整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法探索

羅校軍 胡盛弟

【摘 要】文章介紹了整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，起動(dòng)機(jī)、蓄電池及發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)校核的方法。保證電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理有效，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試環(huán)節(jié)提供理論保障。

【關(guān)鍵詞】整車電源系統(tǒng);起動(dòng)機(jī);蓄電池;發(fā)電機(jī);整車供電平衡

【中圖分類號(hào)】U463.63 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）12-0062-02

0 引言

整車電源系統(tǒng)部件一般包括起動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)及蓄電池。三者之間有著緊密的聯(lián)系：起動(dòng)機(jī)主要用于啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，而蓄電池提供起動(dòng)機(jī)工作時(shí)的電能，發(fā)電機(jī)則是為整車用電器提供電能，同時(shí)給蓄電池充電。起動(dòng)機(jī)、蓄電池及發(fā)電機(jī)選型匹配是否合適，從整車角度來看，影響整車的啟動(dòng)性能、成本及油耗;從零部件角度來看，不僅嚴(yán)重影響蓄電池的使用壽命，還會(huì)對(duì)整車用電器正常性能造成影響。

1 起動(dòng)機(jī)校核

起動(dòng)機(jī)主要作用是拖動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)轉(zhuǎn)并使發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到自行穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，因此不僅要求起動(dòng)機(jī)工作時(shí)可以提供足夠的扭矩，同時(shí)還要求啟動(dòng)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到可以維持正常運(yùn)行的最低轉(zhuǎn)速。如果起動(dòng)機(jī)選型不合理，會(huì)影響到整車的啟動(dòng)性能。

一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)選定之后，起動(dòng)機(jī)基本上也已經(jīng)選定，因此我們需要對(duì)選定的起動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能進(jìn)行校核，校核前需要收集的關(guān)鍵信息有以下幾個(gè)方面：①發(fā)動(dòng)機(jī)在-30 ℃環(huán)境下，剛好能啟動(dòng)并維持正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最低轉(zhuǎn)速NE;②發(fā)動(dòng)機(jī)在-30 ℃環(huán)境下，穩(wěn)態(tài)拖動(dòng)的反扭矩TE;③發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪與起動(dòng)機(jī)帶輪齒數(shù)比i;④起動(dòng)機(jī)特性曲線（如圖1所示）。

其中，起動(dòng)機(jī)提供的扭矩為TS，起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為NS。根據(jù)起動(dòng)機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)配合的原理，我們可以得到以下兩個(gè)公式：

NS=NE×i（1）

TS=TE/i（2）

通過已知的TE、i，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的TS，通過TS讀取起動(dòng)機(jī)特性曲線，得到起動(dòng)電流IS，再通過IS讀取對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速NS。對(duì)比NS與NE×i，校核起動(dòng)機(jī)性能：如果NS≥NE×i，則表明該起動(dòng)機(jī)可以驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到自行穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，而如果NS

2 蓄電池選型校核

蓄電池的主要作用是在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)給起動(dòng)機(jī)及點(diǎn)火系統(tǒng)供電，并在發(fā)電機(jī)發(fā)生故障不工作或者發(fā)電量不足的情況下給整車用電器供電，以及在車輛鎖車靜置時(shí)維持各控制器存儲(chǔ)、記憶等模塊的電流消耗。蓄電池選型不合理，不僅會(huì)影響整車啟動(dòng)性能與整車靜置時(shí)長，也會(huì)對(duì)蓄電池本身的使用壽命造成影響。如果因?yàn)樾铍姵氐脑蚴褂脩粲龅杰囕v無法啟動(dòng)、短時(shí)間更換蓄電池等問題，不僅對(duì)用戶本身造成極大的困擾，也會(huì)對(duì)汽車品牌的口碑造成影響。

2.1 蓄電池類型的選擇

根據(jù)不同類車型對(duì)蓄電池的功能需求與對(duì)蓄電池的充電邏輯選擇蓄電池的類型，使所選蓄電池達(dá)到性能可靠又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的目的。例如：?jiǎn)⑼７禽p混車型的蓄電池類型選擇與整車成本有關(guān)，成本上EFB更優(yōu)，性能上AGM更優(yōu);EV車的蓄電池類型選擇與蓄電池的充電邏輯有關(guān)，如果某車型對(duì)蓄電池充電的邏輯為當(dāng)蓄電池電量低于某個(gè)閾值時(shí)再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，則需要選用AGM蓄電池。各車型可選蓄電池類型見表1。

2.2 蓄電池性能校核

2.2.1 蓄電池冷啟動(dòng)性能校核

蓄電池主要作用是在整車啟動(dòng)過程中為起動(dòng)機(jī)提供電能，因此校核蓄電池的冷啟動(dòng)性能需要結(jié)合起動(dòng)機(jī)相關(guān)的特性參數(shù)。需要校核兩個(gè)方面：①蓄電池的低溫冷啟動(dòng)電流（CCA）;②蓄電池的內(nèi)阻。整車起動(dòng)時(shí)，蓄電池不可能都是滿電狀態(tài)，因此需要選擇一個(gè)電量（SOC）狀態(tài)下的蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行校核。

