淺談汽車電源系統的電氣特性

[摘 "要] 汽車電源系統的電氣特性影響著汽車產品整車電氣系統的性能。如何安全合理地對汽車電源進行有效管理和分配，改善電源系統的電氣特性，使得眾多電氣子系統在任何負載情況下均可以正常可靠地工作是汽車電氣系統設計開發(fā)的一項重要工作。本文通過對汽車電源系統的電氣特性進行分析，提出一些改善電源系統電氣特性的方法。該方法對汽車電氣系統設計人員的電源系統設計工作有一定的指導意義。

[關鍵詞] 汽車電源系統；電氣特性；改善方法

中圖分類號：U463.63 " " " " " " 文獻標志碼：A " " " " " " 文章編號：1003-8639（2023）

The Electrical Characteristics of Automobile Power Supply System

Liu Bao-guo，Liu Zhen，Nan Zi-yuan

（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.，Ltd，Xi＇an 710020）

[Abstract] The electrical characteristics of automobile power supply system affect the performance of automobile electical system.How to manage and distribute the automobile power supply safely and reasonably ，and improve the electrical characteristics of the power supply system.It is an important task for the design and development of automobile electrical system to make multitudinous electrical subsystems work normally and reliably under any load.This paper analyzes the electrcal characteristics of the automobile power system，and puts forward the methods to improve the electrical characteristics of the power system.This method has a certain guiding significance for the power design of automotive electrical system designers.

[Keyword] automobile power supply system；electrical characteristics；improvement method

作者簡介：劉保國（1977—），男，工程師，主要負責重型汽車電氣系統的設計工作。

收稿日期：2022-11-09

近年來，隨著汽車電子技術的發(fā)展，以及用戶對汽車智能化、信息化水平要求的提高，車載電器設備的數量越來越多，對整車電氣系統性能及可靠性的要求也越來越高。如何安全合理地對整車電源進行有效管理和分配，盡可能地改善電源系統的電氣特性，使得眾多電氣子系統在任何負載情況下均可以正常可靠地工作，這對于整車電氣系統設計開發(fā)而言，成為一項非常重要的工作。提高電源系統的電氣特性已然成為整車電氣系統設計的重要組成部分。

1 "汽車電源系統

在所有汽車電氣系統中均存在著電源系統。通過電源分配工作將電源的功率正確、合理地分配給整車電氣系統中各個需要供電的設備和器件，使其可以可靠、安全地工作，并在某一電氣子系統出現故障時，可方便進行故障隔離。在現代汽車產品中，電源系統包含從發(fā)電機、蓄電池到電源分配盒，再到用電設備的互連，物理介質通常包括插接件、線纜、繼電器、熔斷器等。用電設備互連時電源路徑和返回路徑之間存在著電容，用電設備不僅有照明燈、進氣加熱器等這種阻性負載，還有繼電器、電機等這種感性負載，從而決定了汽車電源系統必然具有電阻特性、電感特性和電容特性。

2 "電源系統的主要電氣特性

2.1 "電阻特性

電阻作為表征導體對直流電流阻礙作用的物理量，是導體本身的特性，其主要物理特征為：當有電流流過導體時將電能轉化為熱能，并在其兩端產生直流壓降。在電源系統中，線纜和插接件均存在著直流電阻，線纜和接線端子間的壓接及配對插接件間的對插連接均存在著接觸電阻，這些電阻在有電流流過時，均會產生直流壓降和熱損耗效應。直流壓降效應會導致電源電壓沿著電源分配網絡而逐漸降低，從而造成用電器件電源端口電壓的降低，從而引起電源完整性問題。熱損耗效應將電源的功率轉換為熱，從而降低了系統的效率，同時造成導體溫度升高。若某些局部溫度過高還會造成接線端子出現燒蝕，甚至會造成線束或線束插接器燒毀。因此，減小電源系統的電阻特性是電源系統設計的目標之一。對于那些對供電電壓波動要求比較嚴苛的設備，如電子控制器單元的供電，這一點則應特別注意。

