輕型混合動力商用車低壓電氣系統(tǒng)設計

賈文勇，董廣宇，任瑞龍

（中國第一汽車股份有限公司技術中心，吉林 長春 130011）

如何降低汽車能源消耗和解決環(huán)境污染問題，成為目前汽車發(fā)展的重要課題，混合動力汽車被認為是汽車工業(yè)近期應對能源和環(huán)境問題的最主要對策和最現實的選擇之一。作為未來電動汽車或可再生資源汽車時代到來之前的一種過渡產品，其在節(jié)能和環(huán)保方面具有明顯的優(yōu)勢。在國內隨著混合動力客車、轎車進入市場，對適合市政使用的混合動力輕型商用車的需求也越來越迫切。

1 某輕型混合動力商用車整車描述

某輕型混合動力商用車采用自主開發(fā)的CA4DD改進型發(fā)動機，電控國Ⅳ系統(tǒng)，匹配EGR+POC尾氣后處理系統(tǒng)，5檔AMT變速器和雙電機混合動力系統(tǒng)。整車主要基本參數如表1所示。

表1 混合動力商用車整車基本參數

1.1 輕型混合動力商用車構型選擇

該輕型混合動力商用車的構型方案為Ⅰ軸電機+Ⅱ軸電機的雙電機強混構型，采用自主開發(fā)的AMT自動變速器，動力系統(tǒng)構型如圖1所示。

1.2 驅動模式、各個總成工作狀態(tài)及其能量傳遞

輕型混合動力商用車的驅動模式及各個總成工作狀態(tài)如表2所示，部分驅動模式下動力系統(tǒng)能量傳遞示意圖如圖2所示。

1.3 控制策略

輕型混合動力商用車整車的控制策略如圖3所示，各總成的三維布置如圖4所示。

表2 驅動模式及各總成工作狀態(tài)

1）在低車速 （≤40 km／h）時，純電動行駛，消除發(fā)動機起車、加速和低速時的高油耗。

2）中、高車速時采用發(fā)動機單獨驅動的模式行駛，當需要高速高負荷時，主電機 （Ⅱ軸電機）進行助力實現聯合驅動；當需要負荷較低時，輔電機 （Ⅰ軸電機）發(fā)電以提高發(fā)動機負荷，即進入發(fā)動機驅動且發(fā)電的模式，發(fā)動機始終工作在經濟工況區(qū)。

3）制動時在滿足制動法規(guī)的前提下，優(yōu)先由主電機進行制動能量回收，不足的制動力部分由液壓制動補充，使燃油經濟性進一步得到提高。

2 整車低壓電氣系統(tǒng)設計

2.1 整車低壓系統(tǒng)電平衡計算

低壓系統(tǒng)電平衡是考核發(fā)電機、蓄電池以及用電設備之間匹配設計合理性的主要方法與手段，保證發(fā)電機在滿足用電設備使用的同時還要為低壓蓄電池充電。發(fā)動機經濟轉速為1 000～2 400 r／min，發(fā)電機與發(fā)動機傳動比為2.36，計算整車冬季常用電負荷為41.6 A，行駛過程中發(fā)電機需要給蓄電池充電，需預留I充=10%×蓄電池容量=12A，確定整車匹配55 A整體式交流發(fā)電機。根據圖5發(fā)電機熱態(tài)輸出可以看出滿足設計需求。

2.2 低壓蓄電池容量確定

蓄電池的容量是以Ah來定義的，即在多少安培的電流強度下放電持續(xù)時間的乘積。舉例來說，某蓄電池在1A的電流強度下能放電120 h，則該蓄電池的容量就是120 Ah。蓄電池容量確認參數如表3所示。

表3 蓄電池容量確認參數表

根據表3所述參數，考慮蓄電池容量在實際使用中要有余量以及低溫試驗的情況，整車匹配120 Ah的蓄電池，該蓄電池在實車上通過了寒區(qū)-30℃冷起動試驗。

2.3 整車靜電流的預分配與測試

靜態(tài)電流是指車輛斷開點火開關后，連接蓄電池常電的一些電氣設備仍然有電流消耗，電流數值通過優(yōu)化可以調整但不可消除，為了保證車輛在放置一段時間后能正常起動，需要對整車靜態(tài)電流大小進行規(guī)定限制。整車低壓電氣系統(tǒng)設計時，靜態(tài)電流按一定的規(guī)則進行要求，因某輕型混合動力商用車蓄電池容量采用120Ah，通過相應規(guī)則計算出整車靜態(tài)電流要小于28.6mA。靜態(tài)電流規(guī)定后，需對存在靜態(tài)電流的裝置進行預分配。

點火開關處于OFF檔后，將蓄電池負極斷開并停車10min，將電流表調節(jié)到安培檔后串聯在蓄電池負極與車架搭鐵之間，待電流表顯示穩(wěn)定后將毫安檔萬用表并入安培檔萬用表兩端，斷開安培檔萬用表，之后由電源配電盒開始依次拔熔斷絲來確定電源配電盒內主要的靜態(tài)電流分支線，觀察電流表靜態(tài)電流的變化情況，如表4所示。

