輕型混合動力商用車低壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈文勇，董廣宇，任瑞龍

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，吉林 長春 130011）

如何降低汽車能源消耗和解決環(huán)境污染問題，成為目前汽車發(fā)展的重要課題，混合動力汽車被認(rèn)為是汽車工業(yè)近期應(yīng)對能源和環(huán)境問題的最主要對策和最現(xiàn)實(shí)的選擇之一。作為未來電動汽車或可再生資源汽車時(shí)代到來之前的一種過渡產(chǎn)品，其在節(jié)能和環(huán)保方面具有明顯的優(yōu)勢。在國內(nèi)隨著混合動力客車、轎車進(jìn)入市場，對適合市政使用的混合動力輕型商用車的需求也越來越迫切。

1 某輕型混合動力商用車整車描述

某輕型混合動力商用車采用自主開發(fā)的CA4DD改進(jìn)型發(fā)動機(jī)，電控國Ⅳ系統(tǒng)，匹配EGR+POC尾氣后處理系統(tǒng)，5檔AMT變速器和雙電機(jī)混合動力系統(tǒng)。整車主要基本參數(shù)如表1所示。

表1 混合動力商用車整車基本參數(shù)

1.1 輕型混合動力商用車構(gòu)型選擇

該輕型混合動力商用車的構(gòu)型方案為Ⅰ軸電機(jī)+Ⅱ軸電機(jī)的雙電機(jī)強(qiáng)混構(gòu)型，采用自主開發(fā)的AMT自動變速器，動力系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示。

1.2 驅(qū)動模式、各個(gè)總成工作狀態(tài)及其能量傳遞

輕型混合動力商用車的驅(qū)動模式及各個(gè)總成工作狀態(tài)如表2所示，部分驅(qū)動模式下動力系統(tǒng)能量傳遞示意圖如圖2所示。

1.3 控制策略

輕型混合動力商用車整車的控制策略如圖3所示，各總成的三維布置如圖4所示。

表2 驅(qū)動模式及各總成工作狀態(tài)

1）在低車速 （≤40 km／h）時(shí)，純電動行駛，消除發(fā)動機(jī)起車、加速和低速時(shí)的高油耗。

2）中、高車速時(shí)采用發(fā)動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動的模式行駛，當(dāng)需要高速高負(fù)荷時(shí)，主電機(jī) （Ⅱ軸電機(jī)）進(jìn)行助力實(shí)現(xiàn)聯(lián)合驅(qū)動；當(dāng)需要負(fù)荷較低時(shí)，輔電機(jī) （Ⅰ軸電機(jī)）發(fā)電以提高發(fā)動機(jī)負(fù)荷，即進(jìn)入發(fā)動機(jī)驅(qū)動且發(fā)電的模式，發(fā)動機(jī)始終工作在經(jīng)濟(jì)工況區(qū)。

3）制動時(shí)在滿足制動法規(guī)的前提下，優(yōu)先由主電機(jī)進(jìn)行制動能量回收，不足的制動力部分由液壓制動補(bǔ)充，使燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步得到提高。

2 整車低壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整車低壓系統(tǒng)電平衡計(jì)算

低壓系統(tǒng)電平衡是考核發(fā)電機(jī)、蓄電池以及用電設(shè)備之間匹配設(shè)計(jì)合理性的主要方法與手段，保證發(fā)電機(jī)在滿足用電設(shè)備使用的同時(shí)還要為低壓蓄電池充電。發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速為1 000～2 400 r／min，發(fā)電機(jī)與發(fā)動機(jī)傳動比為2.36，計(jì)算整車冬季常用電負(fù)荷為41.6 A，行駛過程中發(fā)電機(jī)需要給蓄電池充電，需預(yù)留I充=10%×蓄電池容量=12A，確定整車匹配55 A整體式交流發(fā)電機(jī)。根據(jù)圖5發(fā)電機(jī)熱態(tài)輸出可以看出滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2 低壓蓄電池容量確定

