汽車電氣系統(tǒng)的電源和負載匹配設計

王婷萍

（中國重型汽車集團有限公司汽車研究總院，山東 濟南 250000）

隨著汽車電子行業(yè)的高速發(fā)展，汽車的電子電氣產(chǎn)品零部件也逐漸增多，為確保電子電氣零部件的正常工作，負載的正確分配是非常重要的環(huán)節(jié)，這不僅有助于整車電氣的正常運行，同時關系到了整車的安全性。在電氣系統(tǒng)設計之初，應對商用車整車各用電設備的電流值和相關電氣參數(shù)有具體了解，然后根據(jù)整車相關的電氣配置對電源分配中的蓄電池容量、發(fā)電機發(fā)電量、電氣回路的熔斷絲選擇和導線規(guī)格進行計算，確定相關參數(shù)值。

1 汽車電氣系統(tǒng)電源系的選擇設計

整車電氣系統(tǒng)的電源系是由發(fā)電機、一個或多個蓄電池并聯(lián)組成。發(fā)電機主要進行的是機械能到電能的轉(zhuǎn)換，為整車電器系統(tǒng)提供運行的電能；蓄電池則主要負責為起動機供電實現(xiàn)發(fā)動機的起動，同時用于電能的存儲。電源系統(tǒng)的設計必須合理規(guī)劃蓄電池、發(fā)電機和整車其他用電設備的負載匹配。

1.1 蓄電池容量的確定

蓄電池是整車電氣系統(tǒng)中電能存儲裝置，它的主要功能是：①隨時為起動機提供起動電能；②在某些工況下，如怠速或發(fā)動機停機工況，當發(fā)電機的電能不能滿足正常電氣系統(tǒng)的用電需求時，蓄電池可以正常提供所需要的電能供給；③蓄電池可以抑制整車電氣系統(tǒng)中的電壓峰值效應，以保護對電壓峰值效應敏感的電子部件和電氣設備，如半導體器件和白熾燈等。

蓄電池的選擇主要是指蓄電池可用容量的計算和確定，在設計中常用以下經(jīng)驗公式進行計算：

Q=（600～800）（P／U）

式中：Q——蓄電池的額定容量，Ah；P——起動機的額定功率，kW；U——起動機的額定工作電壓，V。

計算出結(jié)果范圍后，可查詢標準GB／T5008.2《起動用鉛酸蓄電池 第2部分：產(chǎn)品品種規(guī)格和端子尺寸、標記》確定冷啟動電流是否符合發(fā)動機的要求，同時還可按蓄電池裝配要求選擇適當?shù)男铍姵氐墓潭ǚ绞胶徒泳€方式。

蓄電池的選擇，除了理論計算和標準查詢，還需要考慮整車額外用電設備對蓄電池選型的影響，如一些特殊車型會選用第二空調(diào)、緩速器等大電流電氣設備，按上述的蓄電池選擇方式就會出現(xiàn)蓄電池深循環(huán)放電的情況，車載發(fā)電機無法將蓄電池充滿電，嚴重影響蓄電池的使用壽命。表1是蓄電池的壽命檢測標準，從表1中可以看到放電深度越深則標準要求次數(shù)越低，即現(xiàn)實整車應用中蓄電池深度放電的次數(shù)越多，則蓄電池的使用壽命越短。

1.2 發(fā)電機的選擇

發(fā)電機是整車電源系統(tǒng)的主要電源提供源，在整車正常運行狀態(tài)下為除起動機外的其他車載電氣設備提供電能，同時對蓄電池進行充電。發(fā)電機的功率必須與蓄電池容量和車載電氣設備的功率需求相匹配，才可以在任何工況下保證整車電氣系統(tǒng)的正常工作。發(fā)電機的功率選擇需要考慮整車怠速工況用電功率和行車工況用電量兩種狀態(tài)下的用電功率。車輛功率和用電時間系數(shù)見表2。用電時間系數(shù)可根據(jù)實際設計整車的工況情況進行適當調(diào)整。

特別注意的問題是在整車系統(tǒng)中，用電設備標稱電壓均為整車配置蓄電池電壓，一般為12V或24V，實際整車電源系統(tǒng)是發(fā)電機和蓄電池的并聯(lián)系統(tǒng)，發(fā)電機的電壓為14V或28V，因此在計算用電設備負載時需要乘上電壓系數(shù)kV（1.15），計算得出的最終值則為實際負載值。

怠速工況主要是指車輛起動后靜止狀態(tài)下的整車用電工況，可參考表2中的用電設備，對有可能在怠速工況下工作的用電設備乘相應的時間系數(shù)后疊加計算出最終功率；行車工況是指車輛行駛時的整車用電工況，可將表2中的所有用電設備乘時間系數(shù)后疊加計算出最終功率。將怠速工況的用電量和行車工況用電量對照發(fā)電機輸出特性曲線，即可選擇適當?shù)陌l(fā)電機功率。圖1是一款28V／55A的發(fā)電機輸出特性曲線圖。不同的發(fā)電機有不同的特性曲線，設計時需要向發(fā)電機廠商提出相關要求，索取特性曲線圖進行實際選配。

表1 蓄電池壽命檢測標準

表2 車輛功率及時間系數(shù)一覽表 （參考）

圖1 24V／55A發(fā)電機輸出特性曲線

2 負載線路設計

2.1 熔斷絲容量的計算

熔斷絲也被稱為熔斷器，IEC127標準將熔斷絲定義為“熔斷體 （FUSE-LINE）”。當電路發(fā)生故障或異常時，會出現(xiàn)電流不斷升高或瞬間升高的現(xiàn)象，導致電路中的重要電氣件燒毀甚至引起火災。熔斷絲可以在電流異常升高到一定值時，自身熔斷切斷電流，從而起到保護電路安全運行的作用。