表4 某輕型商用車靜態(tài)電流的測試

2.4 整車低壓系統(tǒng)電線束設計

電線束是汽車電路的網絡主體，是連接汽車內部電源、起動、照明、信號、儀表及輔助電氣裝置并發(fā)揮其功能的零件，其設計流程如圖6所示。

2.4.1 熔斷器的分配

在確定普通熔斷器分配方案之前，一般要根據電氣功能來確定熔斷器數量，然后對已確定的熔斷器進行合理分配。分配原則是：一個熔斷器帶一個負載。當熔斷器熔斷后，盡量不影響或少影響其他負載工作。設定熔斷器的目的是保護其下游導線，為此開發(fā)了帶有40路熔斷器的熔斷絲盒與24路熔斷器的電源配電盒。

2.4.1.1 熔斷絲盒設計與熔斷器分配

熔斷絲盒總成是駕駛室內電源系統(tǒng)的熔斷器、繼電器和車身電氣件的電源匹配中樞，主要是對駕駛室內與底盤上的中、低電流用電器線束的保護，如圖7所示。

2.4.1.2 電源配電盒設計與熔斷器分配

電源配電盒總成是整車電源系統(tǒng)的大電流熔斷器、小電流熔斷器和底盤、發(fā)動機電氣件的電源匹配中樞，它主要是對車身、底盤和發(fā)動機上的大電流和部分小電流用電設備的線束做保護，如圖8所示。

2.4.2 整車低壓電線束設計原則

1）完整正確地體現整車電氣系統(tǒng)功能，首先根據電氣原理圖和整車電氣零部件的分布位置，考慮合理的線路走向，需三維布置做支持，如圖9所示。

2）根據車型的需要設計成整體或分組分段的電線束，例如DC／DC的電源輸出和輸入線。

3）根據汽車電線束所處的工作環(huán)境及在汽車內的空間布置，合理選擇導線類型、插接器、外部保護層和固定方式 （耐磨、耐熱、防水、防塵和抗振等），如圖10所示。

4）在設計過程中盡量減少連接點和過渡接頭，這樣對提高電線束品質，減少故障點大有益處。

5）對汽車上一些較敏感的傳感器信號應增加防干擾措施，如使用雙絞線或屏蔽線。

6）同一個插接器中盡量避免有規(guī)格、顏色相同的導線。

7）汽車電線束中的連接點要采用星形接法或并連接法，重要總成和部件 （ABS等）的搭鐵線單獨接到蓄電池負極等，保證整車電氣系統(tǒng)可靠工作。

2.5 整車低壓部分CAN網絡設計

整車的電氣網絡采用CAN總線模式，設置2個CAN網絡，分別為A網和B網。如圖11所示的某輕型混合動力商用車CAN網絡拓撲圖。

CAN總線的總長度應≤40m，節(jié)點與總線間距最長不超過1 m，節(jié)點間距離最小為0.1 m。為提高抗干擾能力，CAN信號線采用屏蔽雙絞線，信號傳播延遲時間小于或等于5 ns／m，線芯截面積為0.5～0.75mm2，絞線率為30mm，屏蔽線必須采用一點搭鐵，否則將會影響CAN通信效果。搭鐵原則：①連接到最小噪聲點；②使用盡可能低的阻抗連接；③搭鐵點盡可能接近網絡中點。實際布線時節(jié)點與總線間的距離應盡可能短，為了減小駐波，網絡上各ECU不能等距布置，節(jié)點與總線之間距離不應完全相同。

3 整車低壓電氣系統(tǒng)回路測試

回路測試的目的是確保在整車低壓電線束設計中熔斷絲和線徑選擇的合理性，并且確保電線束的選擇與熔斷絲額定值之間相匹配。回路試驗不能在多種溫度狀態(tài)下驗證熔斷絲和導線的規(guī)格，不考慮感性負載、電容性負載和電流瞬間脈沖，起動機、發(fā)電機和ABS等電流取額定值，整個電氣回路測試在搭建回路測試臺架與試驗樣車上進行。

4 總結

輕型混合動力商用車的低壓電氣系統(tǒng)設計涉及低壓蓄電池的選型、發(fā)電機容量的確定、整車電平衡計算、CAN網絡的設計和電源分配等，由于多種控制器、傳感器、電機和電磁閥集中布置在底盤上，其電磁兼容性設計也尤為重要，值得廣大設計者認真思考與琢磨?；旌蟿恿Φ拈_發(fā)已成為國內外許多汽車廠家的研發(fā)熱點，特別在日本和美國得到迅猛發(fā)展。在國內隨著混合動力客車、轎車進入市場，對適合城市使用的輕型混合動力商用車的需求也越來越迫切。某輕型混合動力商用車的成功開發(fā)彌補了一汽新能源輕型載貨汽車的空缺，為一汽未來的新能源輕型商用車的發(fā)展奠定了基礎。

［1］魏春源.汽車電氣與電子［M］.北京：北京理工大學出版社，2004：3-8.

［2］ 張明森.汽車的電量平衡計算［J］.汽車電器，2010 （10）：10-16.