某轻卡整车电气系统的匹配设计方法

付宏程

某轻卡整车电气系统的匹配设计方法

付宏程

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230000）

文章介绍了轻卡整车电气系统的一种设计方法。主要包括供电系统、输电系统的校核计算以及二者之间的匹配设计，如整车用电量的计算、发电机选型、蓄电池选型、线束设计等。

用电量；发电机；蓄电池；线束

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)16-37-04

前言

一般来说，汽车的电气系统可简要地分为供电系统、输电系统和用电设备。供电系统指产生电能的装置的总称，主要有发电机、蓄电池；输电系统指传输电能的装置，主要有线束、开关及接插件等。整车对电气系统的要求主要有：车辆在各种工况下，均能可靠地、稳定地向各用电设备供电，例如照明设备、空调设备等，各电气部件必须符合汽车电气设备基本技术条件及其专门技术条件的要求。

通常在进行汽车整车电气系统设计时，应尽量选择供应商的成熟产品并在此基础上作优化修改，以满足零部件设计的通用化、标准化等要求，在使系统设计更为安全、可靠的同时，有效地控制成本，提高企业效益。

本文在对整车电气系统匹配设计论述的同时，结合某轻卡整车电气系统选型设计的实例来简要说明。

1 供电系统的匹配

1.1 整车用电量校核

通常，汽车上配置的用电设备不会在同一时间全部都投人工作，而各种用电设备的工作与否及工作时间长短，与其使用工况以及环境息息相关。为了便于分析计算，本文引入电器设备使用频度系数这一概念来估算整车的用电量，计算公式如下：

（注：电源电压27V，额定电压24V）

式中：Ieq为等效电流(A)；fn为第n个用电设备的使用频度；Pn为第n个设备的额定功率(W)。

汽车电器设备在不同的工况和环境，有着不同的使用频度，例如工况可分为怠速工况、城市道路工况或乡间道路工况；考虑到供电设备的供电参数需保留一定的余量，一般选择较为恶劣的、耗电量大的环境进行校核，对于轻卡而言，典型的耗电量较大的环境为夏季雨夜。

表1列出了整车电气系统常用电器设备的额定功率及使用频度，可结合公式1统计出整车用电量。

表1 整车用电量（夏季雨夜）

整车上一般有两个供电设备：蓄电池和发电机。蓄电池的作用一方面是将电能输出到起动机，并拖动发动机运转实现起动功能，另一方面亦可在发电机不工作或低转速运转时向用电设备供电。发电机通过发动机的拖动而运转，在整车正常行驶时，发电机是最主要的供电电源，供给全车除起动机外的一切电气设备的电能，并将多余的电能向蓄电池充电，使蓄电池始终保持较好的荷电状态。

考虑到在保证整车用电量供给的同时，也需要提高电源系统的经济性和发动机的动力性，发电机规格的选择应以保证汽车行驶时正常用电量和蓄电池所需要的充电量为基准。在极限工况下，允许蓄电池向用电设备提供一定量的放电电流，这也是选择发电机规格所必需的原则。因此，上述整车用电量的统计表格是选择汽车发电机功率等级的主要依据。总布置方案选定了整车所匹配的动力总成后，电气设计工程师则以此为依据来校核、匹配整车发电机型式及其输出功率等级。例如，校核确认所选择的发电机外形尺寸是否满足汽车发动机舱总布置的三维空间安装要求，并校核其供电量是否满足整车电气设备的用电需求。

1.2 蓄电池的校核匹配

蓄电池作为供电系统的辅助电源，它供给起动机电源以使发动机起动，并在发电机不工作或低转速运转时向用电设备供电；或者当用电设备所需的功率超过发电机所发出的功率时，与发电机联合向用电设备供电。

