整车电源系统设计方法探索

罗校军 胡盛弟

【摘 要】文章介绍了整车电源系统设计时，起动机、蓄电池及发电机设计校核的方法。保证电源系统设计合理有效，为后续实验、测试环节提供理论保障。

【关键词】整车电源系统;起动机;蓄电池;发电机;整车供电平衡

【中图分类号】U463.63 【文献标识码】A 【文章編号】1674-0688（2019）12-0062-02

0 引言

整车电源系统部件一般包括起动机、发电机及蓄电池。三者之间有着紧密的联系：起动机主要用于启动发动机，而蓄电池提供起动机工作时的电能，发电机则是为整车用电器提供电能，同时给蓄电池充电。起动机、蓄电池及发电机选型匹配是否合适，从整车角度来看，影响整车的启动性能、成本及油耗;从零部件角度来看，不仅严重影响蓄电池的使用寿命，还会对整车用电器正常性能造成影响。

1 起动机校核

起动机主要作用是拖动发动机从静止状态开始运转并使发动机达到自行稳定运转，因此不仅要求起动机工作时可以提供足够的扭矩，同时还要求启动时发动机转速达到可以维持正常运行的最低转速。如果起动机选型不合理，会影响到整车的启动性能。

一般情况下，发动机选定之后，起动机基本上也已经选定，因此我们需要对选定的起动机的启动性能进行校核，校核前需要收集的关键信息有以下几个方面：①发动机在-30 ℃环境下，刚好能启动并维持正常运转时的最低转速NE;②发动机在-30 ℃环境下，稳态拖动的反扭矩TE;③发动机带轮与起动机带轮齿数比i;④起动机特性曲线（如图1所示）。

其中，起动机提供的扭矩为TS，起动机转速为NS。根据起动机与发动机配合的原理，我们可以得到以下两个公式：

NS=NE×i（1）

TS=TE/i（2）

通过已知的TE、i，计算出对应的TS，通过TS读取起动机特性曲线，得到起动电流IS，再通过IS读取对应的转速NS。对比NS与NE×i，校核起动机性能：如果NS≥NE×i，则表明该起动机可以驱动发动机达到自行稳定运转的转速，而如果NS

2 蓄电池选型校核

蓄电池的主要作用是在发动机启动时给起动机及点火系统供电，并在发电机发生故障不工作或者发电量不足的情况下给整车用电器供电，以及在车辆锁车静置时维持各控制器存储、记忆等模块的电流消耗。蓄电池选型不合理，不仅会影响整车启动性能与整车静置时长，也会对蓄电池本身的使用寿命造成影响。如果因为蓄电池的原因使用户遇到车辆无法启动、短时间更换蓄电池等问题，不仅对用户本身造成极大的困扰，也会对汽车品牌的口碑造成影响。

2.1 蓄电池类型的选择

根据不同类车型对蓄电池的功能需求与对蓄电池的充电逻辑选择蓄电池的类型，使所选蓄电池达到性能可靠又经济实惠的目的。例如：启停非轻混车型的蓄电池类型选择与整车成本有关，成本上EFB更优，性能上AGM更优;EV车的蓄电池类型选择与蓄电池的充电逻辑有关，如果某车型对蓄电池充电的逻辑为当蓄电池电量低于某个阈值时再对蓄电池进行充电，则需要选用AGM蓄电池。各车型可选蓄电池类型见表1。

2.2 蓄电池性能校核

2.2.1 蓄电池冷启动性能校核

蓄电池主要作用是在整车启动过程中为起动机提供电能，因此校核蓄电池的冷启动性能需要结合起动机相关的特性参数。需要校核两个方面：①蓄电池的低温冷启动电流（CCA）;②蓄电池的内阻。整车起动时，蓄电池不可能都是满电状态，因此需要选择一个电量（SOC）状态下的蓄电池内阻进行校核。

校核条件：环境温度为-30 ℃，预选蓄电池电量为80%。

已知条件：发动机带轮与起动机带轮齿数比i;发动机在-30 ℃环境下，稳态拖动的反扭矩TE;起动机到蓄电池线束回路电阻RC;起动机特性曲线（如图1所示）;预选蓄电池在80%电量、-30 ℃条件下的端电压U与内阻RB。

校核过程如下：通过TS=TE/I，得到起动时起动机需要提供的扭矩，通过图1与TS值查出起动电流IS、起动机端电压US。假设起动机可正常起动所需要蓄电池的内阻为RB1，起动回路电压公式如下：

U=US+RC×IS+RB1×IS（1）

可得

RB1=（U-IS×RC-US）/IS（2）

要求IS

2.2.2 蓄电池额定容量（C20）校核

为保证车辆在经过长时间不使用或运输后仍能正常启动，要求车辆在不断掉负极电缆的情况下，静置42 d后仍能正常启动，即要求蓄电池因整车静态电流、蓄电池自耗电导致电量消耗后的剩余电量，仍能满足起动机最低启动要求。考虑到车辆开始静置时蓄电池可能不是100%的电量（设为80%），以及常温下蓄电池电量低于30%就存在无法启动的风险，蓄电池每天的自损耗约为容量的2‰，同时收集整车静态电流I（单位为A），所以蓄电池额定容量需要满足：

80%C20-I×42×24-2‰C20×42≥30%C20（1）

公式转化后可得：

C20≥（I×42×24）/（80%-30%-84‰）（2）

3 发电机校核

发电机主要是在发动机启动后为整车用电器提供电源及为蓄电池进行充电，因此发电机发电量必须满足整车用电器用电需求和蓄电池充电需求。由于发电机由发动机带轮带动发电，因此如果发电量超过整车用电需求太多，不仅造成发电机成本偏高，也会使得燃油白白浪费，影响整车油耗及动力性能。如果发电机发电能力低于整车用电需求，无剩余的电量为蓄电池充电，这将使蓄电池的寿命大大缩短。因此，对整车供电平衡进行校核是十分必要的。

整车用电器在不同时间段、不同工况下的使用频率有所不同。按经验将用电器的这种不同的使用频率设置成频度系数k，并列出最高耗电工况下用电器的用电需求和频度系数，见表2。

因此，夏季怠速、夏季行驶工况整车用电需求分别如下：

I总1 =（IA×KA1+IB×KB1+…）×1.2（1）

I总2 =（IA×KA2+IB×KB2+…）×1.2（2）

其中，1.2为供电安全系数。

发电机夏季怠速与夏季行驶工况发电量通过发电机输出曲线得到（如图2所示）。

夏季怠速工况，发电机转速为N1，一般为1 800～2 000 r/min。夏季行驶工况，发电机转速为N2，转速一般为5 000～6 000 r/min。在N1、N2转速下读取发电机发电量为I1、I2，并对比I1与I总1、I2与I总2，发电机发电量比整车用电需求大5 A左右为合理。通过该方法校核整车供电平衡，选用合适的发电机，既不会造成燃油和动力性能的浪费，也不会对蓄电池寿命和整车用电器性能造成影响。

4 结语

本文从起动机性能校核、蓄电池选型校核及发电机供电平衡校核3个方面对整车电源系统设计方法做了探索说明。此外，在整车电源系统设计中，电压降、电压波动等项目也是测试校核的内容。理论校核是设计的前期环节，整车电源系统设计是否合理，还需要通过实验、测试环节进行最终验证。

参 考 文 献

[1]邓恒.整车开发过程中供电系统的设计与验证[J].内燃机，2006（12）：29-32，36.

[2]王鼎鼎.汽车电源系统的设计研究[J].上海汽车，2013

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