熔斷絲的選擇涉及諸多因素，在原理設計中主要考慮的有：①用電設備的正常工作電流；②額定工作電壓；③環(huán)境溫度；④過載電流與熔斷絲必須熔斷的時間匹配；⑤最大故障電流；⑥脈沖、沖擊電流、涌入電流、啟動電流和電路瞬變值；⑦結(jié)構尺寸限制，如長度、直徑和高度等。

本文主要考慮熔斷絲負載的選擇。根據(jù)負載的額定功率計算負載電流，根據(jù)負載電流再來確定熔斷絲的額定電流，熔斷絲的額定電流會根據(jù)環(huán)境溫度的變化而變化，熔斷絲的計算公式如下：

式中：負載電流——用電設備的標稱額定電流×1.15；負載特性系數(shù)——可設置為0.7～0.75（高電流型的可設置為0.5）；溫度系數(shù)——環(huán)境溫度為23℃時，溫度系數(shù)可設置為0.15%／℃ （高電流型的可設置為0.18%／℃）；負載峰值電流系數(shù)——如果峰值電流時間小于0.3s，選擇系數(shù)為1。

每個熔斷絲都會有相關的時間-電流特性曲線，即熔斷特性曲線，該曲線是熔斷絲設計選擇的輔助手段，具有相同額定電流值的熔斷絲可能有不同的特性曲線。熔斷絲規(guī)格中一般包括工作電流為100%或者110%額定值時的壽命要求及過載電流 （通常為額定值的135%或200%）時的最大斷路時間。在考慮電路的過載電流情況 （即電路需要保護時的電流強度）時和線路的脈沖 （即由于部分用電設備產(chǎn)生的沖擊電流或涌入電流）影響時，也應該考慮熔斷絲的時間-電流特性曲線，使熔斷絲的特性與電路的需要相匹配。圖2和圖3是某款快熔斷和慢熔斷熔斷絲的特性對比。

圖2 快熔斷熔斷絲熔斷特性圖

環(huán)境溫度對熔斷絲的影響也需要特別注意，熔斷絲的承載能力試驗是在環(huán)境溫度25℃下進行的。實際應用中環(huán)境溫度越高，熔斷絲的工作溫度就越高，其壽命也會越短。相反，在較低的溫度下工作的熔斷絲相應壽命也會延長。圖4是環(huán)境溫度對電流承載能力影響的典型曲線圖，可作為參考。

圖4 環(huán)境溫度對電流承載能力影響曲線圖

2.2 導線線徑的計算確定

2.2.1 導線的截面積計算

導線線徑是采用導線標稱截面積來表示的，導線的選擇要與熔斷絲的容量相匹配，兩者匹配的原則如下：①導線在工作環(huán)境溫度下的允許電流必須大于熔斷絲在同樣工作環(huán)境溫度下的額定負載電流；②極限要求為選擇導線的煙化時間和電流曲線應在熔斷絲的熔斷時間和電流的曲線之上。如果熔斷絲盒導線不在同一工作溫度下，應保證熔斷絲在該溫度下200%額定電流時的熔斷時間小于線束在該電流下的煙化時間。

導線的截面積經(jīng)驗公式如下：

式中：A——導線的截面積；I——用電設備的實際電流值；ρ——銅電阻率；L——導線的長度；Ud——導線允許最大電壓降損失。

計算所得的導線截面積A，則可以根據(jù)整車配置和相關要求在德標線、日標線或國標線中的相關汽車用線標準中進行導線的選擇。

舉例來說，24V的整車系統(tǒng)，單只近光燈電功率為70W，導線和熔斷絲的環(huán)境工作溫度為40℃，峰值電流時間為0.3s，計算導線的線徑。具體計算步驟如下。

1） 近光燈的實際負載電流：I負載=（140W／24V）×1.15=6.70A。

2）近光燈的線路配置熔斷絲額定電流選擇：If=6.70A／（0.7×｛1-0.15%（40-23）｝×0.7）=14.03A，熔斷絲可選15A規(guī)格。

3）根據(jù)15A線路熔斷絲，通過查詢所選導線種類的“線纜容許電流和電壓降”，可選擇符合要求的導線線徑，如對日標線可選2mm2的AV導線。

2.2.2 導線的壽命設計

導線的選擇還應考慮導線的壽命，如整車的實際設計需求要求導線的設計壽命有一定的提高，則從導線的熱老化角度可進行如下工作。

1）選用耐溫度等級較高的導線，圖5是日標線的導線類別，可先用曲線縱坐標相對高的導線，目前汽車行業(yè)采用的日標、德標和國標線均有相應的耐高溫導線的選擇，設計者可根據(jù)實際配置進行相應的選擇。

圖5 耐熱裂化壽命曲線

2）增大導線的截面積。即在選擇導線規(guī)格時，對部分實際計算在臨界點的導線提高一個規(guī)格進行選擇，也可有效提高導線的使用壽命。

3 結(jié)束語

汽車電氣設計因?qū)I(yè)性較強，在整車系統(tǒng)設計中相對獨立，隨著汽車科技的不斷發(fā)展和電子產(chǎn)品的廣泛應用，對汽車電源和負載的匹配設計會提出更多的要求。汽車電氣設計需要我們在實際工作中不斷地摸索和總結(jié)，找到并遵循合理的設計程式同時不斷地完善相關細節(jié)，保證整車電氣系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、合理，提高整車的綜合競爭力。