重型汽車電源系統的匹配設計

程 寧，王園剛，米浩鋒

（陜西通力專用汽車有限責任公司，陜西 寶雞 722405）

前言

重型汽車電源系統的作用主要是向各用電設備提供電能，并實現能量間的相互轉化。重型汽車電源系統的匹配設計是整個車輛電器系統設計的基礎。重型汽車電源系統主要包括蓄電池、發電機及附屬設備等。

1 重型汽車電源系統的特點[1]

（1）雙電源系統：蓄電池和發電機共同為整車電器系統供電。

（2）低壓直流電：系統額定電壓為24 V。

（3）單線制：控制電路多為單線制，即電源通過導線與用電器連接，電源負極和車體金屬部分連接。

（4）并聯回路：所有用電器均為并聯連接，各用電器有其單獨的控制裝置。

2 重型汽車電源系統的布置形式

在發電機、蓄電池以及各電氣設備之間的布線，對電壓高低有影響，從而影響蓄電池的充電狀態。

如果所有用電器都接在蓄電池上，那么總電流都流經充電線路，導致線路壓降大，使充電電壓降低。相反，如果所有用電器都接在發電機上，電壓變小，充電電壓則會變高，但這樣對電壓峰值或高電壓波紋敏感的器件卻有負面影響。

所以，應當把對電壓不敏感而高輸入功率的設備接到發電機上，對電壓敏感而功率小的低用電設備接到蓄電池上，重型汽車電源系統的布置形式見圖1。

圖1 重型汽車電源系統的布置形式

3 蓄電池的匹配選型

蓄電池主要作用是給起動系統提供電源，儲存電能，吸收電路系統瞬時過電壓，以及在發電機不工作時為輔助用電器供電[2]。

3.1 蓄電池的選擇要求

（1）蓄電池選型時，蓄電池的額定電壓要與汽車用電器的額定電壓相同，蓄電池的額定容量要滿足車輛起動的要求。按照起動機的功率，并結合其他用電器功率確定符合要求的蓄電池規格。

（2）在原來起動機、照明等常規用電器作為汽車電器系統基本配置的同時，目前不斷擴大到發動機電控系統、變速箱電控系統、操縱安全性舒適性控制系統、防盜系統、影音系統等。這些用電器件消耗電能的比重不斷增加，所以對蓄電池的容量要求也在提升。

（3）在惡劣條件下對試驗車輛進行試驗，可以確定批量生產的汽車為滿足標準的電能需要配備的合適的蓄電池、起動機、發電機等。

3.2 蓄電池的主要參數

3.2.1 蓄電池的容量

對于完全充足電的蓄電池，在允許放電范圍內，所輸出的電量就是蓄電池的容量[3]，即：

式中：C為蓄電池的容量，單位：A·h；If為放電電流，單位為A；tf為放電時間，單位為h。

蓄電池的容量與放電的電流大小、電解液的溫度都有關系[3]。

3.2.2 額定容量

檢驗蓄電池質量的主要指標是額定容量，即以20 h放電率的放電電流在電解液初始溫度為（25±5）℃，密度為（1.28±0.01）g/cm3的條件下，連續放電到規定的單格終止電壓1.75 V，蓄電池所輸出的電量，稱為額定容量，用C20表示[1]。

3.2.3 起動容量

蓄電池在發動機起動時的供電能力稱為起動容量，起動容量分為常溫和低溫兩種[2]。

（1）常溫起動容量。常溫起動容量是電解液平均溫度為30 ℃時，以放電率3Qe放電至單格電壓下降到1.5 V 時所輸出的電量[3]。

（2）低溫起動容量。低溫起動容量是電解液平均溫度為－18 ℃時，以放電率3Qe放電至單格電壓下降到1 V 時所輸出的電量[3]。

3.3 蓄電池的選擇

蓄電池與整車的匹配設計是指根據起動機有關的參數和整車的條件，選擇某一種規格的蓄電池，使其性能滿足整車的使用條件。

3.3.1 蓄電池容量的選擇

蓄電池的功能主要是保證發動機的起動性能，因此，首先要根據起動機的功率計算，然后再結合其他因素進行調整，最后按蓄電池的規格進行選型。

蓄電池的容量可根據下式計算：

式中：Qc為蓄電池額定容量，單位為A·h；Pst為起動機功率，單位為kW；n為短路電流變化系數，詳見表1。g為蓄電池短路系數，見表1（g=Ikd/Qc，Ikd為蓄電池的短路電流）；Un為蓄電池額定電壓，單位為V；k表示系數，通常取5487。

