基于EC5發(fā)動(dòng)機(jī)新增STT系統(tǒng)電器架構(gòu)分析與線束設(shè)計(jì)

夏鳴春，張建海，李建勛，歐陽(yáng)敏

（1.吉利汽車研究院有限公司，浙江 寧波 315315；

2.神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430056）

基于EC5發(fā)動(dòng)機(jī)新增STT系統(tǒng)電器架構(gòu)分析與線束設(shè)計(jì)

夏鳴春1，張建海2，李建勛2，歐陽(yáng)敏2

（1.吉利汽車研究院有限公司，浙江 寧波 315315；

2.神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430056）

敘述EC5發(fā)動(dòng)機(jī)的非STT系統(tǒng)和STT系統(tǒng)電器架構(gòu)，簡(jiǎn)要分析STT系統(tǒng)中中央穩(wěn)壓器、起動(dòng)控制接口盒、蓄電池充電狀態(tài)盒和起停按鈕電器設(shè)備控制策略，闡述STT系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備的線徑計(jì)算方法與熔斷絲容量大小確定方法，最后給出EC5發(fā)動(dòng)機(jī)非STT系統(tǒng)線束拓?fù)鋱D和STT系統(tǒng)線束拓?fù)鋱D與線束3D圖。

EC5發(fā)動(dòng)機(jī)；STT系統(tǒng)；電器架構(gòu)；線束拓?fù)鋱D

STT（Start and stop）系統(tǒng)為起停系統(tǒng)，其主要原理是為了減少汽車CO2的排放和降低汽車油耗，在車輛怠速低轉(zhuǎn)速的時(shí)候讓發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，然后在駕駛員需要時(shí)重起發(fā)動(dòng)機(jī)。

1 EC5發(fā)動(dòng)機(jī)STT系統(tǒng)電器架構(gòu)分析

1.1 EC5發(fā)動(dòng)機(jī)非STT系統(tǒng)和STT系統(tǒng)電器架構(gòu)區(qū)別

EC5發(fā)動(dòng)機(jī)非STT系統(tǒng)和STT系統(tǒng)電器架構(gòu)圖分別如圖1、圖2所示。EC5發(fā)動(dòng)機(jī)非STT系統(tǒng)和STT系統(tǒng)電器架構(gòu)相比，STT系統(tǒng)電器架構(gòu)新增了中央穩(wěn)壓器、起動(dòng)控制接口盒、蓄電池充電狀態(tài)盒和起停按鈕電器設(shè)備。同時(shí)，升級(jí)了發(fā)動(dòng)機(jī)艙繼電器熔斷絲盒、智能伺服盒、多功能發(fā)動(dòng)機(jī)控制和蓄電池等電器設(shè)備的硬件和軟件。

圖1 EC5發(fā)動(dòng)機(jī)非STT系統(tǒng)電器架構(gòu)圖

圖2 EC5發(fā)動(dòng)機(jī)STT系統(tǒng)電器架構(gòu)圖

1.2 EC5發(fā)動(dòng)機(jī)STT系統(tǒng)電器控制策略

1.2.1 中央穩(wěn)壓器

為了減少CO2的排放和油耗，在等待紅燈等情況下，EC5發(fā)動(dòng)機(jī)STT系統(tǒng)車型會(huì)自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，因此重起發(fā)動(dòng)機(jī)次數(shù)明顯增加。為了穩(wěn)定電器設(shè)備端的輸入電壓，在蓄電池和發(fā)動(dòng)機(jī)艙繼電器熔斷絲盒之間增加中央穩(wěn)壓器設(shè)備。中央穩(wěn)壓器通過(guò)推挽式轉(zhuǎn)換器在發(fā)動(dòng)機(jī)重起動(dòng)時(shí)候穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)輸出電壓。另外，在STT系統(tǒng)非激活的情況下，為了保持電路的電流通暢，在中央穩(wěn)壓器中增加分流器來(lái)實(shí)現(xiàn)。中央穩(wěn)壓器原理圖如圖3所示。中央穩(wěn)壓器電器架構(gòu)圖如圖4所示。

1.2.2 起動(dòng)控制接口盒

起動(dòng)控制接口盒采用MOSFET晶體管來(lái)控制起動(dòng)機(jī)起動(dòng)狀態(tài)，與傳統(tǒng)的繼電器控制方式相比，其耐久性有所提高。同時(shí)起動(dòng)控制接口盒有一個(gè)集成診斷電路，可以診斷當(dāng)車輛不能正常進(jìn)入再起動(dòng)模式，可以避免車輛進(jìn)入到停車模式。起動(dòng)控制接口盒電器架構(gòu)圖如圖5所示。

