷特性恰好滿足這類感性負(fù)載的工作要求。但是這只是一個比較概括性的原則，在實際設(shè)計中，要靈活運用，并且還需要結(jié)合保險絲的容量來考慮，因為快熔型的通常容量都較小，而慢熔型的有較大容量。

1.3.2 保險絲容量大小的選擇

在初步定好保險絲的類型后，就要具體選擇保險絲的容量了。簡單的講，保險絲的容量是根據(jù)負(fù)載的功率來定的，同時要結(jié)合保險絲的類型、中央電氣盒的位置（高溫區(qū)還是一般溫區(qū)）和類型（硬線型還是PCB型）來給予一定的安全裕量，這個安全裕量主要是考慮溫度對保險絲的影響，因為環(huán)境溫度的升高，會導(dǎo)致保險絲實際能夠承載的電流下降。一般可以根據(jù)如下公式進(jìn)行折減計算：

式中：

If為保險絲的理想值；In為正常工作的電流值；R R為溫度折減系數(shù)。

溫度折減系數(shù)從55%～90%不等，主要是根據(jù)保險絲的類型（快熔還是慢熔）、中央電氣盒的位置（高溫區(qū)還是一般溫度區(qū)）、中央電氣盒的類型（PCB型還是普通硬線型）有關(guān)。如轎車近光燈（1只），通常功率為55W，額定電流為4.58A，若中央電氣盒在發(fā)動機(jī)艙且為PCB型，可知溫度折減系數(shù)為70%，根據(jù)公式（1）可知，保險絲的理想值If=4.58/70%=6.54A。一般情況下，會選擇比計算值大一個量級的保險絲，即10A的Mini保險絲即可。

1.4 導(dǎo)線的選取原則

1.4.1 導(dǎo)線線型的選擇

一般而言，我們會將車輛上的空間根據(jù)工作溫度的不同而將其劃為幾個溫區(qū)，如排氣管附近溫度最高，發(fā)動機(jī)本體上次之，發(fā)動機(jī)艙內(nèi)再次之，最后是乘客艙。具體的溫度范圍主機(jī)廠在設(shè)計要求中會給出。導(dǎo)線線型的選取，主要是根據(jù)溫度來為不同的溫區(qū)選擇不同溫度等級的線型。當(dāng)然，在這之前是要根據(jù)主機(jī)廠的要求先定好使用何種國別標(biāo)準(zhǔn)的線種，如日標(biāo)線、法標(biāo)線、德標(biāo)線、美標(biāo)線等。每一種國別標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)線其按照溫度的分類不盡相同，但是基本大同小異，導(dǎo)線的供應(yīng)商會提供一份詳細(xì)的各種線種線型所適用的溫度范圍，根據(jù)其參數(shù)選擇即可，但是需要強(qiáng)調(diào)的是，并非選擇完畢后就萬事大吉了，后期，我們有的時候還是需要根據(jù)線束系統(tǒng)驗證的結(jié)果而進(jìn)行調(diào)整。

1.4.2 導(dǎo)線線徑的選擇

在線型選好以后，就要開始為每一根回路選擇線徑了。一般情況下根據(jù)導(dǎo)線所傳輸?shù)膬?nèi)容的不同，將導(dǎo)線分為：電源線、接地線和信號線。顧名思義，電源線，其作用主要就是給負(fù)載供電；而接地線，又稱搭鐵線，其作用主要是負(fù)責(zé)給負(fù)載提供電流回流到蓄電池負(fù)極的通路；至于信號線，其作用就是在不同的模塊/器件之間傳輸信號。

（1）電源線

很多做線束設(shè)計的人也不是特別清楚，是應(yīng)該先選擇保險絲還是先選擇線徑。所以再次強(qiáng)調(diào)一下，應(yīng)該是先選擇保險絲，再選擇線徑。因為保險絲是用來保護(hù)導(dǎo)線的。前面已經(jīng)敘述了，保險絲的類型容量是由負(fù)載決定的，而電源線的線徑則必須去匹配保險絲的容量，如果線徑選小了，則可能會出現(xiàn)在短路的時候，電線熔毀而保險絲不熔斷，這樣就無法發(fā)揮保險絲的作用；如果線徑選大了就是一種成本的浪費。具體的線徑與保險絲的匹配關(guān)系，是通過大量試驗得到的，如0.35/0.5的導(dǎo)線匹配10A的保險絲等。

