整車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能測試淺析

楊國樑， 王子龍， 譚金超， 豐彥冬， 王東升， 唐風(fēng)敏

（中汽研（天津） 汽車工程研究院有限公司， 天津 300300）

汽車電子的快速發(fā)展，導(dǎo)致整車電氣系統(tǒng)在研發(fā)及測試過程中面臨著巨大挑戰(zhàn)。電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不當(dāng)會導(dǎo)致諸多問題，最為嚴(yán)重時將造成生命威脅。本文對電氣子系統(tǒng)的通用設(shè)計(jì)及性能測試進(jìn)行淺析。

1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源系統(tǒng)核心部件為起動機(jī)、蓄電池、發(fā)電機(jī)等［1］，圖1是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。

圖1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

通過圖1可明確關(guān)鍵組件的選型參數(shù)和具體的影響因素。按照流程圖依次完成起動機(jī)、蓄電池、發(fā)電機(jī)及其調(diào)節(jié)器的選型設(shè)計(jì)。

2 線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 線束系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

線束設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在熔斷絲及導(dǎo)線。其開發(fā)思路如圖2所示。

圖2 線束設(shè)計(jì)的開發(fā)思路

2.2 熔斷絲選取

2.2.1 熔斷絲選用原則

根據(jù)日本標(biāo)準(zhǔn)JASO D610可知，可將熔斷絲劃分成快熔熔斷絲和慢熔熔斷絲［2］。

負(fù)載區(qū)分感性及阻性，基于此確定熔斷絲。感性負(fù)載浪涌電流大故搭配慢熔熔斷絲［3］；電流變動敏感的阻性負(fù)載搭配快熔熔斷絲［3］。對于回路較長的多個負(fù)載，為避免線束短路需設(shè)置慢熔熔斷絲以保護(hù)多條回路，如圖3所示。

熔斷絲選用與否的原則：①功率型負(fù)載均需要設(shè)立熔斷絲予以保護(hù)，而不對信號線單獨(dú)設(shè)立熔斷絲；②熔斷絲基于安全可細(xì)化；③當(dāng)一個熔斷絲同時保護(hù)兩個用電器，而這兩個用電器差異較大，應(yīng)進(jìn)一步細(xì)化。

熔斷絲合并與否的原則：①安全系統(tǒng)需單獨(dú)設(shè)有熔斷絲；②行車系統(tǒng)中，具有不同功能的用電器不允許共用熔斷絲；③舒適娛樂功能熔斷絲可視情況合并；④為防止別的負(fù)載干擾控制器，控制器應(yīng)專門設(shè)立熔斷絲；⑤EMS相關(guān)的執(zhí)行器及傳感器需單獨(dú)加裝熔斷絲。

2.2.2 熔斷絲限值的選取

工作環(huán)境、電流大小以及負(fù)載的種類直接影響熔斷絲的選擇。

第1，確定熔斷絲類型；第2，參數(shù)核算。主要包括如下核算。

1） 連續(xù)額定工作

熔斷絲額定電流計(jì)算：

圖3 慢熔熔斷絲選用

式中：IR——熔斷絲的額定電流；IL——負(fù)載的額定電流；CT——環(huán)境溫度衰減系數(shù)，快熔型溫度變化率［1］為0.15%／℃，則CT=1-0.0015ΔT；慢熔型為0.18%／℃，則CT=1-0.0018ΔT；CR——熔斷絲特性系數(shù)，快熔熔斷絲一般取0.7，慢熔熔斷絲一般取0.5［1］。

2） 過負(fù)載工作

電機(jī)類電器過負(fù)載電流推薦為IR的1.1～1.13倍。

3） 瞬時沖擊的校核

針對電流瞬時沖擊，進(jìn)行相對熔斷熱能I2t校核（即沖擊電流I2t與熔斷絲許容I2t的比值）。要求相對I2t＜22%；常見波形如圖4所示。

4） 過渡電流的校核

大功率的電機(jī)啟動時產(chǎn)生的沖擊電流的時間一般高于0.1s，以上校核方式將不再適用，這時需要通過MATLAB做出相對I2t的變化曲線進(jìn)行計(jì)算。

2.3 導(dǎo)線選取

熔斷絲選型后，再選取導(dǎo)線。

第1，先根據(jù)負(fù)載工作電流及線束的環(huán)境溫度基本確定導(dǎo)線的材質(zhì)［1］。以日標(biāo)線束為例，一般使用AV、AVS線束。

圖4 常見沖擊電流波形的I2t

對于工作溫度高的位置，可選用耐熱低壓電線AVX或AEX［4］。

第2，確定線徑。包括如下計(jì)算。

1） 額定電流

對于集成裝配的線束，需根據(jù)電源回路的數(shù)量對額定電流進(jìn)行校正，公式如下：

式中：Id——線束的計(jì)算電流；IL——負(fù)載的額定工作電流；Cd——集成電源回路的校正系數(shù)［1］參考表1?；贗d及所處環(huán)境確定線徑。

