整車電源分配系統設計研究

邱 偉，吁 苗

Qiu Wei，Yu Miao

（李爾中國技術中心，上海 201201）

0 概述

電氣原理設計通俗的講就是用符號將整車電氣系統合理地連接起來,以此清楚地反映出電氣系統各部件的連接關系以及電路的工作原理,對迅速分析排除電氣設備的故障非常有利。然而，在整車電氣原理的設計里面，尤其以整車電源分配設計最為重要，文中將重點闡述這部分。

1 整車電源分配系統設計

在進行整車電氣系統設計之前，需要對整車電氣系統的系統控制圖進行分析。理解各電器系統的工作原理及控制邏輯關系是電路設計的前提，必須在理解整車電器工作原理的基礎上對整車的電源進行合理分配。

1.1 電源類型劃分和負載分配

根據點火開關的檔位，我們通常會將電源分成以下幾種類型：

（1）B+，即我們通常說的常電，是直接從蓄電池正極取的電。這部分的電源所接負載一般都是在點火鑰匙從點火開關拔下后還需要工作的負載，如一些ECU及儀表的記憶電，危險警告燈的電源，具有Follow Me Home（伴我回家）功能的前照燈的電源，防盜控制器的電源等。

（2）ACC，通常為點火開關的第二個檔位（第一個為OFF/Lock），我們稱之為附件檔。這一檔位我們實際上是不想讓其負擔太多負載的，因為當點火鑰匙撥到這個檔位的時候，發動機還沒有運轉，此時從ACC取電的負載，實際上還是在消耗蓄電池的電量，因為發電機還沒有參與發電。通常使用ACC電作為工作電源或信號電源的設備，常見的有儀表、收放機、電動后視鏡、點煙器等。在ST檔位的時候，ACC是沒有電的。

（3）IG，也叫ON檔，通常為點火開關的第三檔位，我們稱之為點火檔，當點火開關打到這個檔位的時候，全車允許大部分的設備可以工作。而這個檔位通常有IG1和IG2兩個觸點，在某些車型上IG1與IG2是相同的，即同時有電或者沒電；而有些車型，如大部分的日系車，IG1與IG2是不同的。區別在于在ST檔位的時候IG1有電，而IG2沒電。這樣設計的原因是啟動的時候需要蓄電池的電量集中供給起動機使用，所以此時希望能夠切斷一些與啟動無關而且功率較大的負載，如后風窗玻璃加熱器，鼓風機等，可以將這些負載連接在IG2上，或者用IG2來控制。

（4）ST檔，即啟動檔，也就是點火開關的最后一檔。它的作用是用來給起動機供電，啟動發動機。

總之，在整車電路的設計中，我們要根據負載的實際工作狀態靈活地將全車負載分配到各個檔位。

1.2 中央電氣盒的選擇

中央電氣盒是全車電源分配的總樞紐。其內部主要是保險絲和繼電器，智能型的電氣盒內部還包含有電子控制元器件。按照連接方式分，中央電氣盒通常分為硬線型和PCB型，兩者的區別在于前者是導線通過端子直接連接到電氣盒，沒有接插件，而后者是通過接插件連接到電氣盒；如果按照是否含有電子控制單元來劃分的話，又可以分為普通型與智能型。

一般情況下，在整車電路的設計中，會根據如下3點的綜合考量來選擇最適合的中央電氣盒。

（1）成本。通常PCB型比硬線型成本要高，但是這并不意味著PCB型就比硬線型有更多優點，從電氣性能角度講，恰恰相反，硬線型有著更優秀的表現，因為中央電氣盒內部有許多保險絲繼電器，它們在工作的時候，會散發出很多熱量，而熱量的聚集會使溫度升高，從而降低了保險絲繼電器的性能。相比之下，硬線型的中央電氣盒有更多的散熱通道如端子的孔穴，并且上下貫通，這樣就大大減少熱量的聚集，使保險絲繼電器有一個更優的工作環境。所以筆者對于國內一些主機廠盲目追求PCB型的電氣盒持保留意見。

（2）環境及空間。通常，不同的車輛提供給電氣盒使用的空間形狀相異性是很大的。而PCB型的電器盒由于其制造工藝性，通常會設計成較為規則的長方體型或正方體型，它對空間的需求相對來說也會是一個比較規則的矩形體；而硬線型的電器盒卻沒有這方面的要求，它可以根據復雜的車身環境空間，因地制宜設計成異形，因而其適應性也就更好。