汽车用启动型铅酸蓄电池的性能要与汽车电气系统匹配，一般需校核的参数包括冷起动电流和20h额定容量。

1.2.1 冷起动电流

冷起动电流根据发动机冷起动试验决定的起动机功率确定，对于一般发动机起动的最低温度为-18℃～ -25℃。则蓄电池的冷启动电流Is应满足下式：

式中，Is为蓄电池冷起动电流(A)；Ps为起动机冷起动功率(W)；U为起动机额定电压（V）。

通过查询相关设备参数，得到如下数据：

因满足公式2,故蓄电池冷起动电流满足使用要求。

1.2.2 20h容量

蓄电池20h容量可根据以下经验公式计算：

（注：比值一般可取500计算）

式中，C20h为蓄电池20h容量（Ah）；P为起动机额定功率（kW）；U起动机的额定电压（V）。

所选蓄电池额定容量CE应满足：

通过查询相关设备参数，可得到如下数据：

因CE、C20h满足式4。故蓄电池所需20h容量满足使用要求。

为了保证蓄电池始终处于良好荷电状态，需要对其进行定期保养，例如检查电解液面高度，增注蒸馏水等。但是在现阶段，新型的免维护蓄电池已经得到了大量的应用，其可靠性、耐久性等各项指标均较为优异，一般在使用过程中不必再进行维护，省去了较多人力成本。

1.3 发电机的校核匹配

发电机发电量与其转速有关，发电机转速=发动机转速×发电机与发动机传动比。在发动机怠速时，发电机只能输出额定电流的一部分，如果汽车电气系统中的用电电流IY大于发电机供电电流IG，蓄电池就会放电。反之，如果IY小于IG，则多余的电流就会流入蓄电池，为蓄电池充电。在车辆的整个运行过程中，蓄电池的充电状态是首先考虑的事，它对发动机停机后重新起动至关重要。因此，即使在极限的工况下，发电机的功率都必须使蓄电池保持充足电。对于轻卡系统，一般考虑的工况包括怠速工况和最大用电量的工况。前者用来考量发电机低速特性，后者考量发电机额定（最大）输出电流。

此车型所匹配的发动机总成，其附带的发电机是整体式交流发电机，基本电气参数如下：

额定输出电压：28 V

常温稳态输出电流：70A

发电机与发动机的传动比：3.1

通过查询发动机相关参数，可得知该发动机总成的怠速为800rpm，结合以上数据可计算出在发动机处于怠速状态时，发电机的转速值，此状态下发电机的输出参数可由发电机的输出特性曲线求得。

对于发动机怠速工况：发动机怠速800rpm，发电机转速和发动机转速比为3.1，故此状态下发电机转速约为2480 rpm，结合发电机输出特性图，此时发电机发电量为55A,因55A＞46.5A，余量为18%，满足整车要求；

对于城市低速工况：发动机转速1500rpm，对应发电机转速4650rpm，发电量为70A，因70A＞51.3A，余量为36%，满足整车要求；

对于整车高速运转工况：发动机转速大于1500rpm，对应发电机输出电量基本达到稳态，即发电量为70A，因70A＞51.3A，余量为36%，满足整车要求；

下图1是该型号的发电机输出特性曲线图。

图1 发电机输出特性曲线图

2 输电系统的匹配设计

输电系统主要有线束、继电器及接插件等。在汽车系统中，线束既可以传输电能，如向电气设备供电；也可以传输各种信号，如轮速传感器的信号通过导线传输至ABS控制器，以实现不同的控制策略。在整个电气设计过程中，线束设计是至关重要的一个环节，它不仅仅关系到各电气设备能否正常工作、实现预期的功能，也关系到整车的经济性、行车安全性等。

线束设计时选用的导线一方面需要满足环境要求，如发动机附近或者排气管附近，由于该区域温度较高，线束必须使用耐高温德标线或者采用耐高温包裹；导线也要满足负载的电气特性、具有一定的载流能力，如导线线径必须适应负载电流，并且要适应相应的保险丝容量；再者，导线设计也要考虑成本的因素，应尽可能地优化线束走向、长度以及分支点等，以达到成本最优化。

2.1 原理图绘制

根据新产品开发的总布置设计方案书，梳理出待开发车型（标准型配置）的电气配置如下表2所示：

表2 整车电气配置

整车原理图的绘制，需要满足整车的电气配置和技术要求，原则上采用“对标设计”的方法，即以某技术成熟的车型为基础，结合其整车电气原理图，根据开发车型的特点作针对性的变动。

