轎車應急起動電源系統設計

于秩祥（江蘇建筑職業技術學院實驗實訓與職業技能管理中心，江蘇 徐州　221116）

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轎車應急起動電源系統設計

于秩祥
（江蘇建筑職業技術學院實驗實訓與職業技能管理中心，江蘇 徐州221116）

摘要：在不改變轎車原有電氣電路系統的基礎上，設計一套應急起動裝置，來解決轎車蓄電池電量過低或過放電后無法起動的問題，同時對蓄電池進行保護，延長車輛蓄電池使用壽命，提高車輛使用經濟性。

關鍵詞：應急電池；充電電路；制動能量回收

轎車起動用的電池為普通鉛酸蓄電池或鉛酸免維護蓄電池，這2種蓄電池有一定的使用壽命。電源系統采用12 V的蓄電池最短使用壽命在2年以內，最長不超過5年，平均使用壽命為3年左右。轎車在頻繁起動、走走停停、短距離行駛的工況下，由于蓄電池過發電，將嚴重影響蓄電池使用壽命，增加轎車使用維護成本。尤其是當蓄電池過放電或容量過低后，將導致車輛無法起動。根據上述現象，筆者設計一套應急起動裝置，來解決轎車蓄電池電量過低或過放電后無法起動的問題，同時對蓄電池進行保護，延長車輛蓄電池使用壽命，提高車輛使用經濟性。

圖1　轎車應急電源系統結構圖

1　應急電源起動系統結構設計

在不改變轎車電氣系統的情況下，設計一套起動電路和兩套充電電路，構成轎車應急電源系統。充電電路一套與轎車充電系統并聯，另一套與轎車制動能量回收系統充電電路并聯，兩套電路相互獨立，設有開關連接控制電路，根據轎車使用工況特點，兩套充電電路可交替為應急電池進行充電。轎車應急電源系統結構如圖1所示。

在設計應急起動電池時，應滿足起動發動機的最大電流和轎車附屬電氣系統中用電設備電流。在起動過程中，應急起動電池應承受最大放電電流為300～ 600 A。轎車電氣系統用電器的最小電流應大于20 A，所以電壓下降應盡可能小，同時能反復起動數次，還應保證應急起動電池具有一定的容量。另外應急起動電池不應占用過大空間，這樣可以不改變轎車發動機艙內部設計結構。

根據上述要求，應急起動裝置采用一塊容量為8000～10000mA的固態聚合物鋰離子電池，最大放電電流為200～500A，電池尺寸為12cm×8cm×3cm，可安裝在轎車蓄電池旁邊，與蓄電池留有一定距離 （約50mm），應急起動電池與蓄電池并聯，設有連接控制電路。應急起動電池采用固態聚合物鋰離子電池，可快速充放電，且不影響轎車充電系統，不增加發電機負載，體積小，便于安裝。固態聚合物鋰離子電池的市場價格在200元左右，價格便宜，在正常充、放電情況下設計使用壽命可達1000次以上；在不存在過放電的情況下，使用時間可達10年。

2　制動能量回收轉換

2.1制動能量利用原理

為保證應急起動電池得到充分的充電，有效減少發動機機械損失，可將轎車制動能量回收加以利用。當轎車制動時，轎車制動系統對車輪施加制動力，降低車輪轉速至轎車停止。轎車制動時有兩種情況：一是轎車完全停止；二是降低轎車行駛速度。這兩種情況都是通過制動盤和制動片的摩擦所致，使制動能量白白消耗了。利用轎車制動時產生的能量對應急起動電池充電，能有效把制動能量回收利用，又能減少制動系統損耗，提高制動效率，縮短制動距離，增加轎車行駛安全性。

轎車主要有發動機前置前驅和發動機前置后驅兩種驅動形式，將應急起動充電系統的發電機安裝在變速器輸出軸上，如圖2所示。充電系統開關安裝在制動踏板上，當轎車減速制動時，踩下制動踏板，充電系統開關打開，制動系統對車輪施加制動力，這時發電機對應急起動電池充電，同時發電機產生電磁阻力矩，這個阻力矩將制約變速器輸出軸的旋轉，經傳動軸、減速器、差速器半軸，制約著車輪的旋轉，發電機和制動系統對驅動車輪施加雙重阻力矩，可有效提高制動效率，縮短制動距離，將一部分制動能量進行回收利用。