（3）整車電氣架構。在低端的車型中，因為電器設備較少，電氣架構及控制邏輯較為簡單，使用普通型的電氣盒即可滿足使用要求；而在中高端的車型中，因為有著更多的電器設備，更復雜更龐大的電氣架構和控制邏輯，這個時候就能突顯出智能型電氣盒的優勢來，其主要體現在如下兩個方面：

①智能型電氣盒是將普通型的電氣盒與車身控制器（BCM）集成起來，更節省空間。在中高端車型中，由于車身結構復雜，電氣設備多，所以空間更為緊張，在這種情況下，智能電氣盒節省下來的空間就顯得彌足珍貴。

②智能型電氣盒可以通過CAN Bus與其他電器設備，如組合開關（具備CAN收發器的情況下）進行通信，大大減少信號線的數量；與其他電氣盒通信，可以很大程度上縮短電源線的長度。比如，在某些歐系高端車型上，甚至有3個智能的中央電氣盒，分別布置在發動機艙、乘客艙和行李艙，通過CAN網絡傳輸控制信號，它們分別就近控制或提供電力給電器設備，可以大幅度地減少電線回路數，減輕線束重量，起到優化設計的作用。

1.3 保險絲的選擇

前面講過，中央電氣盒中的主要工作部件就是保險絲和繼電器，而電源分配的重任，基本是靠這些大大小小、花花綠綠、類型各異的保險絲完成的。保險絲，其主要的用途在于熔斷，當回路發生短路故障時起到保護回路不被燒毀的作用，從而避免車輛發生火災。由此可見，保險絲的選擇就相當關鍵。

1.3.1 保險絲類型的選擇

保險絲的種類按照不同的分類方式可以分為很多種，而且形狀各異，像美系車上常見的易熔線就是以一段導線的形式出現的保險絲。通常按照熔斷的速度亦即響應的速度可將保險絲分為快熔型和慢熔型。一般情況下，在通過超出容量一定數量的電流時，以較短時間熔斷的保險絲稱為快熔型的保險絲，常見的Mini、ATO等保險絲就屬于快熔型保險絲的范疇；同樣，在通過超出容量一定數量的電流時，以較長時間熔斷，甚至不熔斷的保險絲稱為慢熔型的保險絲。常見的Jcase、BF1、Midi等保險絲就屬于慢熔型保險絲的范疇。但是，這種分類只是我們通常意義的分類，嚴格上講，快熔和慢熔并沒有嚴格的界限，比如像Maxi保險絲的熔斷特性就介于Mini與Jcase之間，但是會更接近于Jcase，這從保險絲供應商提供的熔斷曲線可以看出。

那么種類如此繁多的保險絲該如何篩選呢？這就需要依據保險絲的熔斷特性來綜合考量。汽車上有很多的電器負載，通常可以分為阻性負載如鹵素燈和感性負載如電機。阻性負載在工作過程中，電流相對穩定，很少出現長時間的電流大幅波動，所以我們通常為這類負載選擇快熔型的保險絲，以期在回路發生短路時，保險絲盡快熔斷。但是感性負載則與此不同，它們在工作過程中，會出現較長時間的超出額定電流1倍甚至數倍的電流，如鼓風電機在啟動的時候，或者玻璃升降器電機在受阻或發生堵轉的時候，這個時候慢熔型保險絲的熔斷特性恰好滿足這類感性負載的工作要求。但是這只是一個比較概括性的原則，在實際設計中，要靈活運用，并且還需要結合保險絲的容量來考慮，因為快熔型的通常容量都較小，而慢熔型的有較大容量。

1.3.2 保險絲容量大小的選擇

在初步定好保險絲的類型后，就要具體選擇保險絲的容量了。簡單的講，保險絲的容量是根據負載的功率來定的，同時要結合保險絲的類型、中央電氣盒的位置（高溫區還是一般溫區）和類型（硬線型還是PCB型）來給予一定的安全裕量，這個安全裕量主要是考慮溫度對保險絲的影響，因為環境溫度的升高，會導致保險絲實際能夠承載的電流下降。一般可以根據如下公式進行折減計算：