本文以空调系统为例来简要说明整车电气原理图的绘制方法以及保险容量、导线规格的确定，见下图2。

图2 空调系统原理图

鼓风机继电器的输入端连接到整车的ON档电源，输出端连接到整车的常电。当驾驶员打开鼓风机开关，鼓风机继电器输入端通电，线圈的电磁力使得继电器内部开关吸合导通，输出端通电，电能输出到鼓风机使鼓风机工作。若再打开空调开关，则鼓风机继电器的输出端的电能也将输送到空调继电器的输入端，使得空调继电器吸合导通，一方面将电能输出到压缩机使其工作，另一方面将电能输送至冷凝器继电器的输入端，使得该继电器吸合导通，电能输送至冷凝器使其工作。这就是整个空调系统的控制逻辑。

对比机背屏幕，你会发现D500上的3.2寸LCD屏幕尺寸上要比X-H1上的大一点，分辨率上比X-H1上高一倍，显示效果非常不错。不过X-H1上屏幕可以全方向翻转，无论横拍还是竖拍都可以派上用场。相比之下，D500的屏幕只能上下翻转，在竖拍时没有办法使用。

2.2 线束匹配设计

线束匹配设计包括保险容量以及导线规格的确定。一般来说，可以先通过各用电器功率来确定保险容量，再确定导线规格，最后进行整合设计整车线束总成。

首先确定负载电流IL、保险容量fU，有如下经验公式：

其中PE为负载额定功率，UE为负载额定电压，UB为电源电压，fU为保险容量。

其次确定导线规格，包括导线种类与线径，考虑到空调系统附近的温度接近于环境温度，故导线种类选择AVSS日标线（许用环境温度为-30～+70℃）；线径则可以根据下列AVSS导线许用电流的表格（表3）进行参考确定。

表3 AVSS导线环境温度许用电流

以鼓风机为例，通过查询鼓风机技术参数得到其额定功率为210W，额定电压24V，电源电压28V，因此有：

再根据供应商提供的保险丝规格进行取整，得fU1=15A，即选用15A的保险丝。其次确定导线规格，参考表3内容，鼓风机导线截面积选用1.25mm2。

综上，鼓风机设备匹配容量为15A的保险丝，并选择线径1.25mm2的AVSS日标导线。

同理可计算并确定冷凝器与压缩机共用容量为30A的保险丝，且冷凝器设备选择1.25mm2的AVSS日标导线，压缩机设备选择线径0.85mm2的AVSS日标导线。

按照此种设计思路，可延伸设计整车其他各电气设备的保险容量、导线规格，最后进行整合，即可得到整车的电气原理。

3 小结

本文简要介绍了轻卡整车电气系统的匹配设计方法，主要涉及供电系统以及输送电系统的匹配设计。整体思路是通过计算整车用电量来匹配电气参数、性能均可符合整车需求的发电机、蓄电池；再通过计算各电气设备的负载电流，来匹配容量适合的保险丝、参数适合的导线等。当然，线束总成的设计还需要进行三维空间校核、线束分支长度校核、线束走向优化等，本文暂不做详细讨论。

本文提出的轻卡电气系统的设计方法，虽不能完全应用于轻卡行业，这也是本文的不足之处，但是本文所体现的整车电气系统的设计思路，对读者仍有一定的参考价值。

[1] 周云山,钟勇.汽车电子控制技术.

[2] 大滨庄司.电气控制线路应用.

A Design Method of Electrical System in Light Truck

Fu Hongcheng
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper focuses on introducing a design method of electrical system in light truck,mainly including the calculation of power supply system and power transmission system.For instance,the power consumption of light truck, choosing of generator and battery,the design of wiring harness,etc.

power consumption; generator; battery; wiring harness

U462.1

A

1671-7988 (2017)16-37-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.16.014

付宏程，学士学位，就职于江淮汽车集团股份有限公司轻卡。负责轻卡电气系统设计。