汽車12V低壓電源系統(tǒng)選型設計與分析

袁中勝，楊 曦

（1.北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 100021；2.北京汽車集團越野車有限公司，北京 101300）

隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展，整車用電量需求日益增加，且整車對低壓12V電源系統(tǒng)的性能要求更加嚴苛，對其質(zhì)量、成本控制要求更精確。根據(jù)整車的功率流向不同，可將整車分為4種不同類型。本文根據(jù)上述不同分類對整車低壓12V電源系統(tǒng)相關(guān)零件的選型設計進行詳細分析闡述，包括12V蓄電池、12V發(fā)電機、DC／DC直流轉(zhuǎn)換模塊的選型設計。

1 整車12V蓄電池選型設計

由圖1可知，整車12V蓄電池在不同車型中的作用不同，因此其選型原則不同。對于傳統(tǒng)燃油車和混合動力車型Ⅰ，整車12V蓄電池 （本文中稱為起動型12V蓄電池）的選型主要考慮因素：①保證發(fā)動機正常起動；②保證整車靜態(tài)電流需求。對于純電動汽車和混合動力車型Ⅱ，由于此類型車輛中無12V起動機，因此12V蓄電池 （本文中稱之為非起動型12V蓄電池）選型時主要考慮保證整車靜態(tài)電流需求。

圖1 整車低壓12V電源系統(tǒng)簡圖

1.1 起動型12V蓄電池選型設計

蓄電池容量的大小取決于起動機及發(fā)動機的相關(guān)參數(shù)，其選型的輸入條件如表1所示，當起動機轉(zhuǎn)速達到830.4 r／min （80×10.38） 以上且起動機力矩達到0.59kgm （60／10.38／9.8）以上時，才能滿足起動發(fā)動機。

表1 起動機、發(fā)動機相關(guān)參數(shù)信息

圖2 某車型起動機的輸出特性曲線

根據(jù)以下經(jīng)驗公式初步計算出起動發(fā)動機所需要的蓄電池容量［3］。

式中：Q——蓄電池容量 （20h），Ah；μ——經(jīng)驗系數(shù)，范圍為450～600［3］；P——發(fā)動機所需起動機的功率，1.1～1.3kW。此功率參數(shù)在以往文章中僅是起動機的額定功率，但是用此經(jīng)驗公式通過起動機的額定功率計算出的蓄電池容量偏大，造成不必要的設計成本浪費。本文通過起動阻力矩、起動轉(zhuǎn)速參數(shù)并結(jié)合圖2得出一個發(fā)動機所需起動機的功率區(qū)間進行計算，因此進一步提高了12V蓄電池容量選擇的準確性。U——汽車低壓電源系統(tǒng)電壓，12V。則蓄電池初算容量為Q=（41.25～65）Ah。

另外，根據(jù)整車VTS指標，汽車鎖車靜置一定周期后仍然能夠正常起動。北汽要求鎖車靜置30天后蓄電池能正常起動發(fā)動機，而本例中整車靜態(tài)電流值目標為15.5mA，則根據(jù)公式 （2） 可以得出蓄電池容量最小值［4］：

式中：t——整車處于鎖車靜態(tài)放置天數(shù)；Q——蓄電池的20h率額定容量，Ah；I靜——整車靜態(tài)電流目標值，15.5mA。

以上公式計算得：Q≥50.73Ah。

綜合以上兩公式，12V蓄電池容量的計算結(jié)果為50.73～65Ah。

發(fā)動機起動是由12V起動機來帶動的，發(fā)動機要運轉(zhuǎn)起來，就需要起動機提供足量的扭矩來克服發(fā)動機阻力矩且?guī)影l(fā)動機轉(zhuǎn)速達到最低起動轉(zhuǎn)速。參考表1相關(guān)信息，起動機所需電流值應大于低溫起動阻力矩 （60Nm）對應的起動機電流I1，小于最低起動轉(zhuǎn)速 （80r／min）對應的起動機電流值I2。由圖2可知：I1=187.5A，I2=337.5A。因此常溫下起動機起動發(fā)動機所需要電流要介于187.5A與337.5A之間。根據(jù)以下經(jīng)驗公式換算成-18℃時的冷起動能力：

式中：I常溫——常溫下起動機所需要的起動電流，A；I1——低溫起動阻力矩對應的起動電流，A；I2——最低起動轉(zhuǎn)速對應的起動電流，A；I-18℃——在-18℃時起動機所需要的起動電流，A。

計算得到：312.5A≤I-18℃≤562.5A。

通過以上計算，起動型12V蓄電池容量應為50.73～65Ah，冷起動能力應為312.5A≤I-18℃≤562.5A。而根據(jù)某蓄電池供應商提供的部分蓄電池產(chǎn)品規(guī)格，結(jié)合考慮整車成本、質(zhì)量要求，最終確定蓄電池的規(guī)格為：12V，55Ah，下固定方式，其低溫起動能力為530A。

