重型汽車電源系統(tǒng)的匹配設計

程 寧，王園剛，米浩鋒

（陜西通力專用汽車有限責任公司，陜西 寶雞 722405）

前言

重型汽車電源系統(tǒng)的作用主要是向各用電設備提供電能，并實現(xiàn)能量間的相互轉(zhuǎn)化。重型汽車電源系統(tǒng)的匹配設計是整個車輛電器系統(tǒng)設計的基礎。重型汽車電源系統(tǒng)主要包括蓄電池、發(fā)電機及附屬設備等。

1 重型汽車電源系統(tǒng)的特點[1]

（1）雙電源系統(tǒng)：蓄電池和發(fā)電機共同為整車電器系統(tǒng)供電。

（2）低壓直流電：系統(tǒng)額定電壓為24 V。

（3）單線制：控制電路多為單線制，即電源通過導線與用電器連接，電源負極和車體金屬部分連接。

（4）并聯(lián)回路：所有用電器均為并聯(lián)連接，各用電器有其單獨的控制裝置。

2 重型汽車電源系統(tǒng)的布置形式

在發(fā)電機、蓄電池以及各電氣設備之間的布線，對電壓高低有影響，從而影響蓄電池的充電狀態(tài)。

如果所有用電器都接在蓄電池上，那么總電流都流經(jīng)充電線路，導致線路壓降大，使充電電壓降低。相反，如果所有用電器都接在發(fā)電機上，電壓變小，充電電壓則會變高，但這樣對電壓峰值或高電壓波紋敏感的器件卻有負面影響。

所以，應當把對電壓不敏感而高輸入功率的設備接到發(fā)電機上，對電壓敏感而功率小的低用電設備接到蓄電池上，重型汽車電源系統(tǒng)的布置形式見圖1。

圖1 重型汽車電源系統(tǒng)的布置形式

3 蓄電池的匹配選型

蓄電池主要作用是給起動系統(tǒng)提供電源，儲存電能，吸收電路系統(tǒng)瞬時過電壓，以及在發(fā)電機不工作時為輔助用電器供電[2]。

3.1 蓄電池的選擇要求

（1）蓄電池選型時，蓄電池的額定電壓要與汽車用電器的額定電壓相同，蓄電池的額定容量要滿足車輛起動的要求。按照起動機的功率，并結(jié)合其他用電器功率確定符合要求的蓄電池規(guī)格。

（2）在原來起動機、照明等常規(guī)用電器作為汽車電器系統(tǒng)基本配置的同時，目前不斷擴大到發(fā)動機電控系統(tǒng)、變速箱電控系統(tǒng)、操縱安全性舒適性控制系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、影音系統(tǒng)等。這些用電器件消耗電能的比重不斷增加，所以對蓄電池的容量要求也在提升。

（3）在惡劣條件下對試驗車輛進行試驗，可以確定批量生產(chǎn)的汽車為滿足標準的電能需要配備的合適的蓄電池、起動機、發(fā)電機等。

3.2 蓄電池的主要參數(shù)

3.2.1 蓄電池的容量

對于完全充足電的蓄電池，在允許放電范圍內(nèi)，所輸出的電量就是蓄電池的容量[3]，即：

式中：C為蓄電池的容量，單位：A·h；If為放電電流，單位為A；tf為放電時間，單位為h。

蓄電池的容量與放電的電流大小、電解液的溫度都有關(guān)系[3]。

3.2.2 額定容量

檢驗蓄電池質(zhì)量的主要指標是額定容量，即以20 h放電率的放電電流在電解液初始溫度為（25±5）℃，密度為（1.28±0.01）g/cm3的條件下，連續(xù)放電到規(guī)定的單格終止電壓1.75 V，蓄電池所輸出的電量，稱為額定容量，用C20表示[1]。

