一款輕型卡車的電源系統(tǒng)設計

謝耀華

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

一款輕型卡車的電源系統(tǒng)設計

謝耀華

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章論述了汽車電器在整車中的重要性。并詳細介紹了電氣系統(tǒng)中幾個重要參數的計算方法。

蓄電池；發(fā)電機；保險；導線

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-23-04

1、緒言

1.1 汽車電源匹配在整車中的重要性

眾所周知，隨著汽車電子行業(yè)的迅速發(fā)展和人們對汽車電子所帶來的人性化和舒適性的要求越來越高。汽車電子行業(yè)正處在一個高速發(fā)展時期，汽車電子產品在汽車零部件中所占比例逐步增加。這樣就要求電氣件在各個工況下能夠正常工作，而電源的正確分配起到一個至關重要的作用，關系到整車安全性，尤其發(fā)動機ECU模塊、ABS模塊和安全氣囊模塊能否正常工作更是重中之重。

1.2 本論文的目的

對目前正在研發(fā)的輕型卡車進行電氣系統(tǒng)主要部件的匹配計算，在車輛正常使用及各電器件正常工作的基礎上，對其用電要求、功能和穩(wěn)定性進行理論計算和校核，主要涉及到電源分配中以下幾個部分的計算：蓄電池容量、發(fā)電機發(fā)電量、電氣回路和導線規(guī)格。

2、蓄電池容量的計算

2.1 蓄電池功能

蓄電池與交流發(fā)電機并聯(lián)，同屬于汽車的電源系，是一種可以儲存和釋放電能的化學裝置。它儲存發(fā)電機的所發(fā)出的電能，并在車輛需要時釋放出來，如：發(fā)動機起動時為起動機供電、發(fā)動機不工作或轉速低時為用電器供電、以及負載用電量大于發(fā)電機產生的電能時與發(fā)電機一起給整車用電器供電。最重要的功能是向起動機提供瞬時大電流，保證發(fā)動機在各種工況都能可靠的起動。

2.2 蓄電池主要參數的確定

汽車蓄電池的選擇主要是蓄電池容量的計算及確定。蓄電池容量標志著蓄電池對外供電的能力。一個完全充足電的蓄電池，在允許的放電范圍內所輸出的電量稱為蓄電池的容量。

其標稱容量一般指20h放電率額定容量。它是指充足電的蓄電池在電解液溫度為25℃時，以20h的放電率放電至單格電壓降到1.75V時所輸出的電量。

蓄電池容量根據以下經驗公式進行計算：

式中：C——蓄電池20h額定容量，單位：Ah；

P——起動機額定功率，單位：kW；

U——起動機額定電壓，單位：V。

對于大功率起動機，計算蓄電池容量時可選擇較小參數，則江淮自產輕型客車HFC6591KH的蓄電池容量為：

另，該車起動機在-25℃時的起動電流為297A，由GB/T 5008.2《起動用鉛酸蓄電池產品品種和規(guī)格》查表得出，90Ah的蓄電池冷起動電流為315A，滿足起動要求。且該輕型客車所配HFC4DA1-2B2發(fā)動機及起動機均與瑞風柴油版一致。目前已批量生產，且未發(fā)現市場反饋的質量問題，使用效果良好。因此，該輕型客車也沿用90Ah的蓄電池。

3、發(fā)電機選擇

3.1 發(fā)電機功能

發(fā)電機是汽車電源系統(tǒng)的主電源，在汽車正常運行時，它除向起動機之外的全部用設備供電外，還可以為蓄電池充電?，F代汽車上所用的發(fā)電機多為三相交流發(fā)電機，主要由三相同步交流發(fā)電機和硅二極管組成，其中硅二極管起到交流變直流的整流作用。另外，汽車負載均為直流負載且需要在一定的電壓范圍下進行工作，因此，要求發(fā)電機無論負載有多少，要盡量在發(fā)動機整個轉速范圍內保持輸出電壓恒定。