式中：

If為保險絲的理想值；In為正常工作的電流值；R R為溫度折減系數。

溫度折減系數從55%～90%不等，主要是根據保險絲的類型（快熔還是慢熔）、中央電氣盒的位置（高溫區還是一般溫度區）、中央電氣盒的類型（PCB型還是普通硬線型）有關。如轎車近光燈（1只），通常功率為55W，額定電流為4.58A，若中央電氣盒在發動機艙且為PCB型，可知溫度折減系數為70%，根據公式（1）可知，保險絲的理想值If=4.58/70%=6.54A。一般情況下，會選擇比計算值大一個量級的保險絲，即10A的Mini保險絲即可。

1.4 導線的選取原則

1.4.1 導線線型的選擇

一般而言，我們會將車輛上的空間根據工作溫度的不同而將其劃為幾個溫區，如排氣管附近溫度最高，發動機本體上次之，發動機艙內再次之，最后是乘客艙。具體的溫度范圍主機廠在設計要求中會給出。導線線型的選取，主要是根據溫度來為不同的溫區選擇不同溫度等級的線型。當然，在這之前是要根據主機廠的要求先定好使用何種國別標準的線種，如日標線、法標線、德標線、美標線等。每一種國別標準的導線其按照溫度的分類不盡相同，但是基本大同小異，導線的供應商會提供一份詳細的各種線種線型所適用的溫度范圍，根據其參數選擇即可，但是需要強調的是，并非選擇完畢后就萬事大吉了，后期，我們有的時候還是需要根據線束系統驗證的結果而進行調整。

1.4.2 導線線徑的選擇

在線型選好以后，就要開始為每一根回路選擇線徑了。一般情況下根據導線所傳輸的內容的不同，將導線分為：電源線、接地線和信號線。顧名思義，電源線，其作用主要就是給負載供電；而接地線，又稱搭鐵線，其作用主要是負責給負載提供電流回流到蓄電池負極的通路；至于信號線，其作用就是在不同的模塊/器件之間傳輸信號。

（1）電源線

很多做線束設計的人也不是特別清楚，是應該先選擇保險絲還是先選擇線徑。所以再次強調一下，應該是先選擇保險絲，再選擇線徑。因為保險絲是用來保護導線的。前面已經敘述了，保險絲的類型容量是由負載決定的，而電源線的線徑則必須去匹配保險絲的容量，如果線徑選小了，則可能會出現在短路的時候，電線熔毀而保險絲不熔斷，這樣就無法發揮保險絲的作用；如果線徑選大了就是一種成本的浪費。具體的線徑與保險絲的匹配關系，是通過大量試驗得到的，如0.35/0.5的導線匹配10A的保險絲等。

那么，導線和保險絲的匹配是怎樣的一種關系呢，下面我們來詳細說明：

導線與保險絲的匹配主要是體現在短路的時候。當短路發生時，保險絲和導線同時通以同樣大小的電流，這個電流比正常工作電流大很多倍，比如溫度等級為80℃的0.5的導線，在環境溫度為40℃時的極限工作電流為10多A，但是在短路的時候可以達到100多A（短路電流，主要取決于電線的長度），這時，因為導線和保險絲都有電阻，雖然很小，但在短路電流通過的時候會在瞬間發出大量的熱，當熱量達到一定的時候，保險絲就會因溫度的上升而熔斷，導線就會因為芯線的溫度的上升而導致絕緣層熔毀，如果這時保險絲先熔斷，而此時導線絕緣層是完好的，我們就認為導線和保險絲是匹配的；如果導線的絕緣層已經開始熔毀但保險絲卻沒有熔斷，那么我們就認為導線和保險絲是不匹配的。而且這時存在發生火災的風險。

在實際設計當中，設計者如何用比較直觀的方式來判斷呢。這時就需要借助溫度電流衰減曲線圖了。在整個工作溫度范圍內的任意溫度下，導線的允許電流值如果都高于保險絲的允許電流值，我們就可以認為所選擇的保險絲和導線是匹配的。如圖1是0.5的PVC導線與10A的Mini保險絲的溫度電流衰減曲線圖。