3.2.3 起動容量

蓄電池在發(fā)動機起動時的供電能力稱為起動容量，起動容量分為常溫和低溫兩種[2]。

（1）常溫起動容量。常溫起動容量是電解液平均溫度為30 ℃時，以放電率3Qe放電至單格電壓下降到1.5 V 時所輸出的電量[3]。

（2）低溫起動容量。低溫起動容量是電解液平均溫度為－18 ℃時，以放電率3Qe放電至單格電壓下降到1 V 時所輸出的電量[3]。

3.3 蓄電池的選擇

蓄電池與整車的匹配設計是指根據(jù)起動機有關(guān)的參數(shù)和整車的條件，選擇某一種規(guī)格的蓄電池，使其性能滿足整車的使用條件。

3.3.1 蓄電池容量的選擇

蓄電池的功能主要是保證發(fā)動機的起動性能，因此，首先要根據(jù)起動機的功率計算，然后再結(jié)合其他因素進行調(diào)整，最后按蓄電池的規(guī)格進行選型。

蓄電池的容量可根據(jù)下式計算：

式中：Qc為蓄電池額定容量，單位為A·h；Pst為起動機功率，單位為kW；n為短路電流變化系數(shù)，詳見表1。g為蓄電池短路系數(shù)，見表1（g=Ikd/Qc，Ikd為蓄電池的短路電流）；Un為蓄電池額定電壓，單位為V；k表示系數(shù)，通常取5487。

表1 相關(guān)參數(shù)表

或根據(jù)經(jīng)驗公式：Q=（450~600）P/U；Q為蓄電池容量，P、U分別為起動機額定功率和電壓。例如，某車型起動機功率為7.8 kW，Q=550×7.8/24=178.75A·h，所以蓄電池選擇2塊12 V，180 A·h串聯(lián)。

3.3.2 影響蓄電池性能和容量的因素

放電電流、電解液的溫度和密度都會影響蓄電池的容量。

（1）環(huán)境溫度（電解液溫度）對蓄電池容量的影響。使用環(huán)境對蓄電池容量的影響很大，如果車輛經(jīng)常工作在寒冷地區(qū)，就必須對蓄電池的性能提出更高的要求，當環(huán)境溫度很低時，電解液的黏度增加，電解液向極板孔隙內(nèi)流動困難，同時電解液的電離困難也使蓄電池的內(nèi)阻增加，放電電壓降低，極板上的活性物質(zhì)不能有效地使用，從而使容量降低，造成起動時蓄電池不能有效地提供較大的起動電流，使發(fā)動機的起動非常困難。

經(jīng)測定，電解液溫度每下降1 ℃，蓄電池容量減少百分之一，且在大電流放電時可減少百分之二。

30 ℃時的蓄電池容量與不同溫度下的容量的關(guān)系：

式中：Q30為溫度是 30 ℃時的蓄電池的容量，單位為A·h；Qt為電解液的平均溫度為t ℃時的容量，單位：A·h；t是電解液放電時的平均溫度，單位：℃。

（2）電解液的密度影響蓄電池容量。蓄電池電解液的密度在（1.24～1.31）g/cm3左右，電解液的密度大可以降低結(jié)冰溫度，并可提高蓄電池的容量[4]。但密度過大將造成電解液的黏度增加，會使流動性減少，反而會使容量減少。

根據(jù)不同的地區(qū)和不同的使用環(huán)境，電解液密度應在下表范圍內(nèi)進行調(diào)整。不同氣候條件下電解液的密度見表2。

表2 不同溫度下電解液的密度[3]（單位：g/cm3）

（3）放電電流對蓄電池容量的影響。蓄電池放電電流過大（超過 3Qe）就會造成蓄電池容量的下降，電流越大下降的幅度就越大。

在進行蓄電池容量確定時，既要考慮常溫下的工作狀況，還要考慮環(huán)境溫度等多種因素的，一般在超低溫環(huán)境（—35℃以下）須選用特殊的低溫型蓄電池。

4 發(fā)電機性能的匹配

發(fā)電機是車輛用電裝置的能源，同時擔負著對蓄電池的補充充電的作用。發(fā)電機一般包括三相同步電機和整流器兩部分，主要由轉(zhuǎn)子、定子、整流器和一些附件組成。目前重型汽車采用的發(fā)電機為整體式交流發(fā)電機[2]。