3.2 發(fā)電機選擇

發(fā)電機起著向整車用電設備提供電源的作用，因此它必須要滿足提供所有用電設備同時工作時所需要的電能。一般可按兩種工況進行計算：怠速工況、全負荷工況。下面是一款輕型卡車的用電設備的功率（W）：

表1 某輕型卡車長期工作電器功率一覽表

表2 某輕型卡車間斷工作電器功率一覽表

根據用電器功率對兩種工況的用電量進行計算：

1）怠速工況

現在以用電量最大的怠速工況——夏季雨夜為例進行計算。此時工作的用電器有：雨刮、音響系統(tǒng)（CD機、揚聲器）、儀表、前位燈、后位燈、牌照燈、前頂燈、前霧燈、后霧燈和空調系統(tǒng)（壓縮機、冷凝風扇、散熱風扇、鼓風機）。其用電總量為：

70+140+10+10+12+20+112+42+42+228+120+216=1022W

所需電流為：

4、全負荷工況

以夏季雨夜車輛正常行駛作為全負荷用電工況為例進行計算。此時工作用電器有：雨刮、音響系統(tǒng)（CD機、揚聲器）、儀表、前位燈、后位燈、牌照燈、遠光燈、近光燈、前霧燈、后霧燈、空調系統(tǒng)（壓縮機、冷凝風扇、散熱風扇、鼓風機、后鼓風機）。其用電總量為：

70+140+10+10+12+120+110+112+42+42+228+120+216+ 120=1352W

所需電流為：

I=P/U=1352/12=112.7A

圖1 發(fā)電機輸出特性曲線

發(fā)電機選擇的原則是在車輛工作的任何工況下均能夠滿足整車電器的用電要求，也就是說，要保證發(fā)電機發(fā)電電流IG≥用電器用電電流IV，否則會導致蓄電池放電用來滿足用電器工作需求，時間久了就會造成蓄電池過度放電，從而導致車輛無法起動，給顧客帶來極大的不方便。

根據兩種工況的用電量計算數據，結合發(fā)電機外特性曲線進行理論校核：

1）怠速工況時用電電流為85.2A。此時發(fā)動機轉速約為1000rpm，發(fā)電機轉速為1000*2.35=2350轉。對照特性曲線可知此時發(fā)電量約為87A，大于85.2A，可滿足該工況用電需求。

2）全負荷工況時的用電電流為 112.7A。此時車輛為正常行駛狀態(tài)，發(fā)動機轉速工作范圍是1850rpm～3000rpm，則，發(fā)電機工作轉速為：（1850～3000）*2.35=4348rpm～7050rpm，對照發(fā)電機外特性曲線，此時的發(fā)電量為110A～116A?；究蓾M足整車用電需求。

根據以上計算可得，該發(fā)電機可滿足任何工況的車輛用電需求。

5、保險絲容量計算

保險絲容量的計算要分連續(xù)負荷和間斷負荷兩種情況。連續(xù)負荷是指在特定條件下進行連續(xù)通電的負載，如空調、音響及夜間行駛時的近光燈、遠光燈、位置燈等；間斷負荷是指動作時間短或斷斷續(xù)續(xù)通電的負載，如電喇叭、門鎖、轉向燈等。對于間斷負荷很少單獨配保險絲。另外，選取保險絲大小時，通常以計算值按 5A、10A、15A、20A、30A取整選用。