多功能發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置將起動(dòng)-再起動(dòng)請(qǐng)求和批準(zhǔn)信號(hào)傳輸給起動(dòng)控制接口盒，當(dāng)這2個(gè)信號(hào)同時(shí)達(dá)到正確情況時(shí)，起動(dòng)控制接口盒輸出起動(dòng)機(jī)增強(qiáng)控制信號(hào)，讓起動(dòng)機(jī)線圈得電，此時(shí)起動(dòng)機(jī)正常工作。同時(shí)，起動(dòng)控制接口盒中的集成診斷電路將診斷信號(hào)反饋給多功能發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置，來(lái)保證起動(dòng)控制接口盒出現(xiàn)故障時(shí)STT系統(tǒng)能正常工作。

1.2.3 蓄電池充電狀態(tài)盒

蓄電池充電狀態(tài)盒是測(cè)量蓄電池電荷狀態(tài)（剩余電量/總電量）、電壓和溫度參數(shù)，其固定在蓄電池負(fù)極上，屬于蓄電池負(fù)極電纜的子件。蓄電池充電狀態(tài)盒電器架構(gòu)圖如圖6所示。

蓄電池充電狀態(tài)盒將測(cè)量蓄電池電荷狀態(tài)、電壓和溫度參數(shù)，通過(guò)LIN線傳輸給智能伺服盒，然后智能伺服盒將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給多功能發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置。在多功能發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置內(nèi)部有電壓控制裝置，該電壓控制裝置通過(guò)多功能發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置和發(fā)電機(jī)兩者的LIN線通信來(lái)控制發(fā)電機(jī)的電壓，從而降低蓄電池能量損耗。

圖3 中央穩(wěn)壓器原理圖

圖4 中央穩(wěn)壓器電器架構(gòu)圖

圖5 起動(dòng)控制接口盒電器架構(gòu)圖

蓄電池充電狀態(tài)盒有3種工作模式，其工作模式如圖7所示。第1種工作模式是激活模式，它是在LIN激活時(shí)，每隔100 ms將測(cè)量到的數(shù)據(jù)（蓄電池電荷狀態(tài)，電壓和溫度參數(shù)）通過(guò)LIN線傳輸給智能伺服盒；第2種工作模式是局部蘇醒模式，它是在LIN非激活和I蓄電池＜-500 mA或者I蓄電池＞50 mA時(shí)進(jìn)入該工作模式，在該工作模式下將測(cè)量蓄電池電荷狀態(tài)、電壓和溫度參數(shù)，同時(shí)每小時(shí)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行計(jì)算更新；第3種工作模式是休眠模式，它是在LIN非激活時(shí)等待進(jìn)入每分鐘周期性的局部蘇醒模式，在休眠模式中沒(méi)有任何工作。

1.2.4 起停按鈕

駕駛員可以通過(guò)起停按鈕來(lái)開啟或關(guān)閉起停功能。

圖6 蓄電池充電狀態(tài)盒電器架構(gòu)圖

2 線束線徑計(jì)算和熔斷絲容量確定方法

2.1 線束阻值計(jì)算

線束電阻計(jì)算公式如下

表1 接觸電阻［1］

圖7 蓄電池充電狀態(tài)盒電器工作模式圖

2.2 溫度對(duì)導(dǎo)線阻值的影響

表2 壓接電阻［2］

溫度對(duì)導(dǎo)線的影響不可忽視，因?qū)Ь€的阻值和溫度是成正比關(guān)系，所以導(dǎo)線在高溫下工作時(shí)，須考慮溫度對(duì)其的影響，導(dǎo)線的阻值和溫度的關(guān)系見公式（2）。

式中：RH（t）——在溫度t時(shí)的電阻，mΩ；RH（20）——在20°C時(shí)，每單位米導(dǎo)線的電阻，mΩ/m；l——導(dǎo)線的長(zhǎng)度，m；t：——導(dǎo)線的環(huán)境溫度，℃。