在整車設計開發(fā)階段，為了驗證12V蓄電池型號選擇的正確性，首先需要進行環(huán)境艙整車冷起動試驗。將車輛靜置在低溫實驗室，保持低溫-30℃至少6個小時以上，然后進行起動試驗，要求起動過程中蓄電池電壓不得低于7.5V，起動時間不大于5s。測試結(jié)果如圖3～圖5所示。

由圖3～圖5可知，在冷起動時，12V蓄電池最低電壓為8V，起動電流最大達到523.4A，起動時間為4.6s。根據(jù)上述試驗結(jié)果可知，本車型12V蓄電池滿足整車需求。

圖3 冷起動時蓄電池端電壓

圖4 冷起動時起動機電流

圖5 冷起動時發(fā)動機轉(zhuǎn)速

另外，除了上述的整車環(huán)境倉冷起動試驗外，整車還需要進行高溫、高原、高寒三高試驗、綜合耐久試驗、質(zhì)保路試試驗等。在上述試驗過程中均未出現(xiàn)蓄電池饋電故障，因此本例中車型12V蓄電池選型合理。

1.2 非起動型12V蓄電池選型設計

本文中純電動車和混合動力車型Ⅱ中沒有專門用于發(fā)動機起動的12V起動機，因此12V蓄電池選型時無需考慮與發(fā)動機起動相關(guān)的因素，主要考慮滿足整車靜態(tài)電流需求。對于此類車型所用的12V蓄電池，目前市場上的主流方案：①沿用傳統(tǒng)的起動型12V鉛酸蓄電池；②開發(fā)應用12V鋰離子蓄電池［5］。此兩種蓄電池各有利弊，傳統(tǒng)的起動型12V鉛酸蓄電池市場應用廣、技術(shù)成熟、成本較低，但是其自身質(zhì)量較大，且其放電深度嚴重影響其使用壽命，在純電動車和混合動力車型Ⅱ中一般要求其放電深度不超過50%；而12V鋰離子蓄電池，能量密度大、相同容量下自身質(zhì)量大大減小、放電深度可達80%且對循環(huán)壽命影響較小，但是其成本較高、市場普及度不高。根據(jù)以上兩種類型的蓄電池特點，以整車靜態(tài)電流目標值為20mA的車型為例，分別闡述其選型計算方法。

1.2.1 低壓12V鋰離子蓄電池選型

由于鋰離子蓄電池本身有較好的充放電性能，因此選型時考慮其放電深度為80%，則根據(jù)公式 （5）可得出12V鋰離子蓄電池的最小容量［4］：

式中：t——整車處于鎖車靜態(tài)放置天數(shù)，30天；Q——蓄電池20h率額定容量，Ah；I靜——整車靜態(tài)電流目標值，20mA。

以上計算得：Q≥21.5Ah，因此可選擇25Ah鋰離子蓄電池。

1.2.2 傳統(tǒng)12V鉛酸蓄電池選型

純電動車和混合動力車型Ⅱ的12V鉛酸蓄電池由于對較大的起動電流參數(shù)沒有要求，且此類蓄電池放電深度會嚴重影響其循環(huán)壽命，因此對于此類車型的12V鉛酸蓄電池選型時一般要求其放電深度不超過50%，則根據(jù)公式 （6）可得出12V鉛酸蓄電池的最小容量［4］：

式中：t——整車處于鎖車靜態(tài)放置天數(shù)，30天；Q——蓄電池20h率額定容量，Ah；I靜——整車靜態(tài)電流目標值，20mA。

以上計算得：Q≥38.9Ah，因此可選擇40Ah或45Ah鉛酸蓄電池。

以上兩種選型方案，均未考慮12V蓄電池的智能充電策略。如果純電動車和混合動力車型Ⅱ中配備智能充電策略，即整車在高壓充電時或休眠后長時間停放時，當檢測到低壓12V蓄電池電量低時，自動啟動DC／DC直流轉(zhuǎn)換模塊對12V蓄電池充電，因此12V蓄電池選型時，可根據(jù)具體充電策略進一步降低容量大小，減少整車質(zhì)量及整車成本。

2 低壓12V發(fā)電機、DC／DC選型設計

由圖1可知，對于整車低壓12V用電器及12V蓄電池來說，傳統(tǒng)燃油車的12V發(fā)電機與純電動車及混合動力車的DC／DC直流轉(zhuǎn)換模塊作用是一致的，即提供低壓12V電源。因此12V發(fā)電機與DC／DC模塊的選型依據(jù)及選型計算方法基本是一致的。

2.1 低壓12V發(fā)電機選型設計

12V發(fā)電機選型設計的主要依據(jù)是整車各類用電器用電總量值。本文通過引入汽車行業(yè)常用的電器使用頻度系數(shù)來計算不同季節(jié)及不同的行車環(huán)境中的整車用電量。在此用μ0、μd、μx分別表示用電器無季節(jié)氣候影響、冬天及夏天的使用頻度系數(shù)［4］。本文所涉及的北汽某傳統(tǒng)燃油車型的用電器負載電流值如表2所示。