校核條件：環(huán)境溫度為-30 ℃，預(yù)選蓄電池電量為80%。

已知條件：發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪與起動(dòng)機(jī)帶輪齒數(shù)比i;發(fā)動(dòng)機(jī)在-30 ℃環(huán)境下，穩(wěn)態(tài)拖動(dòng)的反扭矩TE;起動(dòng)機(jī)到蓄電池線束回路電阻RC;起動(dòng)機(jī)特性曲線（如圖1所示）;預(yù)選蓄電池在80%電量、-30 ℃條件下的端電壓U與內(nèi)阻RB。

校核過程如下：通過TS=TE/I，得到起動(dòng)時(shí)起動(dòng)機(jī)需要提供的扭矩，通過圖1與TS值查出起動(dòng)電流IS、起動(dòng)機(jī)端電壓US。假設(shè)起動(dòng)機(jī)可正常起動(dòng)所需要蓄電池的內(nèi)阻為RB1，起動(dòng)回路電壓公式如下：

U=US+RC×IS+RB1×IS（1）

可得

RB1=（U-IS×RC-US）/IS（2）

要求IS

2.2.2 蓄電池額定容量（C20）校核

為保證車輛在經(jīng)過長時(shí)間不使用或運(yùn)輸后仍能正常啟動(dòng)，要求車輛在不斷掉負(fù)極電纜的情況下，靜置42 d后仍能正常啟動(dòng)，即要求蓄電池因整車靜態(tài)電流、蓄電池自耗電導(dǎo)致電量消耗后的剩余電量，仍能滿足起動(dòng)機(jī)最低啟動(dòng)要求?？紤]到車輛開始靜置時(shí)蓄電池可能不是100%的電量（設(shè)為80%），以及常溫下蓄電池電量低于30%就存在無法啟動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，蓄電池每天的自損耗約為容量的2‰，同時(shí)收集整車靜態(tài)電流I（單位為A），所以蓄電池額定容量需要滿足：

80%C20-I×42×24-2‰C20×42≥30%C20（1）

公式轉(zhuǎn)化后可得：

C20≥（I×42×24）/（80%-30%-84‰）（2）

3 發(fā)電機(jī)校核

發(fā)電機(jī)主要是在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后為整車用電器提供電源及為蓄電池進(jìn)行充電，因此發(fā)電機(jī)發(fā)電量必須滿足整車用電器用電需求和蓄電池充電需求。由于發(fā)電機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)帶輪帶動(dòng)發(fā)電，因此如果發(fā)電量超過整車用電需求太多，不僅造成發(fā)電機(jī)成本偏高，也會(huì)使得燃油白白浪費(fèi)，影響整車油耗及動(dòng)力性能。如果發(fā)電機(jī)發(fā)電能力低于整車用電需求，無剩余的電量為蓄電池充電，這將使蓄電池的壽命大大縮短。因此，對(duì)整車供電平衡進(jìn)行校核是十分必要的。

整車用電器在不同時(shí)間段、不同工況下的使用頻率有所不同。按經(jīng)驗(yàn)將用電器的這種不同的使用頻率設(shè)置成頻度系數(shù)k，并列出最高耗電工況下用電器的用電需求和頻度系數(shù)，見表2。

因此，夏季怠速、夏季行駛工況整車用電需求分別如下：

I總1 =（IA×KA1+IB×KB1+…）×1.2（1）

I總2 =（IA×KA2+IB×KB2+…）×1.2（2）

其中，1.2為供電安全系數(shù)。

發(fā)電機(jī)夏季怠速與夏季行駛工況發(fā)電量通過發(fā)電機(jī)輸出曲線得到（如圖2所示）。

夏季怠速工況，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為N1，一般為1 800～2 000 r/min。夏季行駛工況，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為N2，轉(zhuǎn)速一般為5 000～6 000 r/min。在N1、N2轉(zhuǎn)速下讀取發(fā)電機(jī)發(fā)電量為I1、I2，并對(duì)比I1與I總1、I2與I總2，發(fā)電機(jī)發(fā)電量比整車用電需求大5 A左右為合理。通過該方法校核整車供電平衡，選用合適的發(fā)電機(jī)，既不會(huì)造成燃油和動(dòng)力性能的浪費(fèi)，也不會(huì)對(duì)蓄電池壽命和整車用電器性能造成影響。

4 結(jié)語

本文從起動(dòng)機(jī)性能校核、蓄電池選型校核及發(fā)電機(jī)供電平衡校核3個(gè)方面對(duì)整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法做了探索說明。此外，在整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電壓降、電壓波動(dòng)等項(xiàng)目也是測(cè)試校核的內(nèi)容。理論校核是設(shè)計(jì)的前期環(huán)節(jié)，整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，還需要通過實(shí)驗(yàn)、測(cè)試環(huán)節(jié)進(jìn)行最終驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鄧恒.整車開發(fā)過程中供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[J].內(nèi)燃機(jī)，2006（12）：29-32，36.

[2]王鼎鼎.汽車電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].上海汽車，2013

（9）：27-30.

[3]徐云云，張鐵柱，朱智富.汽車電源系統(tǒng)分析[J].汽車電器，2005（4）：1-4.