2.2 "電感特性

電感為表征導體對交變電流阻礙作用的物理量。當導體中有電流通過時，在導體周圍會形成磁場，當通過導體的電流發(fā)生變化時，磁場也會隨之變化，這種變化的磁場會在導體的兩端形成感應電壓，而該電壓的極性將使所產生的感應電流阻礙原電流的變化，這種阻礙電流變化的作用稱之為電感。當導體周圍的其他導體中有電流變化而引起該導體周圍的磁場變化時，同樣也會在該導體中產生感應電壓，該電壓的極性將使所產生的感應電流阻礙原電流的變化，這種阻礙電流變化的作用稱之為互感。這種互感具有對稱性和互感小于自感的特性，其中對稱性表現為2個導體中的互感同等共有。由互感和自感引起的感應電壓可以引起傳輸線效應、突變、串擾、同步開關噪聲和電磁干擾，從而影響電源電壓的穩(wěn)定傳輸。在電源系統中，電感普遍存在，插接件、線纜等均存在電感，同時相互靠近的導體之間存在互感。如果以支路a表示電源路徑，以支路b表示返回路徑，則Va表示電源路徑上的電源噪聲，Vb表示返回路徑上的軌道塌陷/地彈噪聲，這兩種噪聲均會導致供電電壓的不穩(wěn)定。因此，在電源系統設計時，應盡量最小化上述的兩種電壓，如在繼電器負載的兩端并聯續(xù)流二極管、CAN線采用屏蔽雙絞線、增大弱電和強電傳輸線間的距離等，以減小電感特性對電源分配系統的影響。

2.3 "電容特性

電容是對2個導體在一定電壓下存儲電荷能力的度量。如果給2個導體分別加上正電荷和負電荷，則2個導體之間就會存在電壓。這對導體的電容量就是單個導體上所存儲的電荷量與導體間電壓的比值。當2個導體間的電壓發(fā)生變化時，這2個導體之間會有電流通過，當dV/dt保持不變時，電容量C越大，流過電容的電流就越大。當電容C足夠大時，只要很小的電壓變化就可以提供足夠大的電流。利用該電容特性可以為負載提供瞬態(tài)電流，阻礙電壓瞬態(tài)變化，從而有益于負載供電端口的電源完整性。在汽車的電源分配系統中，電源路徑和返回路徑之間存在著電容。當負載電流不變時，其電流由穩(wěn)壓電源部分提供，此時電容兩端電壓與負載兩端一致；當負載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時，必須在極短的時間內為負載提供足夠的電流，但是電源無法很快響應負載電流的變化，即電流不會馬上滿足負載瞬態(tài)電流要求，負載的電壓則會降低。但是由于電容電壓與負載電壓相同，因此電容兩端存在著電壓變化，這種電壓變化對于電容來說必然產生電流，此時電容對負載放電，從而為負載提供瞬態(tài)電流，并阻礙電壓的瞬態(tài)變化。所以，在電源系統設計時，應增強電源系統的電容特性。在汽車電源系統中，蓄電池就可以等效為一只大的電容器，對電源比較敏感的系統可采用蓄電池極柱接線供電。

3 "對改善汽車電源系統電氣特性的一些思考

電源系統的電阻特性和電感特性對電源系統的設計是有害的，電容特性對電源系統的設計是有益的。在進行電源系統設計時，應減小甚至消除電阻特性和電感特性的影響，增強電容特性的影響。通?？蓮膬煞矫嫒胧郑阂环矫媸潜M可能減小回路電流的變化率，減小負載汲取電流的突變速度，限制共用電源路徑和返回路徑的供電端口的數目；另一方面是盡可能減小支路總電感，減小支路的局部自感和增大兩支路之間的局部互感，減小支路的局部自感意味著需使用盡可能短、盡可能寬的電源路徑和返回路徑，增大局部互感則意味著需使兩條支路在平行且反向的前提下盡可能地靠近。

一般對于CAN線、車速里程表傳感器線束、油門踏板線束等這些存在敏感信號的線束采用屏蔽雙絞線或雙絞線。采用雙絞線可降低自身信號對外的干擾以及抵御部分外界的電磁干擾，降低了信號干擾的程度。2根絕緣的導線絞合在一起可以在接收信號時把差分電路的共模信號消除。2根絕緣的銅導線按一定密度互相絞合在一起，每一根導線在傳輸中輻射出來的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消，提高了信號的品質，降低了出錯率。同時，在感性負載電路中，可設置續(xù)流二極管或消耗電阻，以消除感性負載通斷電時電感特性表現出的對其他用電器正常工作的影響。

以上改善電源系統電氣特性的方法對汽車電氣系統設計人員的電源系統設計工作有一定的指導意義。

（編輯 "楊 "景）