2.3 導(dǎo)線的短路電流

一般情況下，導(dǎo)線的短路電流要求大于3.5倍熔斷器額定電流值。

2.4 熔斷器的特性與選取

1）熔斷器熔斷時(shí)間為熔斷器的熔化時(shí)間和電弧時(shí)間之和。

2）環(huán)境溫度對(duì)熔斷器的電氣性能影響：高溫使熔斷器分?jǐn)鄷r(shí)間加快，低溫使熔斷器分?jǐn)鄷r(shí)間減慢。

3）熔斷器額定電流值計(jì)算公式如下

式中：If——熔斷器額定電流值；In——電路工作電流；Rr——熔斷器環(huán)境溫度修正系數(shù)，其與溫度成反比。

4）熔斷器的熔斷電流計(jì)算公式如下

式中：如果是片式熔斷器，則d=2；如果是其它型號(hào)熔斷器，則d=6。

2.5 熔斷器容量與導(dǎo)線線徑匹配性

除了考慮導(dǎo)線線徑滿足電路允許的電流之外，還要考慮導(dǎo)線線徑與熔斷器容量之間的匹配性。因?yàn)樵谶M(jìn)行導(dǎo)線線徑優(yōu)化過(guò)程中，如果導(dǎo)線的線徑降低，從而電路電阻增加，則電路電流降低，最終導(dǎo)致電路中熔斷器的熔斷時(shí)間增加。這會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線在任意發(fā)煙電流下的發(fā)煙時(shí)間可能會(huì)存在小于熔斷器的熔斷時(shí)間。而在考慮熔斷器與導(dǎo)線線徑匹配性時(shí)，要求導(dǎo)線的發(fā)煙特性曲線位于熔斷器的熔斷特性曲線上方，同時(shí)兩曲線沒(méi)有交叉，如圖8所示。

圖8 熔斷器熔斷曲線與導(dǎo)線發(fā)煙曲線示意圖

因此在對(duì)導(dǎo)線線徑進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，必須確保導(dǎo)線在任意發(fā)煙電流下的發(fā)煙時(shí)間大于熔斷器的熔斷時(shí)間。

2.6 導(dǎo)線的傳熱計(jì)算

導(dǎo)線由線芯和絕緣層組成，其能承載最大電流與導(dǎo)線的絕緣層能承受最大溫度差成正比。導(dǎo)線的導(dǎo)熱微分方程與邊界條件如下［3］

式中：λ——絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·k）；l——導(dǎo)線長(zhǎng)度，m；R——電阻，W；t1——絕緣層能承受的最高溫度，℃；t2——絕緣層能承受的最低溫度，℃；r1——線芯的半徑，m；r2——導(dǎo)線的半徑，m。

公式（12）也可以等效為

從式（13）看出，最大電流和電阻率、線芯的半徑、導(dǎo)線的半徑、絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)、絕緣層能承受的最高與最低溫度有關(guān)。

2.7 線束線徑計(jì)算和熔斷絲容量確定

計(jì)算電路由蓄電池、連接蓄電池到發(fā)動(dòng)機(jī)艙繼電器熔斷絲盒的阻抗R1（2.328 mΩ）、發(fā)動(dòng)機(jī)艙繼電器熔斷絲盒的內(nèi)阻抗Rint（3 mΩ）、發(fā)動(dòng)機(jī)艙繼電器熔斷絲盒的熔斷絲F23（ATO40A）、起動(dòng)控制接口盒的供電線（BM23）、起動(dòng)控制接口盒電器設(shè)備（1004A）和起動(dòng)控制接口盒的搭鐵線（M1004）組成。起動(dòng)控制盒電路圖見圖9。其中：起動(dòng)控制接口盒的Imax=36 A，TImax=1 s，Inom=0.3A，Umin=9 V。

圖9 起動(dòng)控制接口盒電路圖

根據(jù)圖9和上述公式，可以計(jì)算得出起動(dòng)控制接口盒電路總阻抗RH=34.57 mΩ，起動(dòng)控制接口盒電路總電壓損耗為0.767 V，達(dá)到了起動(dòng)控制接口盒最小電壓要求。熔斷絲熔斷曲線圖見圖10。在正常工作時(shí)，導(dǎo)線BM23實(shí)際溫升曲線和耐最大溫度示意圖見圖11。短路工作時(shí)，導(dǎo)線BM23短路曲線和熔斷絲熔斷示意見圖12，實(shí)際溫升曲線和耐最大溫度示意圖見圖13。

圖10 熔斷絲熔斷曲線圖

根據(jù)圖10可以看出，起動(dòng)控制接口盒的熔斷絲選為ATO-40 A是可行的。

根據(jù)圖11可以看出，在正常工作情況下，導(dǎo)線BM23的穩(wěn)定溫度在85 ℃，其最大溫度為85.36 ℃，因此選擇T3（-40 ℃～125 ℃）導(dǎo)線，可以滿足正常工作條件。