在選擇發(fā)電機時，如果發(fā)電機功率過大，既占用體積，發(fā)電機容量又得不到充分利用，并且會造成發(fā)動機油耗增加；反之，則會造成對蓄電池的充電不足，影響起動并會造成蓄電池過早損耗。發(fā)電機的匹配設計，是指根據(jù)整車及發(fā)動機的有關(guān)數(shù)據(jù)，匹配設計適合于該車型的發(fā)電機。

4.1 發(fā)電機連接方式匹配設計

4.1.1 傳動方式

發(fā)電機與發(fā)動機的傳動方式采用皮帶傳動。

4.1.2 安裝方式

發(fā)電機一般安裝在發(fā)動機的前部，由曲軸皮帶輪或風扇皮帶輪驅(qū)動，發(fā)電機的安裝要保證皮帶槽中心線的平面度。為調(diào)整發(fā)電機皮帶的張緊力，發(fā)電機本身還要具有張緊輪的作用，因此，發(fā)電機都設計有兩個支承腳，即固定掛角和調(diào)節(jié)掛角。

4.1.3 傳動比

發(fā)電機一般在6 000 r/min 左右轉(zhuǎn)速下工作時，發(fā)電機的性能發(fā)揮得比較好，也比較經(jīng)濟。如果在較低轉(zhuǎn)速下運行，風扇的排風量小，冷卻效果不好，特別是在 3 000～3 500 r/min 轉(zhuǎn)速工作時，如果工作電器較多，發(fā)電機的溫升很高，所以應該盡量避免發(fā)電機長期在這一轉(zhuǎn)速下工作[2]。

發(fā)電機的理想工作轉(zhuǎn)速是6 000 r/min 左右，可根據(jù)發(fā)動機的常用工作轉(zhuǎn)速計算發(fā)動機與發(fā)電機的傳動比：

式中：i為發(fā)動機與發(fā)電機的傳動比；Nc為發(fā)動機的常用轉(zhuǎn)速，r/min。

4.2 發(fā)電機的特性參數(shù)

發(fā)電機的輸出電流、輸出電壓、轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系稱為發(fā)電機的特性。

4.2.1 空載特性

空載特性是指發(fā)電機在無電流輸出時，發(fā)電機輸出端（B+）電壓隨轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系，隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速的升高輸出電壓迅速升高[4]。

4.2.2 輸出特性

從輸出特性曲線可以看出，在保持輸出電壓不變的條件下，發(fā)電機的輸出電流隨發(fā)電機的轉(zhuǎn)速升高而逐漸增大，當轉(zhuǎn)速值升高到一定值后，由于交流發(fā)電機具有電抗調(diào)節(jié)作用，輸出電流的增加速度就會減慢并逐漸趨于穩(wěn)定，這個穩(wěn)定值就是發(fā)電機的最大輸出電流[4]。發(fā)電機的輸出特性見圖2。

圖2 發(fā)電機的輸出特性

4.2.3 外特性

外特性是在轉(zhuǎn)速一定的情況下，隨著發(fā)電機輸出電流的增加，發(fā)電機的輸出電壓有大幅度的下降，當輸出電流增加到一定值之后，電流和電壓值將同時下降，主要原因如下[2]：