表1 相關參數表

或根據經驗公式：Q=（450~600）P/U；Q為蓄電池容量，P、U分別為起動機額定功率和電壓。例如，某車型起動機功率為7.8 kW，Q=550×7.8/24=178.75A·h，所以蓄電池選擇2塊12 V，180 A·h串聯。

3.3.2 影響蓄電池性能和容量的因素

放電電流、電解液的溫度和密度都會影響蓄電池的容量。

（1）環境溫度（電解液溫度）對蓄電池容量的影響。使用環境對蓄電池容量的影響很大，如果車輛經常工作在寒冷地區，就必須對蓄電池的性能提出更高的要求，當環境溫度很低時，電解液的黏度增加，電解液向極板孔隙內流動困難，同時電解液的電離困難也使蓄電池的內阻增加，放電電壓降低，極板上的活性物質不能有效地使用，從而使容量降低，造成起動時蓄電池不能有效地提供較大的起動電流，使發動機的起動非常困難。

經測定，電解液溫度每下降1 ℃，蓄電池容量減少百分之一，且在大電流放電時可減少百分之二。

30 ℃時的蓄電池容量與不同溫度下的容量的關系：

式中：Q30為溫度是 30 ℃時的蓄電池的容量，單位為A·h；Qt為電解液的平均溫度為t ℃時的容量，單位：A·h；t是電解液放電時的平均溫度，單位：℃。

（2）電解液的密度影響蓄電池容量。蓄電池電解液的密度在（1.24～1.31）g/cm3左右，電解液的密度大可以降低結冰溫度，并可提高蓄電池的容量[4]。但密度過大將造成電解液的黏度增加，會使流動性減少，反而會使容量減少。

根據不同的地區和不同的使用環境，電解液密度應在下表范圍內進行調整。不同氣候條件下電解液的密度見表2。

表2 不同溫度下電解液的密度[3]（單位：g/cm3）

（3）放電電流對蓄電池容量的影響。蓄電池放電電流過大（超過 3Qe）就會造成蓄電池容量的下降，電流越大下降的幅度就越大。

在進行蓄電池容量確定時，既要考慮常溫下的工作狀況，還要考慮環境溫度等多種因素的，一般在超低溫環境（—35℃以下）須選用特殊的低溫型蓄電池。

4 發電機性能的匹配

發電機是車輛用電裝置的能源，同時擔負著對蓄電池的補充充電的作用。發電機一般包括三相同步電機和整流器兩部分，主要由轉子、定子、整流器和一些附件組成。目前重型汽車采用的發電機為整體式交流發電機[2]。

在選擇發電機時，如果發電機功率過大，既占用體積，發電機容量又得不到充分利用，并且會造成發動機油耗增加；反之，則會造成對蓄電池的充電不足，影響起動并會造成蓄電池過早損耗。發電機的匹配設計，是指根據整車及發動機的有關數據，匹配設計適合于該車型的發電機。

4.1 發電機連接方式匹配設計

4.1.1 傳動方式

發電機與發動機的傳動方式采用皮帶傳動。

4.1.2 安裝方式

發電機一般安裝在發動機的前部，由曲軸皮帶輪或風扇皮帶輪驅動，發電機的安裝要保證皮帶槽中心線的平面度。為調整發電機皮帶的張緊力，發電機本身還要具有張緊輪的作用，因此，發電機都設計有兩個支承腳，即固定掛角和調節掛角。

4.1.3 傳動比

發電機一般在6 000 r/min 左右轉速下工作時，發電機的性能發揮得比較好，也比較經濟。如果在較低轉速下運行，風扇的排風量小，冷卻效果不好，特別是在 3 000～3 500 r/min 轉速工作時，如果工作電器較多，發電機的溫升很高，所以應該盡量避免發電機長期在這一轉速下工作[2]。

