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汽车供电系统的选型设计方法


汽车供电系统的选型设计方法
1 概述 整车中电气系统不是一个完全独立的系统。在现代汽车中,电子电器部件介入于整车上的所有系统以 实现各种不同的功能。电气系统的合理设计与安全可靠直接关系到整车的经济性、安全性、可靠性、舒适 性,它是整车开发中的一个重要环节。 汽车的电气系统分为供电系统和用电设备 供电系统和用电设备。供电系统指给用电设备产生、分配和传递电能装置的总称。 供

电系统和用电设备 它包括发电机、蓄电池、电线束、开关及继电器等。对供电系统的主要要求是:在车辆各种使用工况条件 发电机、蓄电池、电线束、开关及继电器等 发电机 下,均能可靠地保证向用电设备供电;各零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,尽量利用零部件供应商的成熟产品并在此基础上作优化修改 尽量利用零部件供应商的成熟产品并在此基础上作优化修改, 尽量利用零部件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、系列化,从而降低成本,并且使系统设计合理,安全可靠。 本文在对整车电气电源系统选型设计论述的同时, 结合一款新开发的整车(HFC1130KR1)电气系统选型 设计实例来详细说明。 2 整车电气系统选型设计 2.1 设定车辆的电气系统主要技术参数 整车电器系统电压:24V、负极搭铁 蓄电池容量:24V/150Ah 2.2 电气系统的负荷图及发电机的选择 2.2.1 汽车电气系统负荷图 汽车用电负荷图是进行交流发电机选型的重要依据,汽车上配置的所有用电设备一般不会在同一时间 全部都投人工作,而许多用电设备的工作及工作时间长短,取决于季节和环境的变化。为了分析计算方便, 我们引入电器设备使用频度系数 器设备使用频度系数概念来计算整车的用电量,计算公式如下: 器设备使用频度系数 Idx=UiIi(1) 其中:Idx—等效电流 Ui—第 i 个用电设备所对应的使用频度系数 Ii—第 i 个用电设备的电流 汽车电器设备在不同的季节和环境,有着不同的使用频度系数,我们使用/l。从/A。分别表示电器设备 与季节气候无关、夏季及冬季 3 种情况下的使用频度系数。

一般来说汽车在行驶中几种较为典型的用电情况大致可分为,平常日间、平常夜间、冬季日间、冬季 夜间、冬季雪夜、夏季日间、夏季夜间、夏季雨夜。 表 1 列出了整车电气系统常用电器设备的额定电流及使用频率系数,并由此统计出整车用电量。 综上可知,整车在不同季节和环境下的整车电量计算结果如图 1 所示。 2.2.2 交流发电机输出功率的选择 表 1 整车常用电器设备用电量

图 1 整车电量统计表 汽车用电设备所需的电能由两个电源供给:发电机和蓄电池。发电机是由汽车发动机拖动而工作的, 在汽车正常运行时,发电机在汽车上是主要的供电电源,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,使蓄电池始终保持完好的荷电状态。蓄电池的主要功能是将电能供给起动机 拖动发动机运转,并且在发电机供电能力不足时与发电机共同供电。 考虑到保证用电设备供给、提高电源系统的经济性和发动机动力性,发电机输出功率的选择应以保证 汽车行驶时正常用电量和蓄电池所需要的充电量为基础。在极限高峰时段时,允许蓄电池向用电设备提供 一定量的放电电流,这也是选择发电机输出功率所必需的原则,因此,电气系统负荷图是选择汽车发电机 功率等级的主要依据。在整车概念定义阶段,车型总布置工程师选定了整车所装配的动力总成,电气设计 工程师将以此为依据来选择汽车电源系统的发电机型式及其输出功率等级。首先,设计检查所选择的发电 机外形是否满足汽车发动机舱总布置的三维空间安装要求,并验算其供电量是否满足整车的用电需要。 在车型设计中选用的动力总成,其原配发电机是 JFZl813Z 整体交流发电机 发电机是 整体交流发电机,基本参数为: 额定电压:14 V 常温稳态输出电流:90A 空载转速:1500r/min 额定转速:6000r/min 传动比:2.1

图 2 JFZ1813Z 输出特性曲线 经整车三维电子装配检查,此发电机满足整车总布置的安装空间要求。

2.2.3 发电机输出电流验算 在汽车行驶中,发电机的转速与车速及汽车档位有关,随着车速和档位的变化,发电机的转速也作变 化,其实际输出电流也相应地改变。 汽车发电机的选择包含了输出功率选择和传动比选择匹配,在设计中选择发电机只考虑到输出功率能否满 足整车用电设备的要求,而忽视了发电机传动比的有机配合,往往不能保证汽车正常行驶时的用电要求。 因此,根据整车定义及整车技术条件,针对不同车型的不同使用环境要求,可计算并判断二者间的相互关 系。 下面是发电机转速与车速的关系公式,根据整车给定的参数,可列出不同车速时所对应的发电机工作 转速,按图 2 的发电机输出特性,就能分析出以不同速度行驶的汽车,其发电机输出功率能否满足用电设 备的要求。由此计算出汽车行驶时,汽车车速、发电机转速、发电机输出电流的对应情况(见表 2)。

表 2 汽车 4 档行驶时发电机可供电量 车速(km/h) 发 电 机 转 速 (r/min) 发电机输出(A) 1677 39 2516 65 3355 76 4193 82.5 5032 86 5871 88.5 6709 90.5 7548 91.5

20

30

40

50

60

70

80

90

从表 2 及图 2 可知, 汽车发动机怠速运行时, JFZl813Z 交流发电机的转速约 1500 r/min, 供电量约 30A, 可满足发动机点火系统和行驶系统所需电量。 汽车以 40~50km/h 的速度行驶时,输出功率大于夜间常用负荷,并且有足够的余量向蓄电池充电。也 可满足冬、夏季白天长时间使用空调的情况。 JFZl813Z 交流发电机热态最大输出电流约为 96A,大于夜间常用负荷的 150%左右,完全满足使用要 求。冬季雪夜和夏季雨夜是整车用电量的极限情况,此时蓄电池应该与发电机并联供电。从保证用电和提 高供电系统的经济性考虑,发电机功率的选择应以汽车行驶时正常用电量和对蓄电池充电电流的大小为基 础。而在极限用电高峰时,允许蓄电池向用电设备提供一定大小的放电电流,这也是选择发电机功率的基 本原则。由此可见,选用 JFZl813Z 交流发电机可以满足整车电气系统的用电量要求。 2.3 蓄电池的选择 蓄电池是供电系统的辅助电源,它担负着发动机起动时供给启动机电源、发电机不工作或低转速运转 时向用电设备供电;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。 但蓄电池原则上只担负起动机的负荷,其电容量计算经验公式如下: Q=(450—600)PS/U 其中:Q—蓄电池容量(Ah) PS—起动机额定功率(hp) U—起动机的额定电压(V) 发动机配用的起动机额定功率 1.3hp,额定电压 12V,经验系数取 500,则 Q=500* 1.3/12=54(Ah) 该汽车电气系统选用 6—Q—54A 12V 于荷式免维护蓄电池,其额定容量 54Ah(20 小时率),最大起动 放电电流为 256A,可以满足要求。 3 结束语 在某款乘用车的整车电气系统选型设计中,我们采用了上述的方法,设计开发出的新产品车型通过汽 车试验场 3 万 km 道路可靠性试验和 8000km 坏路强化可靠性试验后,经过试验考验验证, 整车电气供电系 统未发生任何故障,发电机、蓄电池、及电线束连接件均工作正常,选型设计合理。


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