新能源公交客車整車低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃俊杰，王玉紅

（一汽客車（大連）有限公司，遼寧 大連 116620）

新能源公交客車整車低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃俊杰，王玉紅

（一汽客車（大連）有限公司，遼寧 大連 116620）

以公交客車產(chǎn)品為基礎(chǔ)，闡述蓄電池、電源柜及車內(nèi)外附屬電器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及技術(shù)要求；從匹配與選型設(shè)計(jì)著手，介紹客車電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

蓄電池；電源系統(tǒng)；客車

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電器設(shè)備在汽車上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，數(shù)量越來(lái)越多，因此整車電源系統(tǒng)的重要性就越發(fā)顯得重要。汽車電源系統(tǒng)是汽車的一個(gè)重要組成部分。它的作用是向所有用電設(shè)備提供電能,以保證汽車的安全運(yùn)行和完成運(yùn)輸任務(wù)。文章對(duì)蓄電池、電源柜及電源系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。

1 蓄電池選擇與設(shè)計(jì)方案

（1）蓄電池容量選型。蓄電池的容量是指在規(guī)定的放電條件下，蓄電池能夠輸出的電量。當(dāng)采用恒流放電時(shí)，蓄電池的容量等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，用公式表示為：

式（1）中，C為蓄電池的容量，單位為A·h；If為放電電流，單位為A；Tf為放電時(shí)間，單位為h。

在進(jìn)行蓄電池容量的選型前，要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)確定起動(dòng)機(jī)的功率（起動(dòng)機(jī)的功率一般由發(fā)動(dòng)機(jī)廠家根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行確定）。由于蓄電池原則上只擔(dān)負(fù)起動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，所以只要確定起動(dòng)機(jī)的功率后，便可以通過計(jì)算確定蓄電池的容量，具體的計(jì)算方法如下：

在不采用蓄電池保溫裝置時(shí)，按-18℃計(jì)算蓄電池的容量，應(yīng)滿足起動(dòng)機(jī)的功率輸出。

起動(dòng)機(jī)的全制動(dòng)電流可由式（2）表示：

其中，η表示起動(dòng)機(jī)電磁功率轉(zhuǎn)換為輸出功率P時(shí)的效率，1kW以下時(shí)取0.8，1kW以上時(shí)取0.9；UH表示蓄電池的額定電壓。

起動(dòng)機(jī)制動(dòng)電壓UK的確定：制動(dòng)電壓取值大，意味著起動(dòng)機(jī)內(nèi)阻較大，銅線截面積可以相對(duì)小一些，但蓄電池容量要大一些。制動(dòng)電壓取值小，意味著起動(dòng)機(jī)內(nèi)阻較小，銅線截面積可以相對(duì)大一些，但蓄電池的容量要小一些。為了有利于起動(dòng)系統(tǒng)總成本的降低或總質(zhì)量的減輕，制動(dòng)電壓一般取值應(yīng)小一些，但不宜低于起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)的釋放電壓。12V電系國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為4.8V，24V電系為9.6V。建議柴油機(jī)按照4.8V或9.6V考慮。而對(duì)汽油機(jī)來(lái)說(shuō)，要考慮點(diǎn)火電壓過低會(huì)對(duì)點(diǎn)火不利，一般宜采用6V或12V。

起動(dòng)用鉛酸蓄電池實(shí)際容量隨溫度變化的關(guān)系為：

其中，t表示溫度；Qs表示溫度為t時(shí)蓄電池的實(shí)際容量；Q20表示溫度為20℃時(shí)蓄電池的實(shí)際容量。

蓄電池的內(nèi)阻與蓄電池的實(shí)際容量關(guān)系為：

其中，K表示系數(shù)，普通型為0.05，薄極板型為0.04。

蓄電池與起動(dòng)機(jī)連線內(nèi)阻RL對(duì)12V電系按0.001Ω，對(duì)24V電系按0.002Ω進(jìn)行計(jì)算。

由上述公式可以得出起動(dòng)機(jī)所需匹配的蓄電池容量為：

上述確定蓄電池額定容量的方法只是理論計(jì)算方法，得出理論容量后，還需要根據(jù)整車實(shí)際的匹配情況(主要為發(fā)動(dòng)機(jī)、起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和蓄電池的匹配)，通過相關(guān)試驗(yàn)來(lái)確定最終選取的蓄電池額定容量值，這樣才能在整車運(yùn)行時(shí)充分發(fā)揮蓄電池的功能。由于城市公交車站點(diǎn)之間距離短，停車多，起動(dòng)多，用電設(shè)備又在逐漸增多。同時(shí)，又由于城市車輛的猛增，使得道路擁擠，行駛速度降低，滑行較多，這些特點(diǎn)會(huì)使蓄電池充電大大減少，經(jīng)常處于充電不足的狀態(tài)。