表2 整車用電器負載電流

如表2整車各用電器的負載值，再結(jié)合使用頻度系數(shù)，由公式 （7）可估算出不同工況下的整車用電量［6］：

式中： μi——使用頻度系數(shù)；Ii——工作電流，A；I等效——整車等效電流值，A。

以上可計算得到表2中涉及的怠速、夏季、雨夜等6種不同工況下整車等效用電量。在保證滿足整車低壓12V用電需求的基礎上，應選擇盡量小的發(fā)電機。因為發(fā)電機越大，與其相連接的線束導線越粗，造成整車成本及質(zhì)量均增加。

根據(jù)表2所示的6種不同工況下的整車等效用電量選定發(fā)電機各參數(shù)：①額定電壓：13.5V；②額定輸出電流：110A；③傳動比：2.46。發(fā)電機輸出性能如圖6所示。

圖6 發(fā)電機輸出特性曲線

2.2 DC／DC直流轉(zhuǎn)換模塊選型設計

上文中詳細闡述了12V發(fā)電機的選型過程，而純電動汽車和混合動力汽車的DC／DC直流轉(zhuǎn)換模塊的選型也是按照上述方法以不同工況下整車等效用電量為依據(jù)進行確定。12V發(fā)電機的輸出電量根據(jù)整車用電需求確定，但是受發(fā)動機轉(zhuǎn)速大小限制，轉(zhuǎn)速較低時發(fā)電量低，因此上文中需要計算不同怠速工況下的整車12V等效用電量；而DC／DC直流轉(zhuǎn)換模塊在其最高輸出能力的范圍內(nèi)完全按照整車用電需求輸出電量，因此DC／DC選型時其大小跟整車怠速與否無關(guān)，僅考慮上文表2中的夏季雨夜、冬季雪夜和平常夜間3種工況。由于計算方法相同，因此不再舉例闡述DC／DC的選型過程。

3 整車低壓12V電平衡分析

汽車12V電源系統(tǒng)的設計關(guān)鍵是在整車運行過程中12V蓄電池充放電量、12V發(fā)電機發(fā)電量或DC／DC模塊輸出電量、整車12V用電器用電量三方面達到動態(tài)平衡狀態(tài)。以傳統(tǒng)燃油車為例，當鉛酸蓄電池電量剩余65%時，汽車仍能滿足整車正常啟動，且一般蓄電池初始容量為90%，因此分析整車電平衡時，要以25%蓄電池容量可補充整車用電量的時間長短為依據(jù)?？紤]到各類工況下允許蓄電池放電，且要求25%蓄電池容量可補充整車用電器用電時間要大于1h。根據(jù)表2整車用電器負載電流及圖6發(fā)電機輸出特性曲線，計算得出表3整車電平衡計算結(jié)果。

表3 傳統(tǒng)燃油車整車低壓電平衡計算結(jié)果

根據(jù)表3可知，在傳統(tǒng)燃油車的6種典型工況下，只有在怠速 （開空調(diào)）和夏季雨夜兩種工況下，蓄電池需要向整車用電器補充提供電量，而且由于25%蓄電池容量可補充的時間分別為9.2h和1.96h，滿足大于1h的要求。因此，本例中傳統(tǒng)燃油車所選12V蓄電池和12V發(fā)電機均能滿足整車低壓電平衡性能要求。

由于純電動汽車和混合動力汽車的DC／DC在其輸出能力范圍內(nèi)按照整車12V用電需求輸出電量，DC／DC直流轉(zhuǎn)換模塊輸出電量不受發(fā)動機轉(zhuǎn)速制約，對于此類車型的低壓電平衡分析時是沒有發(fā)動機怠速工況。因此純電動汽車和混合動力汽車的低壓電平衡分析時只考慮夏季雨夜、冬季雪夜和平常夜間3個極限工況。另外，對于本文中的純電動車和混合動力車型Ⅱ在進行電平衡分析時，由于其12V蓄電池不同類型可達不同的放電深度，如傳統(tǒng)鉛酸12V蓄電池有40%電量可用作補充放電，12V鋰離子蓄電池有70%可用作補充放電。因此不同類型整車根據(jù)其實際情況進行電平衡分析，在此不一一詳細闡述每種車型的分析過程。

4 總結(jié)

結(jié)合整車開發(fā)項目，通過本文中所述計算分析方法選定整車低壓12V電源系統(tǒng)，并通過了環(huán)境艙整車冷起動試驗、三高試驗、綜合耐久試驗等一系列試驗驗證合格，本文所論述方法為后續(xù)車型開發(fā)提供理論依據(jù)，但是也有待完善的地方，比如整車電平衡的實車測試理論及方法需要后續(xù)補充完善。