（1）發(fā)電機輸出電流增加時，定子繞組和整流管上電壓降增加，發(fā)電機的端電壓下降；

（2）輸出電流增加時，由于電樞反應的作用使磁場削弱，發(fā)電機的電動勢降低，發(fā)電機的端電壓下降；

（3）由于發(fā)電機的輸出電壓下降，使磁場電流減小，從而使發(fā)電機的磁場削弱，引起電動勢和輸出電壓進一步下降。

車輛設計過程中，對于發(fā)電機的性能，一般只考慮發(fā)電機的輸出特性。

4.3 確定發(fā)電機參數(shù)的一般步驟

4.3.1 整車用電負載電流計算

總電流計算公式：

式中Ii為第i 個用電裝置的額定電流，Ki為第i 個用電裝置的加權(quán)系數(shù)。

4.3.2 發(fā)電機的輸出電流計算

發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne與車速v之間關(guān)系：

其中k為系數(shù)0.377，i0為主傳動比，ig為各檔傳動比，R為輪胎滾動半徑。發(fā)電機轉(zhuǎn)速n與發(fā)動機轉(zhuǎn)速ne之間根據(jù)皮帶傳動比換算，可以得出各個轉(zhuǎn)速下的輸出電流[4]。

4.3.3 平衡計算

發(fā)電機額定電流：

其中Iv為整車用電負載電流，t為蓄電池放電的相對時間（0.1~0.2）。

計算完成初選后，一般需要進行怠速匹配和極限工況匹配[2]。

4.4 發(fā)電機應用匹配電器線路要求

（1）發(fā)電機B+端無需通過保險絲可直接連接到蓄電池的正極，且要連接牢固。連接導線的電壓降要小于1V，導線截面積視導線長度和工作電流大小而定，其截面積至少要大于 6 mm2。若車輛配備電渦流緩速器導線線徑需增加到 35 mm2。

（2）如果發(fā)電機B+端通過保險絲連接到蓄電池的正極，保險絲容量選擇為發(fā)電機額定容量的1.2～1.5 倍。

（3）對于不帶自勵磁的發(fā)電機，設計發(fā)電機線路時要為發(fā)電機提供一個勵磁電流電路，勵磁電流要大于 90mA。如果沒有勵磁電流或勵磁電流太小，可能會導致發(fā)動機在怠速或額定轉(zhuǎn)速下不發(fā)電的故障。一般是在發(fā)電機 D+端到蓄電池正極串接一個2～4 W 燈泡或相應阻值的電阻，或是并聯(lián)一定電阻的發(fā)光二極管亦可。

（4）在設計發(fā)電機線路時，必須考慮對發(fā)電機的良好保護。尤其是對保險絲、電源總開關(guān)等的設計，如保險絲容量選擇太小、電源總開關(guān)質(zhì)量差、可靠性不好，在車輛正常運行時，保險絲、電源總開關(guān)斷開等突然產(chǎn)生拋負載現(xiàn)象，將對發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器、整流二極管等電器部件造成嚴重損傷甚至損壞。

（5）發(fā)電系統(tǒng)電路各接線點必須保證連接良好，要有預防振動產(chǎn)生的各接線處松脫造成的接觸不良之措施。否則將導致接觸電阻增大，電壓降上升，影響各電器負載的正常使用；嚴重的會出現(xiàn)各電器負載功率嚴重不足，導致車輛不能正常起動。

（6）發(fā)電機在怠速狀態(tài)下，要滿足整車用電器的用電量[2]。

（7）導線規(guī)格的要求：B+端導線線徑大于6 mm2；D+端線徑為1.0 mm2；E端線徑4.0 mm2；W端線徑為1.0 mm2。

（8）空調(diào)導線與車用電器導線不得為同一導線。

（9）發(fā)電機上接線端子功能。B＋：正極端，同時接蓄電池正極和車輛用電器；E：負極，接地搭鐵；W：相輸出端，可接轉(zhuǎn)速表信號端；D+：接儀表上的充電指示燈。

5 匹配電渦流緩速器車輛的蓄電池和發(fā)電機的選擇

安裝電渦流緩速器的車輛，電渦流緩速器工作時，由蓄電池供給，當蓄電池容量下降時由發(fā)電機供給。電渦流緩速器停止工作時，發(fā)電機向蓄電池充電。車輛電渦流緩速器使用頻率越高，使用時間越長，對蓄電池和發(fā)電機的要求就越高。

