警用液壓自動路障車電瓶饋電分析與預防

袁芬，張明，李彪，吳宏濤，李航

（中國北方車輛研究所，北京 100072）

0 引言

警用液壓自動路障車是一款可實現(xiàn)快速布障、現(xiàn)場監(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，對保證汽車及設備的啟動性和可靠性有著重要的影響。在使用過程中發(fā)現(xiàn)，當有序使用車輛設備時，底盤電瓶電量能夠滿足功能需求。當電瓶長時間使用后，多種設備同時操作時，易出現(xiàn)大功率設備無法啟動的情況；尤其在車輛長時間擱置或者車輛不在行駛狀態(tài)下，并且車內電器設備長時間工作時，電瓶經常出現(xiàn)饋電，底盤無法正常啟動的現(xiàn)象也時有發(fā)生，嚴重影響車輛的正常使用。在一般的改裝車輛中，為降低對電瓶的損耗，在駐車狀態(tài)必須接入市電。但是對于警用車輛，工作時所處的環(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。通過對電瓶饋電故障展開分析和推理，可為設計和維護人員在相關工作時提供啟示和借鑒[2]，不斷推動改裝車輛的發(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]設計了一款利用風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才能充電，主副電瓶之間的切換需要手動完成，增加駕駛員的工作量；王襄[4]提出通過設計一套控制器來解決手動控制的問題，但對于在售產品，增加過多的電子元器件對產品的可靠性有嚴重的削弱作用；王玲等[5]在隔離器的設計中提出重型車設置雙電瓶的方法，內容簡單，且雙電瓶均用底盤發(fā)電機充電，雖然解決車輛啟動的雙供電，但是沒有考慮到底盤發(fā)電機的超負載。

本研究首先對電瓶失效原因進行分析，利用經受市場考驗的成熟產品展開主、副供電系統(tǒng)的設計，以達到既保證底盤車輛的實時啟動，又兼顧車輛的可靠性的目的，為改裝車輛的供電設計提供參考。

1 原因分析

在整車的電源系統(tǒng)中，電瓶、起動機、發(fā)電機和底盤電器、控制柜組成一個供、耗電系統(tǒng)。電瓶和發(fā)電機為車輛的供電系統(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、儀表等設備；空調、液壓泵、起伏機構是改裝車耗電量最大的單體設備；其他負載主要指警燈警報、圖文顯示、攝錄像等設備，這些設備雖單件功耗低，但總量大，同樣是耗電的重要部分。上述設備耗電情況如表1所示。

表1 車輛主要用電設備能耗表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機提供瞬時大電流，以保證起動機在各種條件下均能可靠地起動[6]；另一方面，車輛起動后，底盤發(fā)電機向電瓶充電，并支撐底盤負載的用電，當用電設備增加，發(fā)電機輸出的電流不夠用時，電瓶參與供電[7]。電瓶除了要負擔底盤的部分負載，如車燈、駕駛室儀表等外，還要支撐控制柜的用電。控制柜支撐車輛完成布障、監(jiān)控、攝錄放、強光搜索等特殊功能所需要所有設備的用電，設備多、耗電量大，是車輛啟動后電瓶的最大負載。當車速達到一定狀態(tài)，底盤發(fā)電機向電瓶充電，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）當車輛正常行駛時，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、起伏機構處于關閉狀態(tài)，大功率設備只有車載空調。同時底盤發(fā)電機實時向電瓶充電，并承擔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）當車輛怠速時，底盤發(fā)電機依然在給電瓶充電，但由于發(fā)動機轉速降低，輸出功率減少，充電速度隨之減緩，此時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、起伏機構、車載空調的頻繁使用導致耗電速度高于充電速度。按照設備的使用頻率，整車工作電流在120～200 A之間，設備啟動一段時間后，電瓶電量因供不應求，電壓逐步降低，將影響設備的使用，甚至出現(xiàn)發(fā)動機熄火等嚴重后果。

3）當車輛駐車時，所有用電設備均由電瓶負擔，電瓶只放電無充電[9]，電壓持續(xù)降低，電瓶開始饋電，輕則無法啟動設備，重則無法啟動底盤，為車輛的正常使用埋下隱患。理論上，當車上負載除底盤電路外均處于工作狀態(tài)時，120 A·h的電瓶電量在38 min內將枯竭；實際情況下，起伏機構、動力單元、空調根本無法同時啟動。

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

2 解決方法

為保證車輛的正常使用，設計主、副兩套供電系統(tǒng)，保證車輛啟動有備用方案，滿足警用車輛多工況的使用要求[7-8]。同時借助底盤取力系統(tǒng)，對大功率用電設備進行分流，進一步減輕電瓶負載。

2.1 主、副供電系統(tǒng)設計

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。當主電瓶饋電時，副電瓶向底盤起動機供電，保證底盤車輛的正常啟動。啟動后車輛正常給主電瓶充電，當主電瓶電量達到一定電壓時，車輛自動回到主供電系統(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、市電、逆變器3種方式通過充電機為副電瓶充電。

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

2種供電方式可單獨運行，也可同時運行，二者可通過接觸器進行切換。主供電系統(tǒng)工作時，輔助供電系統(tǒng)與起動機處于斷開狀態(tài)，可通過充電機充電，保持副電瓶電量的最佳狀態(tài)；選擇輔助供電系統(tǒng)啟動底盤后，底盤發(fā)電機工作，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[9]。

2.2 大功率電器分流設計

在車輛設計中，一方面，車輛功能的擴展離不開一些大功率設備，例如車載空調是車輛舒適性的提供者，液壓泵是車輛布障系統(tǒng)的動力來源，起伏機構是云臺和搜索燈的載體；另一方面，操作人員經常忽視觀察電瓶電壓，在低電壓狀態(tài)下頻繁啟動設備，導致設備耗電量提高，瞬間電流增大，直接影響電瓶的正常使用。為此開展大功率設備分流設計，逐步減輕電瓶負載。

二類底盤車輛普遍擁有大功率發(fā)動機和足夠的功率儲備[10]，同時為了滿足改裝需求，二類專用底盤一般會在車輛底盤基礎上預留取力口等接口，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，通過分流設計從底盤變速箱分流儲備功率，滿足改裝負載的需要（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)實際需求設計，其輸出軸分別與空調壓縮機泵和液壓系統(tǒng)泵連接，隨時為空調和液壓系統(tǒng)提供能量輸出，充分利用底盤的機械能代替電能，大大減輕底盤電瓶的壓力。

圖2 取力器分流設計Fig.2 Power collector shunt design

3 實車驗證

主、副供電系統(tǒng)和大功率分流系統(tǒng)設計完成后，進一步更改優(yōu)化整車電氣系統(tǒng)，并在售出的路障車上進行驗證，在歷經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的難題；通過取力器帶動車載空調壓縮機泵和液壓泵的運轉，設備動力增強，耗電減少，有效減輕電瓶負載，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，也為后期車輛維護降低質量成本[12]。

4 結論

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電路、大功率用電設備未做分流。

2）采用主、副供電系統(tǒng)設計和利用底盤取力系統(tǒng)對大功率設備進行分流，能夠有效改善電瓶的使用環(huán)境，保證車輛實時有效啟動。