（1）對于連續(xù)負荷的保險絲有以下經驗計算公式：

式中：

IFUSE——保險絲允許通過電流，單位：A；

ILOAD——負載通過電流，單位：A；

a——保險絲負載率，一般取70%。

由以上公式，將表一HFC6591KH輕型客車的長期工作負載功率代入公式可得不同用電器的保險絲容量：

遠光燈：IFUSE=ILOAD/a=120/12/0.7=14.29A，取整為15A；

近光燈：IFUSE=ILOAD/a=110/12/0.7=13.10A，取整為15A；

霧燈（前、后）：IFUSE=ILOAD/a=（112+42）/12/0.7=18.33A，取整為20A；

頂燈（閱讀燈、中頂燈、后頂燈）：IFUSE=ILOAD/a=30/12/0.7= 3.57A，取整為10A；

左小燈：IFUSE=ILOAD/a=（5+5+6）/12/0.7=1.9A，取整為10A；

右小燈：IFUSE=ILOAD/a=（5+5+6）/12/0.7=1.9A，取整為10A；

前雨刮和噴水器：IFUSE=ILOAD/a=（70/12+3.0）/0.7= 12.62A，取整為15A；

音響系統(tǒng)：IFUSE=ILOAD/a=140/12/0.7=16.7A=20A；

（2）對于間斷負荷的保險絲有以下經驗計算公式：

式中：

IFUSE——保險絲允許通過電流，單位：A；

ILOAD——負載通過電流，單位：A；

a——保險絲負載率，一般取90%。

由以上公式，將表二HFC6591KH輕型客車的間斷工作負載功率代入公式可得不同用電器的保險絲容量：

電喇叭：IFUSE=ILOAD/a=2*4/0.9=8.89A，取整為10A；

點煙器：IFUSE=ILOAD/a=10/0.9=11.11A，取整為15A；

玻璃升降器：IFUSE=ILOAD/a=120*2/12/0.9=22.22A，取整為30A；

報警燈：IFUSE=ILOAD/a=（21*2+5*2+21*2）/12/0.9=8.70A，取整為10A；

轉向燈和倒車燈：IFUSE=ILOAD/a=（21*2+5+21*2）/12/0.9= 8.24A，取整為10A；

油水分離加熱器：IFUSE=ILOAD/a=260/12/0.5=24.07A，取整為25A。

6、導線線徑計算

導線線徑是用導線標稱截面面積表示的，不同于導線實際截面積，也不同于幾根導線實際截面積之和。在確定導線截面面積時要考慮電壓降和導線發(fā)熱。

導線線徑的選擇應按照加載后產生的電流進行選擇。這就要求在小的電壓降和輕的線束質量之間作出最佳選擇。國外一些廠家經過大量試驗總結出了各種電路的電壓損失，在線束設計時作為確定導線截面積的參考和依據。表3給出了典型電路允許的最大電壓損失的相關參數。

表3 典型電路允許最大電壓損失

如果系統(tǒng)使用24V電源，則上表數據增大一倍。

用電設備的電流強度為：

那么導線的截面積為：

式中：

I——電流，單位：A；

P——用電設備功率，單位：W；

U——系統(tǒng)提供的電壓，單位：V；

Ud——允許最大電壓降損失，單位：V；

ρ——電阻率（銅導線電阻率為 0.0185），單位：Ω·mm2/m；

L——導線長度，單位：m；

A——導線截面積，單位：mm2。

計算所得的導線截面積A根據導線標準規(guī)定的標稱截面積取整，另外考慮到導線的機械強度，計算截面積小于0.5mm2的導線全部按0.5mm2確定。

根據公式及表一、表二用電器功率和表三中電路電壓允許最大損失，對整車電路各回路的導線線徑進行計算如下：

（1）照明系統(tǒng)

遠光燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（60/12）?0.0185?3/0.3=0.93 mm2，取整為1.25；

近光燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（55/12）?0.0185?3/0.3=0.85 mm2，取整為1.25；

前霧燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（56/12）?0.0185?3/0.3=0.86 mm2，取整為1.25；

后霧燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?10/0.3=1.08 mm2，取整為1.25；

前位燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（5/12）?0.0185?3/0.1=0.23 mm2，取整為0.50；

后位燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（5/12）?0.0185?10/0.1=0.77 mm2，取整為0.85；

前轉向燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?3/0.3 =0.32mm2，取整為0.50；

后轉向燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?10/0.3 =1.08mm2，取整為1.25；

側轉向燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（5/12）?0.0185?3/0.1= 0.23mm2，取整為0.50；

牌照燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（6/12）?0.0185?10/0.1=0.93 mm2，取整為1.25；

制動燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?10/0.3=1.08 mm2，取整為1.25；

倒車燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（21/12）?0.0185?10/0.3=1.08 mm2，取整為1.25；