蓄電池的容量是以Ah來定義的，即在多少安培的電流強(qiáng)度下放電持續(xù)時(shí)間的乘積。舉例來說，某蓄電池在1A的電流強(qiáng)度下能放電120 h，則該蓄電池的容量就是120 Ah。蓄電池容量確認(rèn)參數(shù)如表3所示。

表3 蓄電池容量確認(rèn)參數(shù)表

根據(jù)表3所述參數(shù)，考慮蓄電池容量在實(shí)際使用中要有余量以及低溫試驗(yàn)的情況，整車匹配120 Ah的蓄電池，該蓄電池在實(shí)車上通過了寒區(qū)-30℃冷起動試驗(yàn)。

2.3 整車靜電流的預(yù)分配與測試

靜態(tài)電流是指車輛斷開點(diǎn)火開關(guān)后，連接蓄電池常電的一些電氣設(shè)備仍然有電流消耗，電流數(shù)值通過優(yōu)化可以調(diào)整但不可消除，為了保證車輛在放置一段時(shí)間后能正常起動，需要對整車靜態(tài)電流大小進(jìn)行規(guī)定限制。整車低壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，靜態(tài)電流按一定的規(guī)則進(jìn)行要求，因某輕型混合動力商用車蓄電池容量采用120Ah，通過相應(yīng)規(guī)則計(jì)算出整車靜態(tài)電流要小于28.6mA。靜態(tài)電流規(guī)定后，需對存在靜態(tài)電流的裝置進(jìn)行預(yù)分配。

點(diǎn)火開關(guān)處于OFF檔后，將蓄電池負(fù)極斷開并停車10min，將電流表調(diào)節(jié)到安培檔后串聯(lián)在蓄電池負(fù)極與車架搭鐵之間，待電流表顯示穩(wěn)定后將毫安檔萬用表并入安培檔萬用表兩端，斷開安培檔萬用表，之后由電源配電盒開始依次拔熔斷絲來確定電源配電盒內(nèi)主要的靜態(tài)電流分支線，觀察電流表靜態(tài)電流的變化情況，如表4所示。

表4 某輕型商用車靜態(tài)電流的測試

2.4 整車低壓系統(tǒng)電線束設(shè)計(jì)

電線束是汽車電路的網(wǎng)絡(luò)主體，是連接汽車內(nèi)部電源、起動、照明、信號、儀表及輔助電氣裝置并發(fā)揮其功能的零件，其設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

2.4.1 熔斷器的分配

在確定普通熔斷器分配方案之前，一般要根據(jù)電氣功能來確定熔斷器數(shù)量，然后對已確定的熔斷器進(jìn)行合理分配。分配原則是：一個(gè)熔斷器帶一個(gè)負(fù)載。當(dāng)熔斷器熔斷后，盡量不影響或少影響其他負(fù)載工作。設(shè)定熔斷器的目的是保護(hù)其下游導(dǎo)線，為此開發(fā)了帶有40路熔斷器的熔斷絲盒與24路熔斷器的電源配電盒。

2.4.1.1 熔斷絲盒設(shè)計(jì)與熔斷器分配

熔斷絲盒總成是駕駛室內(nèi)電源系統(tǒng)的熔斷器、繼電器和車身電氣件的電源匹配中樞，主要是對駕駛室內(nèi)與底盤上的中、低電流用電器線束的保護(hù)，如圖7所示。

2.4.1.2 電源配電盒設(shè)計(jì)與熔斷器分配

電源配電盒總成是整車電源系統(tǒng)的大電流熔斷器、小電流熔斷器和底盤、發(fā)動機(jī)電氣件的電源匹配中樞，它主要是對車身、底盤和發(fā)動機(jī)上的大電流和部分小電流用電設(shè)備的線束做保護(hù)，如圖8所示。

2.4.2 整車低壓電線束設(shè)計(jì)原則

1）完整正確地體現(xiàn)整車電氣系統(tǒng)功能，首先根據(jù)電氣原理圖和整車電氣零部件的分布位置，考慮合理的線路走向，需三維布置做支持，如圖9所示。