5.1 蓄電池容量的確定

（1）電渦流緩速器最大電流I≤70 A時，蓄電池容量應不小于150 A·h；

（2）電渦流緩速器最大電流I>70 A時，蓄電池容量應不小于180 A·h。

5.2 發(fā)電機功率的確定

車輛安裝電渦流緩速器后，發(fā)電機的功率相應的要加大，發(fā)電機功率的計算公式如下：

式中，P指發(fā)電機所需功率（單位：W）；I1為整車用電器用電電流（單位：A）；I2為緩速器最大工作電流（單位：A）；U為發(fā)電機輸出電壓（單位：V）；k為用電系數(shù)，為0.6～0.7，緩速器長時間工作時取大值，間斷短時間工作取小值。

例如，某車型匹配電渦流緩速器額定工作電流135 A，整車用電器電流約35 A，蓄電池180 A·h，發(fā)電機為28 V，140 A，用電系數(shù)取0.7，即：

所以得出結(jié)論，該車型的電渦流緩速器、發(fā)電機和蓄電池符合匹配要求。

另外，可以根據(jù)實際經(jīng)驗公式來計算發(fā)電機功率和蓄電池是否符合要求：

式中，I為發(fā)電機的輸出電流（發(fā)電機存在轉(zhuǎn)速輸出特性，取標稱輸出最大電流的 80%）；I1為所有用電器的用電量（約為20～30 A，載重車應該比客車?。?；I2為電渦流緩速器的電流（長途客車和載重運輸車取最大電流的40%，公交車取最大電流的50%）。

例如，某電渦流緩速器的額定電流為160 A，蓄電池的額定容量為180 A·h，發(fā)電機的額定輸出電流為140 A，則：

因此該車型的電渦流緩速器、發(fā)電機和蓄電池符合匹配要求。

6 熔斷器容量的計算

熔斷器容量的計算要分連續(xù)用電器和間斷用電器兩種情況。連續(xù)用電器是指在特定條件下進行連續(xù)通電的用電器，如空調(diào)及近光燈、遠光燈等；間斷用電器是指工作時間短或斷斷續(xù)續(xù)工作的用電器，如喇叭、轉(zhuǎn)向燈，進氣加熱器等[2]。

根據(jù)經(jīng)驗公式可計算出熔斷器的容量：

式中，I0為熔斷器額定容量；I為電路最大工作電流；k為系數(shù)（長時間工作的用電器取70%，短時間工作的用電器取90%）。

用經(jīng)驗公式計算出熔斷器的容量后，再根據(jù)熔斷器的規(guī)格，選取合適的熔斷器。

例如，車輛配備的2只遠光燈是75 W，24 V，75/24×2/0.7=8.9 A，取10 A的熔斷器。

車輛配備的進氣加熱器額定電流為100 A，100/0.9=111A，取120 A的熔斷器。

7 計算導線的線徑

導線的截面積可以按下式計算獲得：

式中：I代表電流；P為功率；U為系統(tǒng)電壓；S為導線截面積；Uo為允許最大電壓降損失；ρ為銅電阻率；L為導線長度。

按照用電器的功率計算流過導線的電流，長時間工作的用電器選擇實際載流量60%的導線；短時間工作的用電器選擇實際載流量60%～100%之間的導線。允許流通電流與導線截面積關(guān)系經(jīng)驗理論值如表3所示。

一般在24 V系統(tǒng)的汽車上，發(fā)電機到起動機的導線線徑要大于6 mm2，起動機到蓄電池正極的導線為70 mm2，若匹配電渦流緩速器時選用的發(fā)電機的額定電流加大，從發(fā)電機到起動機的導線線徑應為35 mm2以上。

8 結(jié)束語

在汽車電源系統(tǒng)匹配設計時，要根據(jù)整車的用電設備的功率來匹配蓄電池和發(fā)電機的相關(guān)參數(shù)，進而確定蓄電池和發(fā)電機的規(guī)格。同時，依據(jù)車輛實際工況試驗情況，最終確定蓄電池和發(fā)電機是否符合要求。另外，本文也介紹了熔斷器和導線線徑的計算方法。