發電機的理想工作轉速是6 000 r/min 左右，可根據發動機的常用工作轉速計算發動機與發電機的傳動比：

式中：i為發動機與發電機的傳動比；Nc為發動機的常用轉速，r/min。

4.2 發電機的特性參數

發電機的輸出電流、輸出電壓、轉速之間的關系稱為發電機的特性。

4.2.1 空載特性

空載特性是指發電機在無電流輸出時，發電機輸出端（B+）電壓隨轉速變化的關系，隨著發電機轉速的升高輸出電壓迅速升高[4]。

4.2.2 輸出特性

從輸出特性曲線可以看出，在保持輸出電壓不變的條件下，發電機的輸出電流隨發電機的轉速升高而逐漸增大，當轉速值升高到一定值后，由于交流發電機具有電抗調節作用，輸出電流的增加速度就會減慢并逐漸趨于穩定，這個穩定值就是發電機的最大輸出電流[4]。發電機的輸出特性見圖2。

圖2 發電機的輸出特性

4.2.3 外特性

外特性是在轉速一定的情況下，隨著發電機輸出電流的增加，發電機的輸出電壓有大幅度的下降，當輸出電流增加到一定值之后，電流和電壓值將同時下降，主要原因如下[2]：

（1）發電機輸出電流增加時，定子繞組和整流管上電壓降增加，發電機的端電壓下降；

（2）輸出電流增加時，由于電樞反應的作用使磁場削弱，發電機的電動勢降低，發電機的端電壓下降；

（3）由于發電機的輸出電壓下降，使磁場電流減小，從而使發電機的磁場削弱，引起電動勢和輸出電壓進一步下降。

車輛設計過程中，對于發電機的性能，一般只考慮發電機的輸出特性。

4.3 確定發電機參數的一般步驟

4.3.1 整車用電負載電流計算

總電流計算公式：

式中Ii為第i 個用電裝置的額定電流，Ki為第i 個用電裝置的加權系數。

4.3.2 發電機的輸出電流計算

發動機轉速ne與車速v之間關系：

其中k為系數0.377，i0為主傳動比，ig為各檔傳動比，R為輪胎滾動半徑。發電機轉速n與發動機轉速ne之間根據皮帶傳動比換算，可以得出各個轉速下的輸出電流[4]。

4.3.3 平衡計算

發電機額定電流：

其中Iv為整車用電負載電流，t為蓄電池放電的相對時間（0.1~0.2）。

計算完成初選后，一般需要進行怠速匹配和極限工況匹配[2]。

4.4 發電機應用匹配電器線路要求

（1）發電機B+端無需通過保險絲可直接連接到蓄電池的正極，且要連接牢固。連接導線的電壓降要小于1V，導線截面積視導線長度和工作電流大小而定，其截面積至少要大于 6 mm2。若車輛配備電渦流緩速器導線線徑需增加到 35 mm2。

（2）如果發電機B+端通過保險絲連接到蓄電池的正極，保險絲容量選擇為發電機額定容量的1.2～1.5 倍。

（3）對于不帶自勵磁的發電機，設計發電機線路時要為發電機提供一個勵磁電流電路，勵磁電流要大于 90mA。如果沒有勵磁電流或勵磁電流太小，可能會導致發動機在怠速或額定轉速下不發電的故障。一般是在發電機 D+端到蓄電池正極串接一個2～4 W 燈泡或相應阻值的電阻，或是并聯一定電阻的發光二極管亦可。

（4）在設計發電機線路時，必須考慮對發電機的良好保護。尤其是對保險絲、電源總開關等的設計，如保險絲容量選擇太小、電源總開關質量差、可靠性不好，在車輛正常運行時，保險絲、電源總開關斷開等突然產生拋負載現象，將對發電機電壓調節器、整流二極管等電器部件造成嚴重損傷甚至損壞。

（5）發電系統電路各接線點必須保證連接良好，要有預防振動產生的各接線處松脫造成的接觸不良之措施。否則將導致接觸電阻增大，電壓降上升，影響各電器負載的正常使用；嚴重的會出現各電器負載功率嚴重不足，導致車輛不能正常起動。