那么，導(dǎo)線和保險絲的匹配是怎樣的一種關(guān)系呢，下面我們來詳細(xì)說明：

導(dǎo)線與保險絲的匹配主要是體現(xiàn)在短路的時候。當(dāng)短路發(fā)生時，保險絲和導(dǎo)線同時通以同樣大小的電流，這個電流比正常工作電流大很多倍，比如溫度等級為80℃的0.5的導(dǎo)線，在環(huán)境溫度為40℃時的極限工作電流為10多A，但是在短路的時候可以達(dá)到100多A（短路電流，主要取決于電線的長度），這時，因為導(dǎo)線和保險絲都有電阻，雖然很小，但在短路電流通過的時候會在瞬間發(fā)出大量的熱，當(dāng)熱量達(dá)到一定的時候，保險絲就會因溫度的上升而熔斷，導(dǎo)線就會因為芯線的溫度的上升而導(dǎo)致絕緣層熔毀，如果這時保險絲先熔斷，而此時導(dǎo)線絕緣層是完好的，我們就認(rèn)為導(dǎo)線和保險絲是匹配的；如果導(dǎo)線的絕緣層已經(jīng)開始熔毀但保險絲卻沒有熔斷，那么我們就認(rèn)為導(dǎo)線和保險絲是不匹配的。而且這時存在發(fā)生火災(zāi)的風(fēng)險。

在實際設(shè)計當(dāng)中，設(shè)計者如何用比較直觀的方式來判斷呢。這時就需要借助溫度電流衰減曲線圖了。在整個工作溫度范圍內(nèi)的任意溫度下，導(dǎo)線的允許電流值如果都高于保險絲的允許電流值，我們就可以認(rèn)為所選擇的保險絲和導(dǎo)線是匹配的。如圖1是0.5的PVC導(dǎo)線與10A的Mini保險絲的溫度電流衰減曲線圖。

從圖中可以看出，-40℃～80℃的范圍中，0.5的PVC導(dǎo)線的電流衰減曲線在都是在10A的Mini保險絲的上面的，我們認(rèn)為它們之間是匹配的。同時需要注意的是，如果導(dǎo)線的溫度等級更高，我們也可以適當(dāng)?shù)亟档途€徑。然而，在實際的設(shè)計中，不可完全照搬這個匹配關(guān)系，還要根據(jù)負(fù)載的類型、電源線的長度、所經(jīng)過的溫區(qū)、是否通過活動部件來綜合考慮，設(shè)計完畢后需要通過短路實驗來驗證導(dǎo)線和保險絲是否匹配。

（2）接地線

接地線線徑的選擇與電源線有所不同。電源線是根據(jù)保險絲容量來選取的，而接地線則可以根據(jù)負(fù)載直接選擇，這是由接地線的主要作用決定的。所以在整車電路的設(shè)計中常?？梢钥吹皆谪?fù)載的兩端，電源線和接地線的線徑并不一致。例如前霧燈，我們給兩個前霧燈共用1個15A的保險絲，所以其電源線需選擇法標(biāo)的0.75或者日標(biāo)的0.85，或者更大一級的線徑來匹配15A的保險絲，但是其接地線卻可以根據(jù)負(fù)載的大小直接選擇0.5，就是這一原因。如果將接地線使用與電源線一樣大的線徑，反而是一種浪費，有違綠色設(shè)計的理念。

（3）信號線

信號線線徑通常0.3/0.35或者0.5即可，而且很多時候模塊的供應(yīng)商已經(jīng)將信號線的線徑定義出來。因信號線的線徑選擇比較簡單，在此，我們不做贅述。

最后需要強(qiáng)調(diào)的是，對于電源線和接地線除了遵循上面的原則外，我們還必須考慮一些其它的對線徑會產(chǎn)生影響的因素，如客戶的規(guī)范，溫度的影響，還有電壓降的要求等。