圖2　轎車制動能量回收結構圖

2.2制動能量回收電路系統設計

轎車制動能量回收系統充電電路如圖3所示。發電機與變速器輸出軸連接，采用一個8管交流發電機，內置集成電路電壓調節器。

當轎車應急起動電池需要充電時，應急起動電源系統開關接通，發電機勵磁。轎車在減速行駛時，踩下制動踏板，接通制動系統開關，發電機發電，向應急蓄電池充電，這時充電指示燈開啟，交流發電機內轉子高速旋轉，通過集成電壓調節器輸出穩定的1～2A充電電流。轎車在城市工況下行駛時，走走停停，可對應急電池形成脈沖充電，有助于修復蓄電池，恢復使用容量。

圖3　制動能量回收充電系統電路圖

3　原車充電電路設計

當轎車應急起動電池過放電或容量大量降低時，同時轎車短距離行駛或長時間高速行駛的工況下，利用制動能量回收系統對應急電池充電可能充不滿。另設計一套充電電路為應急電池起動充電，保證應急起動電池電量充足。

轎車交流發電機內部、外部電路和應急電池充電電路如圖4所示。采用一個8管交流發電機，具有集成電路電壓調節器，該發電機有5根接線：主輸出線B、至點火開關的電源線IG、蓄電池電壓檢測線S、充電指示燈線L和應急電池充電線P。

圖4　轎車充電系統和應急充電系統電路圖

應急系統充電電路由兩套構成，可根據轎車行駛工況和電池容量選擇性使用，兩套發電機集成電路電壓調節器提供14V、1～2A的充電電流。應急起動電池根據放電情況和自身容量由手動控制充電，當轎車長時間高速行駛，應急起動電池電量相對較低時，接通充電開關，充電電路即可對電池進行充電，一塊容量為10000mA的固態聚合物鋰離子電池，在車輛高速行駛2～3h即可充滿，充電相對穩定，不影響原車充電電路，電池充滿以后斷開充電開關。電池在不放電的情況下可以90天不用充電。

4　應急起動電路系統設計

應急起動電池與原車蓄電池并聯連接，如圖5所示。正極連接導線由熔斷絲和控制開關組成，電池負極搭鐵，應急起動電池尺寸小于原車蓄電池，設計尺寸為12cm×8cm×3cm，內置電池控制電路，應急起動電池與轎車蓄電池應保持在大于50 mm距離。當轎車蓄電池過發電或容量降低時，接通點火開關無法起動車輛，這時可接通轎車應急起動控制開關，應急起動電池代替原車蓄電池釋放電量，轉動點火開關可起動轎車。

圖5　應急起動電路圖

5　結論

1）本設計解決了轎車在城市工況下，短距離行駛、走走停停、頻繁起動、蓄電池過度放電和長時間使用容量降低的情況下，導致車輛無法起動的問題。

2）將轎車制動能量回收，轉變為電能存儲起來加以利用，提高了轎車的制動效率，降低了制動系統的損耗，保證汽車行駛安全性。

3）采用兩套充電電路為應急電池充電，根據轎車使用工況選擇性為應急起動電池充電，保證應急起動正常使用。

4）本設計結構簡單，不改變轎車電氣電路系統結構，安全可靠，保證了車輛正常運行，降低了轎車的維護成本。

5）本設計已在轎車上試驗成功，申報國家專利已獲得授權。

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［6］王旭東.電力電子技術在汽車中的應用［M］.北京：機械工業出版社，2010.

（編輯心翔）

中圖分類號：U463.63

文獻標識碼：A

文章編號：1003－8639（2016）05－0017－03

收稿日期：2016-01-25；修回日期：2016-02-25

作者簡介：于秩祥 （1983-），男，實驗師，主要從事汽車電器、動力系統性能檢測、汽車理論和實踐教學，工程機械車輛結構改進等工作。

Design of Emergency Starting Power Supply System on Car

YU Zhi-xiang
（Experimental and Occupational Skills Management Center，Jiangsu Institute of Architectural Technology，Xuzhou 221116，China）

Abstract：Based on the original electric circuit system of car，a set of emergency starting power supply system is designed，which can solve the cannot-start problem caused by low-battery or over-outflow of the car battery.The device could also protect the battery，extend its useful life and hence increase utilizing economy of cars.

Key words：emergency battery；charging circuit；breaking energy recovery