（6）發電機在怠速狀態下，要滿足整車用電器的用電量[2]。

（7）導線規格的要求：B+端導線線徑大于6 mm2；D+端線徑為1.0 mm2；E端線徑4.0 mm2；W端線徑為1.0 mm2。

（8）空調導線與車用電器導線不得為同一導線。

（9）發電機上接線端子功能。B＋：正極端，同時接蓄電池正極和車輛用電器；E：負極，接地搭鐵；W：相輸出端，可接轉速表信號端；D+：接儀表上的充電指示燈。

5 匹配電渦流緩速器車輛的蓄電池和發電機的選擇

安裝電渦流緩速器的車輛，電渦流緩速器工作時，由蓄電池供給，當蓄電池容量下降時由發電機供給。電渦流緩速器停止工作時，發電機向蓄電池充電。車輛電渦流緩速器使用頻率越高，使用時間越長，對蓄電池和發電機的要求就越高。

5.1 蓄電池容量的確定

（1）電渦流緩速器最大電流I≤70 A時，蓄電池容量應不小于150 A·h；

（2）電渦流緩速器最大電流I>70 A時，蓄電池容量應不小于180 A·h。

5.2 發電機功率的確定

車輛安裝電渦流緩速器后，發電機的功率相應的要加大，發電機功率的計算公式如下：

式中，P指發電機所需功率（單位：W）；I1為整車用電器用電電流（單位：A）；I2為緩速器最大工作電流（單位：A）；U為發電機輸出電壓（單位：V）；k為用電系數，為0.6～0.7，緩速器長時間工作時取大值，間斷短時間工作取小值。

例如，某車型匹配電渦流緩速器額定工作電流135 A，整車用電器電流約35 A，蓄電池180 A·h，發電機為28 V，140 A，用電系數取0.7，即：

所以得出結論，該車型的電渦流緩速器、發電機和蓄電池符合匹配要求。

另外，可以根據實際經驗公式來計算發電機功率和蓄電池是否符合要求：

式中，I為發電機的輸出電流（發電機存在轉速輸出特性，取標稱輸出最大電流的 80%）；I1為所有用電器的用電量（約為20～30 A，載重車應該比客車?。籌2為電渦流緩速器的電流（長途客車和載重運輸車取最大電流的40%，公交車取最大電流的50%）。

例如，某電渦流緩速器的額定電流為160 A，蓄電池的額定容量為180 A·h，發電機的額定輸出電流為140 A，則：

因此該車型的電渦流緩速器、發電機和蓄電池符合匹配要求。

6 熔斷器容量的計算

熔斷器容量的計算要分連續用電器和間斷用電器兩種情況。連續用電器是指在特定條件下進行連續通電的用電器，如空調及近光燈、遠光燈等；間斷用電器是指工作時間短或斷斷續續工作的用電器，如喇叭、轉向燈，進氣加熱器等[2]。

根據經驗公式可計算出熔斷器的容量：

式中，I0為熔斷器額定容量；I為電路最大工作電流；k為系數（長時間工作的用電器取70%，短時間工作的用電器取90%）。

用經驗公式計算出熔斷器的容量后，再根據熔斷器的規格，選取合適的熔斷器。

例如，車輛配備的2只遠光燈是75 W，24 V，75/24×2/0.7=8.9 A，取10 A的熔斷器。

車輛配備的進氣加熱器額定電流為100 A，100/0.9=111A，取120 A的熔斷器。

7 計算導線的線徑

導線的截面積可以按下式計算獲得：

式中：I代表電流；P為功率；U為系統電壓；S為導線截面積；Uo為允許最大電壓降損失；ρ為銅電阻率；L為導線長度。

按照用電器的功率計算流過導線的電流，長時間工作的用電器選擇實際載流量60%的導線；短時間工作的用電器選擇實際載流量60%～100%之間的導線。允許流通電流與導線截面積關系經驗理論值如表3所示。

一般在24 V系統的汽車上，發電機到起動機的導線線徑要大于6 mm2，起動機到蓄電池正極的導線為70 mm2，若匹配電渦流緩速器時選用的發電機的額定電流加大，從發電機到起動機的導線線徑應為35 mm2以上。

8 結束語

在汽車電源系統匹配設計時，要根據整車的用電設備的功率來匹配蓄電池和發電機的相關參數，進而確定蓄電池和發電機的規格。同時，依據車輛實際工況試驗情況，最終確定蓄電池和發電機是否符合要求。另外，本文也介紹了熔斷器和導線線徑的計算方法。