閱讀燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（10/12）?0.0185?4/0.1=0.62 mm2，取整為0.85；

中頂燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（10/12）?0.0185?5/0.1=0.77 mm2，取整為0.85；

后頂燈：A=（P/U）?ρL/Ud =（10/12）?0.0185?6/0.1=0.93 mm2，取整為1.25。

（2）電機

起動機主電纜：A=（P/U）?ρL/Ud =200?0.0185?1.5/0.5= 11.1mm2，取整為16.0；

發(fā)電機B+：A=IρL/Ud =110?0.0185?3/0.5=12.21mm2，取整為16.0；

噴水電機：A=IρL/Ud =3?0.0185?4/0.5=0.44mm2，取整為0.50；

車窗電機：A=IρL/Ud =120/12?0.0185?3/0.5=1.11mm2，取整為1.25；

雨刮電機：A=（P/U）?ρL/Ud =（70/12）?0.0185?3/0.5=0.65mm2，取整為0.85。

（3）其他

油水分離加熱器：A=IρL/Ud =（260/12）?0.0185?2/0.5=1.60mm2，取整為2.0；

點煙器：A=IρL/Ud =10?0.0185?2/0.5=0.74mm2，取整為0.85；

喇叭：A=IρL/Ud =4?0.0185?3.5/0.5=0.51mm2，取整為0.85；

CD機電源：A=（P/U）ρL/Ud =（140/12）?0.0185?2/0.5= 0.86mm2，取整為1.25；

CD機控制：A=（P/U）ρL/Ud =（40/12）?0.0185?2/0.5= 0.25mm2，取整為0.50；

前揚聲器：A=（P/U）?ρL/Ud =（25/12）?0.0185?3/0.5= 0.23mm2，取整為0.50；

后揚聲器：A=（P/U）?ρL/Ud =（25/12）?0.0185?7/0.5= 0.54mm2，取整為0.85。

線束的設計，根據用電器的額定功率，計算流經線束的電流，然后根據導線的電流選擇保險的規(guī)格和導線截面。需要明確的一點是：保險絲的作用是用來保護線束的，防止導線因長時間工作導致熱集聚而引起線束過熱燃燒。其發(fā)熱公式為：

式中：

Q——發(fā)熱量，單位：W；

I——通過導線電流，單位：A；

R——導線電阻，單位：Ω；

T——通電時間，單位：s。

而R=ρL/S

式中：

R——導線電阻，單位：Ω；

ρ——導線電阻率；

L——導線長度，單位：米；

S——導線截面積，單位：mm2。

由以上公式可以得出，導線的發(fā)熱量Q與導線的長度L成正比，與導線截面積成反比。因此，在同樣截面積的前提下，導線越長，發(fā)熱量越大；導線越短，發(fā)熱量越小。也就是說，一定容量的保險絲保護的導線長度與導線截面積成反比。

在保險絲容量選定后，與所保護導線一般有以下經驗關系：

表4 導線與保險之間的匹配關系

一般在進行線徑的理論計算后，還需對照表四進行保險與導線的校核。針對輕型卡車的導線進行理論計算后，對照表四發(fā)現可滿足保險與導線線徑以及長度的匹配關系?？蓾M足整車電器的使用要求。

7、結論

本論文通過對整車用電器的功率等重要參數進行系統(tǒng)分析，并結合車輛在使用過程中各電器的使用情況進行計算，確定了蓄電池、發(fā)電機等重要零部件的規(guī)格型號。通過計算結果可以看出，所選蓄電池、發(fā)電機能夠滿足整車電氣的設計需要，所選保險絲及導線線徑規(guī)格能夠滿足各用電器的用電負荷要求。

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Power supply system design of a light truck

Xie Yaohua
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper firstly presents the importance of the electronic system design in the car industry, describes the function, composition and classification of the electronic system.

battery; alternator; fuse; wiring harness

U462.1

A

1671-7988 (2017)06-23-04

謝耀華（1983-），男，助理工程師。就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司輕型車研究所，主要從事汽車電氣系統(tǒng)方面的設計工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.008