1.5 保險絲的共用與非共用

在中央電氣盒能夠容納下足夠的保險絲的情況下，第一選擇是不共用保險絲，以降低一條回路發(fā)生短路致使共用保險絲熔斷而造成別的負(fù)載無法工作的風(fēng)險，同時也能降低檢修的難度。這在美國車（非國內(nèi)合資的美系車）上比較常見。但這是需要付出空間和成本的代價的，因為保險絲數(shù)量的增加，勢必會要求更多的空間和成本；而共用保險絲的好處是降低了成本，但是增大了電路的復(fù)雜度，對車輛的后期檢修帶來一定的難度。另外，共用保險絲也會增加導(dǎo)線上的電壓降，使加在設(shè)備上的實際工作電壓降低，增大設(shè)備無法正常工作的風(fēng)險。所以，綜合各種因素考慮，下面介紹一些保險絲的整合原則。

（1）安全件最好使用獨立保險絲

除了國標(biāo)中定義的一些跟安全性相關(guān)的零部件外，有些主機(jī)廠還會定義自己的安全件，如小燈（也叫位置燈、示廓燈等）、近光燈等。通常，我們會為這些負(fù)載使用1個獨立的保險絲，如為每個近光燈使用1個10A的保險絲。但是在有些情況下，因為中央電氣盒中的保險絲位置有限，還是需要將一些小負(fù)載的安全件共用保險絲，如將全車的小燈分別掛在2個保險絲下，但是最好是左右分開，或者交叉共用，這樣能保證即使1個保險絲熔毀，車前和車后還分別有1個小燈能繼續(xù)工作，以降低因共用而帶來的風(fēng)險。

（2）安全件、非安全件不可共用保險絲

為了防止因非安全件回路短路而導(dǎo)致保險絲熔斷，造成安全件不可工作的不良后果。比如遠(yuǎn)光燈與發(fā)動機(jī)控制器不可共用保險絲，理由是不能因遠(yuǎn)光燈回路發(fā)生短路而讓發(fā)動機(jī)控制器無法正常工作，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)停車。

（3）功率不大的非安全件可以共用保險絲

在實際設(shè)計當(dāng)中非常常見，如我們將2個遠(yuǎn)光燈共用1個15A的保險絲；還有就是一些取電用作信號的非安全件，如收放機(jī)ACC電與電動天窗的ACC電可以共用1個保險絲。

（4）不同時工作的負(fù)載可以共用保險絲

車輛上的有些設(shè)備是不會同時工作的，在這樣的情況下，就可以共用保險絲，以提高保險絲的利用率。如門鎖電機(jī)及行李箱解鎖電機(jī)，它們同時工作的幾率非常小，所以我們可以給它們共用1個保險絲。

2 結(jié)束語

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，電子零件在車上所占的比重越來越大，隨之帶來車上的電氣負(fù)載也越來越大。國內(nèi)的汽車電氣設(shè)計還處于剛剛起步階段，相對于國外大的汽車電氣供應(yīng)商來講，還有非常大的差距。隨著國人對汽車的需求和認(rèn)知水平不斷地提高，汽車的電氣安全性能已經(jīng)作為一項決定汽車品質(zhì)的重要內(nèi)容越來越引起汽車產(chǎn)品制造商的關(guān)注。如何建立一套完整的汽車電源分配系統(tǒng)計算方法和過程已成為所有汽車制造商的一項共同課題。

［1］和龍，智海峰，等.柴油機(jī)電控系統(tǒng)線束設(shè)計與防護(hù)研究［J］.現(xiàn)代車用動力，2010.

［2］冒曉建，李金印.電控柴油機(jī)線束設(shè)計［J］.汽車技術(shù)，2006.

［3］孫玉德，湯曼如，等.汽車標(biāo)準(zhǔn)匯編［M］.中國汽車技術(shù)研究中心標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2004.

［4］張華.汽車線束及線束零件介紹［J］.汽車電器，2009（2）.

［5］張震華，楊三軍.淺談汽車線束搭鐵線設(shè)計［J］.汽車電器，2010（1）.

［6］張衛(wèi)紅．運用技術(shù)分析降低線束成本［J］.汽車電器，2007（5）.