圖11 導(dǎo)線BM23實(shí)際溫升曲線和耐最大溫度線圖（在正常工作時(shí)）

根據(jù)圖12可以看出，在短路工作情況下，導(dǎo)線BM23的短路電流的起始值為341.42 A，終止值為340.49 A，而熔斷絲在0.055 s時(shí)熔斷。

根據(jù)圖13可以看出，在短路工作情況下，如果該電路沒(méi)有熔斷絲，導(dǎo)線的最大溫度為300 ℃。而該電路有ATO-40A熔斷絲進(jìn)行電路保護(hù)，在0.055 s時(shí)就熔斷，導(dǎo)線BM23的溫度上升到87.40 ℃就停止，因此選擇T3（-40 ℃～125 ℃）導(dǎo)線可以滿足短路工作條件。

圖13 導(dǎo)線BM23實(shí)際溫升曲線和耐最大溫度線圖（在短路工作時(shí)）

同理，可以計(jì)算出STT系統(tǒng)中其他電器的線徑大小與熔斷絲容量是否匹配。

3 EC5發(fā)動(dòng)機(jī)STT系統(tǒng)線束定義設(shè)計(jì)

EC5發(fā)動(dòng)機(jī)STT系統(tǒng)和非STT系統(tǒng)線束拓?fù)鋱D分別見圖14、15。EC5發(fā)動(dòng)機(jī)STT系統(tǒng)線束3D圖見圖16。

圖14 EC5發(fā)動(dòng)機(jī)STT系統(tǒng)線束拓?fù)鋱D

圖15 EC5發(fā)動(dòng)機(jī)非STT系統(tǒng)線束拓?fù)鋱D

圖16 EC5發(fā)動(dòng)機(jī)STT系統(tǒng)線束3D圖

線束拓?fù)鋱D中，“9049發(fā)電機(jī)LIN線，C3_0.50_2150”表示該回路的導(dǎo)線編碼為9049，功能為發(fā)電機(jī)和多功能發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置通過(guò)LIN線進(jìn)行通信，導(dǎo)線為C類導(dǎo)線，導(dǎo)線溫度等級(jí)為T3（-40 ℃～125 ℃），導(dǎo)線截面積為0.50 mm2，導(dǎo)線長(zhǎng)度為2 150 mm。

4 總結(jié)

本文敘述EC5發(fā)動(dòng)機(jī)的非STT系統(tǒng)和STT系統(tǒng)電器架構(gòu)，簡(jiǎn)單分析了電器設(shè)備控制策略，給出了線徑計(jì)算方法與熔斷絲容量大小確定方法及線束定義設(shè)計(jì)方法，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)新增電器設(shè)備或者系統(tǒng)提供了借鑒方案。

［1］ CONNECTORSGENERAL REQUIREMENTS［S］．PSAPeugeot Citroen，2009．

［2］ CONNECTORS CRIMPING［S］.PSAPeugeot Citroen， 2008．

［3］ 楊世銘，陶文銓．傳熱學(xué)（第4版）［M］．北京：高等教育出版社，2006．

（編輯心 翔）

Electrical Architecture Analysis and Wiring Harness Design of New STT System Based on EC5 Engine

XIA Ming-chun1， ZHANG Jian-hai2， LI Jian-xun2， OUYANG Min2
(1. Geely Automobile Research Centre， Ningbo 315315；
2. Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Co.， Ltd.， Wuhan 430056， China)

This article demonstrates the electrical architecture of Non STT system and STT system based on EC5 (1.6-litre naturally aspirated) engine， and analyzes the control strategy of DMTR device， BICD device， BECB device， and STT button in STT system；expounds methods of wire section calculation and fuse capacity confirmation of relevant devices in STT system；finally， the topology drawing of Non STT system harness and the 3D drawing of STT system harness are provided.

EC5 engine；engine；STT system；electrical architecture；topology drawing of wiring harness

U463.6

A

1003-8639（2017）08-0035-06

2016-10-17；

2016-11-23

夏鳴春（1985-），男，湖北武漢人，工程師，主要從事線束設(shè)計(jì)開發(fā)工作；張建海（1976-），男，湖北武漢人，工程師，主要從事電器架構(gòu)設(shè)計(jì)工作；李建勛（1979-），男，湖北嘉魚人，工程師，主要從事線束設(shè)計(jì)開發(fā)工作；歐陽(yáng)敏（1985-），男，湖北荊門人，工程師，主要從事線束設(shè)計(jì)開發(fā)工作。