2）根據(jù)車型的需要設(shè)計(jì)成整體或分組分段的電線束，例如DC／DC的電源輸出和輸入線。

3）根據(jù)汽車電線束所處的工作環(huán)境及在汽車內(nèi)的空間布置，合理選擇導(dǎo)線類型、插接器、外部保護(hù)層和固定方式 （耐磨、耐熱、防水、防塵和抗振等），如圖10所示。

4）在設(shè)計(jì)過程中盡量減少連接點(diǎn)和過渡接頭，這樣對提高電線束品質(zhì)，減少故障點(diǎn)大有益處。

5）對汽車上一些較敏感的傳感器信號應(yīng)增加防干擾措施，如使用雙絞線或屏蔽線。

6）同一個(gè)插接器中盡量避免有規(guī)格、顏色相同的導(dǎo)線。

7）汽車電線束中的連接點(diǎn)要采用星形接法或并連接法，重要總成和部件 （ABS等）的搭鐵線單獨(dú)接到蓄電池負(fù)極等，保證整車電氣系統(tǒng)可靠工作。

2.5 整車低壓部分CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

整車的電氣網(wǎng)絡(luò)采用CAN總線模式，設(shè)置2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)，分別為A網(wǎng)和B網(wǎng)。如圖11所示的某輕型混合動力商用車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

CAN總線的總長度應(yīng)≤40m，節(jié)點(diǎn)與總線間距最長不超過1 m，節(jié)點(diǎn)間距離最小為0.1 m。為提高抗干擾能力，CAN信號線采用屏蔽雙絞線，信號傳播延遲時(shí)間小于或等于5 ns／m，線芯截面積為0.5～0.75mm2，絞線率為30mm，屏蔽線必須采用一點(diǎn)搭鐵，否則將會影響CAN通信效果。搭鐵原則：①連接到最小噪聲點(diǎn)；②使用盡可能低的阻抗連接；③搭鐵點(diǎn)盡可能接近網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)。實(shí)際布線時(shí)節(jié)點(diǎn)與總線間的距離應(yīng)盡可能短，為了減小駐波，網(wǎng)絡(luò)上各ECU不能等距布置，節(jié)點(diǎn)與總線之間距離不應(yīng)完全相同。

3 整車低壓電氣系統(tǒng)回路測試

回路測試的目的是確保在整車低壓電線束設(shè)計(jì)中熔斷絲和線徑選擇的合理性，并且確保電線束的選擇與熔斷絲額定值之間相匹配。回路試驗(yàn)不能在多種溫度狀態(tài)下驗(yàn)證熔斷絲和導(dǎo)線的規(guī)格，不考慮感性負(fù)載、電容性負(fù)載和電流瞬間脈沖，起動機(jī)、發(fā)電機(jī)和ABS等電流取額定值，整個(gè)電氣回路測試在搭建回路測試臺架與試驗(yàn)樣車上進(jìn)行。

4 總結(jié)

輕型混合動力商用車的低壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及低壓蓄電池的選型、發(fā)電機(jī)容量的確定、整車電平衡計(jì)算、CAN網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和電源分配等，由于多種控制器、傳感器、電機(jī)和電磁閥集中布置在底盤上，其電磁兼容性設(shè)計(jì)也尤為重要，值得廣大設(shè)計(jì)者認(rèn)真思考與琢磨。混合動力的開發(fā)已成為國內(nèi)外許多汽車廠家的研發(fā)熱點(diǎn)，特別在日本和美國得到迅猛發(fā)展。在國內(nèi)隨著混合動力客車、轎車進(jìn)入市場，對適合城市使用的輕型混合動力商用車的需求也越來越迫切。某輕型混合動力商用車的成功開發(fā)彌補(bǔ)了一汽新能源輕型載貨汽車的空缺，為一汽未來的新能源輕型商用車的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

［1］魏春源.汽車電氣與電子［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2004：3-8.

［2］ 張明森.汽車的電量平衡計(jì)算［J］.汽車電器，2010 （10）：10-16.