轎車應(yīng)急起動電源系統(tǒng)設(shè)計

于秩祥（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院實驗實訓與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州　221116）

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轎車應(yīng)急起動電源系統(tǒng)設(shè)計

于秩祥
（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學院實驗實訓與職業(yè)技能管理中心，江蘇 徐州221116）

摘要：在不改變轎車原有電氣電路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套應(yīng)急起動裝置，來解決轎車蓄電池電量過低或過放電后無法起動的問題，同時對蓄電池進行保護，延長車輛蓄電池使用壽命，提高車輛使用經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急電池；充電電路；制動能量回收

轎車起動用的電池為普通鉛酸蓄電池或鉛酸免維護蓄電池，這2種蓄電池有一定的使用壽命。電源系統(tǒng)采用12 V的蓄電池最短使用壽命在2年以內(nèi)，最長不超過5年，平均使用壽命為3年左右。轎車在頻繁起動、走走停停、短距離行駛的工況下，由于蓄電池過發(fā)電，將嚴重影響蓄電池使用壽命，增加轎車使用維護成本。尤其是當蓄電池過放電或容量過低后，將導致車輛無法起動。根據(jù)上述現(xiàn)象，筆者設(shè)計一套應(yīng)急起動裝置，來解決轎車蓄電池電量過低或過放電后無法起動的問題，同時對蓄電池進行保護，延長車輛蓄電池使用壽命，提高車輛使用經(jīng)濟性。

圖1　轎車應(yīng)急電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　應(yīng)急電源起動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在不改變轎車電氣系統(tǒng)的情況下，設(shè)計一套起動電路和兩套充電電路，構(gòu)成轎車應(yīng)急電源系統(tǒng)。充電電路一套與轎車充電系統(tǒng)并聯(lián)，另一套與轎車制動能量回收系統(tǒng)充電電路并聯(lián)，兩套電路相互獨立，設(shè)有開關(guān)連接控制電路，根據(jù)轎車使用工況特點，兩套充電電路可交替為應(yīng)急電池進行充電。轎車應(yīng)急電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在設(shè)計應(yīng)急起動電池時，應(yīng)滿足起動發(fā)動機的最大電流和轎車附屬電氣系統(tǒng)中用電設(shè)備電流。在起動過程中，應(yīng)急起動電池應(yīng)承受最大放電電流為300～ 600 A。轎車電氣系統(tǒng)用電器的最小電流應(yīng)大于20 A，所以電壓下降應(yīng)盡可能小，同時能反復起動數(shù)次，還應(yīng)保證應(yīng)急起動電池具有一定的容量。另外應(yīng)急起動電池不應(yīng)占用過大空間，這樣可以不改變轎車發(fā)動機艙內(nèi)部設(shè)計結(jié)構(gòu)。

根據(jù)上述要求，應(yīng)急起動裝置采用一塊容量為8000～10000mA的固態(tài)聚合物鋰離子電池，最大放電電流為200～500A，電池尺寸為12cm×8cm×3cm，可安裝在轎車蓄電池旁邊，與蓄電池留有一定距離 （約50mm），應(yīng)急起動電池與蓄電池并聯(lián)，設(shè)有連接控制電路。應(yīng)急起動電池采用固態(tài)聚合物鋰離子電池，可快速充放電，且不影響轎車充電系統(tǒng)，不增加發(fā)電機負載，體積小，便于安裝。固態(tài)聚合物鋰離子電池的市場價格在200元左右，價格便宜，在正常充、放電情況下設(shè)計使用壽命可達1000次以上；在不存在過放電的情況下，使用時間可達10年。

2　制動能量回收轉(zhuǎn)換

2.1制動能量利用原理

為保證應(yīng)急起動電池得到充分的充電，有效減少發(fā)動機機械損失，可將轎車制動能量回收加以利用。當轎車制動時，轎車制動系統(tǒng)對車輪施加制動力，降低車輪轉(zhuǎn)速至轎車停止。轎車制動時有兩種情況：一是轎車完全停止；二是降低轎車行駛速度。這兩種情況都是通過制動盤和制動片的摩擦所致，使制動能量白白消耗了。利用轎車制動時產(chǎn)生的能量對應(yīng)急起動電池充電，能有效把制動能量回收利用，又能減少制動系統(tǒng)損耗，提高制動效率，縮短制動距離，增加轎車行駛安全性。

轎車主要有發(fā)動機前置前驅(qū)和發(fā)動機前置后驅(qū)兩種驅(qū)動形式，將應(yīng)急起動充電系統(tǒng)的發(fā)電機安裝在變速器輸出軸上，如圖2所示。充電系統(tǒng)開關(guān)安裝在制動踏板上，當轎車減速制動時，踩下制動踏板，充電系統(tǒng)開關(guān)打開，制動系統(tǒng)對車輪施加制動力，這時發(fā)電機對應(yīng)急起動電池充電，同時發(fā)電機產(chǎn)生電磁阻力矩，這個阻力矩將制約變速器輸出軸的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)傳動軸、減速器、差速器半軸，制約著車輪的旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機和制動系統(tǒng)對驅(qū)動車輪施加雙重阻力矩，可有效提高制動效率，縮短制動距離，將一部分制動能量進行回收利用。

