整車電源系統設計方法探索

羅校軍 胡盛弟

【摘 要】文章介紹了整車電源系統設計時，起動機、蓄電池及發電機設計校核的方法。保證電源系統設計合理有效，為后續實驗、測試環節提供理論保障。

【關鍵詞】整車電源系統;起動機;蓄電池;發電機;整車供電平衡

【中圖分類號】U463.63 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）12-0062-02

0 引言

整車電源系統部件一般包括起動機、發電機及蓄電池。三者之間有著緊密的聯系：起動機主要用于啟動發動機，而蓄電池提供起動機工作時的電能，發電機則是為整車用電器提供電能，同時給蓄電池充電。起動機、蓄電池及發電機選型匹配是否合適，從整車角度來看，影響整車的啟動性能、成本及油耗;從零部件角度來看，不僅嚴重影響蓄電池的使用壽命，還會對整車用電器正常性能造成影響。

1 起動機校核

起動機主要作用是拖動發動機從靜止狀態開始運轉并使發動機達到自行穩定運轉，因此不僅要求起動機工作時可以提供足夠的扭矩，同時還要求啟動時發動機轉速達到可以維持正常運行的最低轉速。如果起動機選型不合理，會影響到整車的啟動性能。

一般情況下，發動機選定之后，起動機基本上也已經選定，因此我們需要對選定的起動機的啟動性能進行校核，校核前需要收集的關鍵信息有以下幾個方面：①發動機在-30 ℃環境下，剛好能啟動并維持正常運轉時的最低轉速NE;②發動機在-30 ℃環境下，穩態拖動的反扭矩TE;③發動機帶輪與起動機帶輪齒數比i;④起動機特性曲線（如圖1所示）。

其中，起動機提供的扭矩為TS，起動機轉速為NS。根據起動機與發動機配合的原理，我們可以得到以下兩個公式：

NS=NE×i（1）

TS=TE/i（2）

通過已知的TE、i，計算出對應的TS，通過TS讀取起動機特性曲線，得到起動電流IS，再通過IS讀取對應的轉速NS。對比NS與NE×i，校核起動機性能：如果NS≥NE×i，則表明該起動機可以驅動發動機達到自行穩定運轉的轉速，而如果NS

2 蓄電池選型校核

蓄電池的主要作用是在發動機啟動時給起動機及點火系統供電，并在發電機發生故障不工作或者發電量不足的情況下給整車用電器供電，以及在車輛鎖車靜置時維持各控制器存儲、記憶等模塊的電流消耗。蓄電池選型不合理，不僅會影響整車啟動性能與整車靜置時長，也會對蓄電池本身的使用壽命造成影響。如果因為蓄電池的原因使用戶遇到車輛無法啟動、短時間更換蓄電池等問題，不僅對用戶本身造成極大的困擾，也會對汽車品牌的口碑造成影響。

2.1 蓄電池類型的選擇

根據不同類車型對蓄電池的功能需求與對蓄電池的充電邏輯選擇蓄電池的類型，使所選蓄電池達到性能可靠又經濟實惠的目的。例如：啟停非輕混車型的蓄電池類型選擇與整車成本有關，成本上EFB更優，性能上AGM更優;EV車的蓄電池類型選擇與蓄電池的充電邏輯有關，如果某車型對蓄電池充電的邏輯為當蓄電池電量低于某個閾值時再對蓄電池進行充電，則需要選用AGM蓄電池。各車型可選蓄電池類型見表1。

2.2 蓄電池性能校核

2.2.1 蓄電池冷啟動性能校核

蓄電池主要作用是在整車啟動過程中為起動機提供電能，因此校核蓄電池的冷啟動性能需要結合起動機相關的特性參數。需要校核兩個方面：①蓄電池的低溫冷啟動電流（CCA）;②蓄電池的內阻。整車起動時，蓄電池不可能都是滿電狀態，因此需要選擇一個電量（SOC）狀態下的蓄電池內阻進行校核。

校核條件：環境溫度為-30 ℃，預選蓄電池電量為80%。

已知條件：發動機帶輪與起動機帶輪齒數比i;發動機在-30 ℃環境下，穩態拖動的反扭矩TE;起動機到蓄電池線束回路電阻RC;起動機特性曲線（如圖1所示）;預選蓄電池在80%電量、-30 ℃條件下的端電壓U與內阻RB。

校核過程如下：通過TS=TE/I，得到起動時起動機需要提供的扭矩，通過圖1與TS值查出起動電流IS、起動機端電壓US。假設起動機可正常起動所需要蓄電池的內阻為RB1，起動回路電壓公式如下：

U=US+RC×IS+RB1×IS（1）

可得

RB1=（U-IS×RC-US）/IS（2）

要求IS

2.2.2 蓄電池額定容量（C20）校核

為保證車輛在經過長時間不使用或運輸后仍能正常啟動，要求車輛在不斷掉負極電纜的情況下，靜置42 d后仍能正常啟動，即要求蓄電池因整車靜態電流、蓄電池自耗電導致電量消耗后的剩余電量，仍能滿足起動機最低啟動要求?？紤]到車輛開始靜置時蓄電池可能不是100%的電量（設為80%），以及常溫下蓄電池電量低于30%就存在無法啟動的風險，蓄電池每天的自損耗約為容量的2‰，同時收集整車靜態電流I（單位為A），所以蓄電池額定容量需要滿足：

80%C20-I×42×24-2‰C20×42≥30%C20（1）

公式轉化后可得：

C20≥（I×42×24）/（80%-30%-84‰）（2）

3 發電機校核

發電機主要是在發動機啟動后為整車用電器提供電源及為蓄電池進行充電，因此發電機發電量必須滿足整車用電器用電需求和蓄電池充電需求。由于發電機由發動機帶輪帶動發電，因此如果發電量超過整車用電需求太多，不僅造成發電機成本偏高，也會使得燃油白白浪費，影響整車油耗及動力性能。如果發電機發電能力低于整車用電需求，無剩余的電量為蓄電池充電，這將使蓄電池的壽命大大縮短。因此，對整車供電平衡進行校核是十分必要的。

整車用電器在不同時間段、不同工況下的使用頻率有所不同。按經驗將用電器的這種不同的使用頻率設置成頻度系數k，并列出最高耗電工況下用電器的用電需求和頻度系數，見表2。

因此，夏季怠速、夏季行駛工況整車用電需求分別如下：

I總1 =（IA×KA1+IB×KB1+…）×1.2（1）

I總2 =（IA×KA2+IB×KB2+…）×1.2（2）

其中，1.2為供電安全系數。

發電機夏季怠速與夏季行駛工況發電量通過發電機輸出曲線得到（如圖2所示）。

夏季怠速工況，發電機轉速為N1，一般為1 800～2 000 r/min。夏季行駛工況，發電機轉速為N2，轉速一般為5 000～6 000 r/min。在N1、N2轉速下讀取發電機發電量為I1、I2，并對比I1與I總1、I2與I總2，發電機發電量比整車用電需求大5 A左右為合理。通過該方法校核整車供電平衡，選用合適的發電機，既不會造成燃油和動力性能的浪費，也不會對蓄電池壽命和整車用電器性能造成影響。

4 結語

本文從起動機性能校核、蓄電池選型校核及發電機供電平衡校核3個方面對整車電源系統設計方法做了探索說明。此外，在整車電源系統設計中，電壓降、電壓波動等項目也是測試校核的內容。理論校核是設計的前期環節，整車電源系統設計是否合理，還需要通過實驗、測試環節進行最終驗證。

參 考 文 獻

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