從圖中可以看出，-40℃～80℃的范圍中，0.5的PVC導線的電流衰減曲線在都是在10A的Mini保險絲的上面的，我們認為它們之間是匹配的。同時需要注意的是，如果導線的溫度等級更高，我們也可以適當地降低線徑。然而，在實際的設計中，不可完全照搬這個匹配關系，還要根據負載的類型、電源線的長度、所經過的溫區、是否通過活動部件來綜合考慮，設計完畢后需要通過短路實驗來驗證導線和保險絲是否匹配。

（2）接地線

接地線線徑的選擇與電源線有所不同。電源線是根據保險絲容量來選取的，而接地線則可以根據負載直接選擇，這是由接地線的主要作用決定的。所以在整車電路的設計中常常可以看到在負載的兩端，電源線和接地線的線徑并不一致。例如前霧燈，我們給兩個前霧燈共用1個15A的保險絲，所以其電源線需選擇法標的0.75或者日標的0.85，或者更大一級的線徑來匹配15A的保險絲，但是其接地線卻可以根據負載的大小直接選擇0.5，就是這一原因。如果將接地線使用與電源線一樣大的線徑，反而是一種浪費，有違綠色設計的理念。

（3）信號線

信號線線徑通常0.3/0.35或者0.5即可，而且很多時候模塊的供應商已經將信號線的線徑定義出來。因信號線的線徑選擇比較簡單，在此，我們不做贅述。

最后需要強調的是，對于電源線和接地線除了遵循上面的原則外，我們還必須考慮一些其它的對線徑會產生影響的因素，如客戶的規范，溫度的影響，還有電壓降的要求等。

1.5 保險絲的共用與非共用

在中央電氣盒能夠容納下足夠的保險絲的情況下，第一選擇是不共用保險絲，以降低一條回路發生短路致使共用保險絲熔斷而造成別的負載無法工作的風險，同時也能降低檢修的難度。這在美國車（非國內合資的美系車）上比較常見。但這是需要付出空間和成本的代價的，因為保險絲數量的增加，勢必會要求更多的空間和成本；而共用保險絲的好處是降低了成本，但是增大了電路的復雜度，對車輛的后期檢修帶來一定的難度。另外，共用保險絲也會增加導線上的電壓降，使加在設備上的實際工作電壓降低，增大設備無法正常工作的風險。所以，綜合各種因素考慮，下面介紹一些保險絲的整合原則。

（1）安全件最好使用獨立保險絲

除了國標中定義的一些跟安全性相關的零部件外，有些主機廠還會定義自己的安全件，如小燈（也叫位置燈、示廓燈等）、近光燈等。通常，我們會為這些負載使用1個獨立的保險絲，如為每個近光燈使用1個10A的保險絲。但是在有些情況下，因為中央電氣盒中的保險絲位置有限，還是需要將一些小負載的安全件共用保險絲，如將全車的小燈分別掛在2個保險絲下，但是最好是左右分開，或者交叉共用，這樣能保證即使1個保險絲熔毀，車前和車后還分別有1個小燈能繼續工作，以降低因共用而帶來的風險。

（2）安全件、非安全件不可共用保險絲

為了防止因非安全件回路短路而導致保險絲熔斷，造成安全件不可工作的不良后果。比如遠光燈與發動機控制器不可共用保險絲，理由是不能因遠光燈回路發生短路而讓發動機控制器無法正常工作，導致發動機停車。

（3）功率不大的非安全件可以共用保險絲

在實際設計當中非常常見，如我們將2個遠光燈共用1個15A的保險絲；還有就是一些取電用作信號的非安全件，如收放機ACC電與電動天窗的ACC電可以共用1個保險絲。

（4）不同時工作的負載可以共用保險絲

車輛上的有些設備是不會同時工作的，在這樣的情況下，就可以共用保險絲，以提高保險絲的利用率。如門鎖電機及行李箱解鎖電機，它們同時工作的幾率非常小，所以我們可以給它們共用1個保險絲。

2 結束語

隨著汽車電子技術的發展，電子零件在車上所占的比重越來越大，隨之帶來車上的電氣負載也越來越大。國內的汽車電氣設計還處于剛剛起步階段，相對于國外大的汽車電氣供應商來講，還有非常大的差距。隨著國人對汽車的需求和認知水平不斷地提高，汽車的電氣安全性能已經作為一項決定汽車品質的重要內容越來越引起汽車產品制造商的關注。如何建立一套完整的汽車電源分配系統計算方法和過程已成為所有汽車制造商的一項共同課題。

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