圖2　轎車制動能量回收結(jié)構(gòu)圖

2.2制動能量回收電路系統(tǒng)設(shè)計

轎車制動能量回收系統(tǒng)充電電路如圖3所示。發(fā)電機與變速器輸出軸連接，采用一個8管交流發(fā)電機，內(nèi)置集成電路電壓調(diào)節(jié)器。

當轎車應(yīng)急起動電池需要充電時，應(yīng)急起動電源系統(tǒng)開關(guān)接通，發(fā)電機勵磁。轎車在減速行駛時，踩下制動踏板，接通制動系統(tǒng)開關(guān)，發(fā)電機發(fā)電，向應(yīng)急蓄電池充電，這時充電指示燈開啟，交流發(fā)電機內(nèi)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，通過集成電壓調(diào)節(jié)器輸出穩(wěn)定的1～2A充電電流。轎車在城市工況下行駛時，走走停停，可對應(yīng)急電池形成脈沖充電，有助于修復蓄電池，恢復使用容量。

圖3　制動能量回收充電系統(tǒng)電路圖

3　原車充電電路設(shè)計

當轎車應(yīng)急起動電池過放電或容量大量降低時，同時轎車短距離行駛或長時間高速行駛的工況下，利用制動能量回收系統(tǒng)對應(yīng)急電池充電可能充不滿。另設(shè)計一套充電電路為應(yīng)急電池起動充電，保證應(yīng)急起動電池電量充足。

轎車交流發(fā)電機內(nèi)部、外部電路和應(yīng)急電池充電電路如圖4所示。采用一個8管交流發(fā)電機，具有集成電路電壓調(diào)節(jié)器，該發(fā)電機有5根接線：主輸出線B、至點火開關(guān)的電源線IG、蓄電池電壓檢測線S、充電指示燈線L和應(yīng)急電池充電線P。

圖4　轎車充電系統(tǒng)和應(yīng)急充電系統(tǒng)電路圖

應(yīng)急系統(tǒng)充電電路由兩套構(gòu)成，可根據(jù)轎車行駛工況和電池容量選擇性使用，兩套發(fā)電機集成電路電壓調(diào)節(jié)器提供14V、1～2A的充電電流。應(yīng)急起動電池根據(jù)放電情況和自身容量由手動控制充電，當轎車長時間高速行駛，應(yīng)急起動電池電量相對較低時，接通充電開關(guān)，充電電路即可對電池進行充電，一塊容量為10000mA的固態(tài)聚合物鋰離子電池，在車輛高速行駛2～3h即可充滿，充電相對穩(wěn)定，不影響原車充電電路，電池充滿以后斷開充電開關(guān)。電池在不放電的情況下可以90天不用充電。

4　應(yīng)急起動電路系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)急起動電池與原車蓄電池并聯(lián)連接，如圖5所示。正極連接導線由熔斷絲和控制開關(guān)組成，電池負極搭鐵，應(yīng)急起動電池尺寸小于原車蓄電池，設(shè)計尺寸為12cm×8cm×3cm，內(nèi)置電池控制電路，應(yīng)急起動電池與轎車蓄電池應(yīng)保持在大于50 mm距離。當轎車蓄電池過發(fā)電或容量降低時，接通點火開關(guān)無法起動車輛，這時可接通轎車應(yīng)急起動控制開關(guān)，應(yīng)急起動電池代替原車蓄電池釋放電量，轉(zhuǎn)動點火開關(guān)可起動轎車。

圖5　應(yīng)急起動電路圖

5　結(jié)論

1）本設(shè)計解決了轎車在城市工況下，短距離行駛、走走停停、頻繁起動、蓄電池過度放電和長時間使用容量降低的情況下，導致車輛無法起動的問題。

2）將轎車制動能量回收，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艽鎯ζ饋砑右岳茫岣吡宿I車的制動效率，降低了制動系統(tǒng)的損耗，保證汽車行駛安全性。

3）采用兩套充電電路為應(yīng)急電池充電，根據(jù)轎車使用工況選擇性為應(yīng)急起動電池充電，保證應(yīng)急起動正常使用。

4）本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，不改變轎車電氣電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，安全可靠，保證了車輛正常運行，降低了轎車的維護成本。

5）本設(shè)計已在轎車上試驗成功，申報國家專利已獲得授權(quán)。

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（編輯心翔）

中圖分類號：U463.63

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）05－0017－03

收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-02-25

作者簡介：于秩祥 （1983-），男，實驗師，主要從事汽車電器、動力系統(tǒng)性能檢測、汽車理論和實踐教學，工程機械車輛結(jié)構(gòu)改進等工作。

Design of Emergency Starting Power Supply System on Car

YU Zhi-xiang
（Experimental and Occupational Skills Management Center，Jiangsu Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract：Based on the original electric circuit system of car，a set of emergency starting power supply system is designed，which can solve the cannot-start problem caused by low-battery or over-outflow of the car battery.The device could also protect the battery，extend its useful life and hence increase utilizing economy of cars.

Key words：emergency battery；charging circuit；breaking energy recovery