另外，環(huán)境溫度對(duì)蓄電池的起動(dòng)容量也有很大的影響，蓄電池的內(nèi)阻隨電解液溫度下降而顯著增大，使蓄電池端電壓下降，一般是溫度每降低1℃，容量減小1%。若選取的蓄電池容量過小，在寒冷季節(jié)里，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)因?yàn)樾铍姵氐碾娏坎蛔愣饎?dòng)困難，但容量選取過大會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本。一般情況下，在溫帶地區(qū)運(yùn)行的車輛，可以選擇容量較小的蓄電池，以降低成本。在北方寒冷地區(qū)運(yùn)行的車輛，可以選擇容量較大的蓄電池。

（2）蓄電池的布置方式及安裝設(shè)計(jì)。公交客車產(chǎn)品在蓄電池的布置方式上主要有側(cè)倉(cāng)布置式、后倉(cāng)布置式及車廂內(nèi)布置式三種，側(cè)倉(cāng)布置式是主要的布置方式，絕大部分的公路客車、團(tuán)體客車和公交客車都采用這種布置方式，如圖1所示。后倉(cāng)布置式主要應(yīng)用在純電動(dòng)客車上，蓄電池布置在后部電機(jī)倉(cāng)的打氣泵下方，這也是由純電動(dòng)客車的車身結(jié)構(gòu)決定的，如圖2所示。車廂內(nèi)布置式僅采用與極少數(shù)的前置公交車上。

蓄電池固定方式主要采用的是滑槽可拖出式，蓄電池托架底部采用的是滑槽設(shè)計(jì)，內(nèi)部有滾輪，在拆掉兩邊的插銷后可以通過滑槽使蓄電池拖出，大大方便了后期的維修和保養(yǎng)工作。

圖 1 蓄電池側(cè)倉(cāng)布置式

圖2 蓄電池后倉(cāng)布置式

2 電源柜與保險(xiǎn)盒

（1）電源柜及保險(xiǎn)盒應(yīng)滿足的功能。①電源柜應(yīng)包含總電源繼電器和啟動(dòng)繼電器，可根據(jù)整車需要，增加電源總開關(guān)繼電器，通過儀表臺(tái)電源總開關(guān)，控制整車電路通斷。②電源柜及保險(xiǎn)盒應(yīng)包含15電和30電的輸出，根據(jù)整車用電設(shè)備特性，決定電源柜輸出多少路30電，多少路15電。③電源柜上必須有機(jī)械式手動(dòng)總電源開關(guān)，檢修或緊急情況下控制整車電源通斷。④電源柜內(nèi)的保險(xiǎn)為汽車用電設(shè)備提供短路保護(hù)，當(dāng)某一路用電設(shè)備故障或電路連接錯(cuò)誤造成短路時(shí)，配電柜內(nèi)的保險(xiǎn)應(yīng)熔斷并斷開供電設(shè)備的電源，并且不能影響其他保險(xiǎn)電路的工作。⑤電源柜及保險(xiǎn)盒總成必須預(yù)留安裝接線所需空間及過線所需的過線孔，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的耐溫，抗壓、抗震等規(guī)定。

（2）電源柜的設(shè)計(jì)。①選擇電源柜外形及材料。電源柜外形包括電源柜的外觀及尺寸，電源柜的外殼大多選用阻燃ABS工程塑料，也可根據(jù)實(shí)際需要選擇鐵制電源柜，電源柜的外觀應(yīng)簡(jiǎn)潔美觀，尺寸應(yīng)根據(jù)功能需要盡可能緊湊。②根據(jù)功能設(shè)計(jì)電源柜電氣原理圖。繪制電源柜原理圖應(yīng)兼顧C(jī)AN總線和配電板用電需求，例如歐科佳模塊需供給15電，威帝模塊需供給30電；充分考慮通用性和后期擴(kuò)展功能，及時(shí)與電源柜制作廠家溝通。③根據(jù)功能選擇電源柜電子電氣零部件。電源柜底部固定有4mm厚絕緣電器板，電源柜內(nèi)部電子電氣元件都固定在上面；電源柜有一個(gè)或多個(gè)大電流接觸器，多路大電流保險(xiǎn)片，可在電源柜內(nèi)集成各支路保險(xiǎn)絲盒或者外接保險(xiǎn)絲總成，根據(jù)各支路功能選擇連接線束線徑，最后選擇連接外部電路的接插件。④根據(jù)電源柜電氣原理圖布置各零部件。各零部件布置應(yīng)緊湊，連接線束走向美觀，盡量減少線束交叉，大電流接觸器應(yīng)布置在邊緣，方便35平方電源線的連接。⑤電源柜的安裝及接線。電源柜內(nèi)裝有大電流保險(xiǎn)和繼電器，通常安裝于電瓶附近相對(duì)封閉的空間，保證電源柜不被雨水淋洗，同時(shí)還要保證電源柜的散熱。電源柜外殼應(yīng)有外部線路連接所需過線孔，過線孔過線后還應(yīng)考慮防水防塵并且不能磨損線束。一汽客車（大連）有限公司電源柜有7個(gè)過線孔，直徑為35mm帶護(hù)線圈，護(hù)線圈采用軟橡膠加工，可以有效的保護(hù)導(dǎo)線不受損傷。

（3）保險(xiǎn)絲的選取。保險(xiǎn)絲也被稱為熔斷器，它是一種安裝在電路中，保證電路安全運(yùn)行的電器元件。保險(xiǎn)絲的作用：當(dāng)電路發(fā)生故障或異常時(shí)，伴隨著電流不斷升高，并且升高的電流有可能損壞電路中的某些重要器件或貴重器件，也有可能燒毀電路甚至造成火災(zāi)。若電路中正確地安置了保險(xiǎn)絲，那么，保險(xiǎn)絲就會(huì)在電流異常升高到一定高度的時(shí)候，自身熔斷切斷電流，從而起到保護(hù)電路、電器設(shè)備安全運(yùn)行的作用。

假設(shè)保險(xiǎn)絲的工作環(huán)境比較理想，通過其電流為穩(wěn)態(tài)工作電流，這時(shí)保險(xiǎn)絲的額定電流取決于標(biāo)稱工作電流。通常建議持續(xù)工作負(fù)載為保險(xiǎn)的額定電流的75%，即按照如下公式計(jì)算：

式中：If為理想的保險(xiǎn)絲額定負(fù)載值；In為額定工作電流：RR為環(huán)境溫度修正系數(shù)。

以mini保險(xiǎn)絲為例，如額定工作電流為15A，其工作環(huán)境溫度為105℃，要選擇合適的保險(xiǎn)絲。首先確定mini保險(xiǎn)絲的環(huán)境溫度修正系數(shù)。從（圖3保險(xiǎn)絲的溫度特性曲線）圖中可以看出在105℃是其修正系數(shù)為88%。將修正系數(shù)代人公式得：If＝In/RR×0.75=15/0.88×0.75＝22.7A。根據(jù)計(jì)算得出的保險(xiǎn)絲的額定值，選擇接近且大于計(jì)算結(jié)果的保險(xiǎn)絲容量25A。

圖3 保險(xiǎn)絲的溫度特性曲線

3 電源分配設(shè)計(jì)

客車的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，直接關(guān)系到客車電器件的正常工作與否和全車的安全性，因此客車線束設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)都是以安全為主。整車電氣系統(tǒng)基本上由3個(gè)部分組成。

（1）蓄電池直接供電系統(tǒng)（一般稱常電）。這部分的電源所接負(fù)載一般都是汽車的安全件或重要件，主要目的是在為這些件提供電能時(shí)盡量少的加以控制，確保這些件即使汽車發(fā)動(dòng)不起來(lái)也能短暫正常工作，以方便到站點(diǎn)維修等。如：發(fā)動(dòng)機(jī)ECU及發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器的工作電源、應(yīng)急照明信號(hào)電源、部分控制器電源、診斷接口電源等。

（2）點(diǎn)火開關(guān)控制的供電系統(tǒng)（一般稱為ON檔電）。這部分電器件基本上是在發(fā)動(dòng)機(jī)工作運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下才使用，取自發(fā)電機(jī)的電源，避免了為蓄電池充電時(shí)爭(zhēng)電源的可能性。如：儀表電源、干燥罐電源等。

（3）發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)卸掉負(fù)載的電源（一般稱為ACC電源）。這部分電器件一般所帶的負(fù)載較大，且在汽車起動(dòng)時(shí)不必工作。一般有點(diǎn)煙器電源、空調(diào)電源、收放機(jī)電源、刮水器電源等。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著汽車電控技術(shù)的不斷發(fā)展和智能化，汽車電源系統(tǒng)研究工作已是一項(xiàng)重要的課題。對(duì)于汽車電源系統(tǒng)中的蓄電池，也朝著增大電荷量、提高起動(dòng)性能、提高可靠性和使用壽命、增加比能量的方向發(fā)展。汽車電源不僅影響到汽車電子系統(tǒng)的工作，更重要的是決定著整車能量消耗及性能的好壞。

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Design of Low Voltage System for New Energy Bus

HUANG Jun-jie，WANG Yu-hong
（FAW Bus（Dalian）Co.，Ltd.，Dalian，Liaoning 116620，China）

Based on bus bus products，the design and technical requirements of battery，power supply cabinet and internal and external auxiliary electrical system are expounded.The design of bus power system is introduced from matching and selection design.

battery；power supply system；bus

F426.471

A

2095-980X（2017）02-0056-02

2017-02-09

黃俊杰（1978-），遼寧人，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：客車設(shè)計(jì)與研究。