2） 回路壓降因回路電阻產(chǎn)生壓降，其計(jì)算公式為：

式中：L——回路的長度，cm；γ——所選線材線徑的電阻率，Ω／cm，該值與線徑成反比；IL——負(fù)載的額定工作電流，A。

要求Vd不大于設(shè)計(jì)限值，若不滿足可通過增大線徑的方式減小Vd。

3） 回路溫升

根據(jù)負(fù)載的工作電流計(jì)算導(dǎo)線的溫升。線束絕緣層溫升主要來源于環(huán)境熱量及導(dǎo)線通過電流所產(chǎn)生的熱量?；芈冯娏鬟^大可能導(dǎo)致線束溫度超過設(shè)計(jì)值，將加速絕緣層老化，故導(dǎo)線額定電流與溫升有關(guān)；回路電流過小，又不利于成本優(yōu)化。利用導(dǎo)線產(chǎn)熱與散熱平衡程度推算溫升情況。

表1 集成電源回路的校正系數(shù)

2.4 導(dǎo)線與熔斷絲匹配

1） 導(dǎo)線與熔斷絲的匹配校核。要求在任意發(fā)煙電流下導(dǎo)線的發(fā)煙時間大于熔斷絲的熔斷時間。

2） 短路電流的校核?；诨芈房傋杩惯M(jìn)行短路電流（Ishort） 校核?；芈房傋杩篂榫€上阻抗與節(jié)點(diǎn)阻抗之和，一般要求Ishort≥350%IR。

3） 過流和電機(jī)類過負(fù)載的校核。回路電流超過IR或者電機(jī)類過負(fù)載時易導(dǎo)致回路溫升加大，需進(jìn)行溫升校核。

2.5 搭鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

搭鐵設(shè)計(jì)內(nèi)容作者在另一篇論文中做了詳細(xì)論述［5］，本文不再贅述。

3 整車電性能測試

3.1 測試內(nèi)容簡介

基于電氣子系統(tǒng)提出電源、線束、搭鐵系統(tǒng)測試及其它，用于獲取實(shí)車電氣參數(shù)與設(shè)計(jì)指標(biāo)的偏離情況，進(jìn)而分析對電器功能及性能的影響。內(nèi)容見表2。

表2 電氣系統(tǒng)主要測試內(nèi)容

整車電性能測試前均需檢查車輛及測試設(shè)備狀態(tài)以確保功能正常。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)類型準(zhǔn)備相應(yīng)的測試設(shè)備 （表3）。測試前需要根據(jù)測試資料（表3） 形成測試用例，測試用例包含詳細(xì)熔斷絲類型及限值、熔斷絲所保護(hù)負(fù)載及負(fù)載線束信息、每項(xiàng)測試的具體點(diǎn)位以及測試時車輛的電源狀態(tài)等信息。

表3 測試設(shè)備及測試資料

根據(jù)負(fù)載工作電源狀態(tài)進(jìn)行操作。非怠速時電源狀態(tài)可分為OFF、ACC、ON擋。此時為了模擬車輛啟動時發(fā)電機(jī)電壓輸出，在蓄電池正負(fù)極兩端并聯(lián)程控電源，并將輸出電壓設(shè)定為14.50±0.2V。基于測試矩陣對每個點(diǎn)位逐一試驗(yàn)并依據(jù)評價準(zhǔn)則對數(shù)據(jù)及現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合測試時記錄的數(shù)據(jù)分析偏差項(xiàng)（與設(shè)計(jì)要求不符的測試項(xiàng)） 產(chǎn)生的原因。最后編寫測試報(bào)告。

3.2 拋負(fù)載測試結(jié)果分析

以拋負(fù)載測試為例，測試結(jié)果如下。

蒙迪歐拋負(fù)載測試：蓄電池SOC70%、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2000r／min測試，斷開蓄電池正極瞬間，近光燈、遠(yuǎn)光燈全部燈絲燒斷。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：該試驗(yàn)車配置的發(fā)電機(jī)具有穩(wěn)壓抑制電路，測得實(shí)際U*s=25.2V；企標(biāo)要求脈沖U*s值≤21.5V；實(shí)測結(jié)果超標(biāo)嚴(yán)重。

此試驗(yàn)車型配置的近光燈、遠(yuǎn)光燈燈泡均為歐司朗H7U型號，具體參數(shù)為12V、55W。燈絲燒斷瞬間，燈泡電氣參數(shù)波形如圖5所示。

圖5 燈泡電氣參數(shù)波形

圖5 中1通道為蓄電池電壓、2通道為燈泡電壓、3為燈泡電流。燈泡瞬態(tài)最大電流達(dá)到10.9A＞4.58A （額定電流），最大電壓為25.2V＞12V （額定電壓），瞬時功率達(dá)到274.68W＞55W （額定功率），致使燈泡燒損。

整改建議：①重新對發(fā)電機(jī)選型，確保實(shí)際抑制電壓U*s≤21.5V；②提高燈泡的性能，確保其能夠承受瞬間大電壓脈沖。

4 結(jié)束語

本文對電氣子系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及其性能測試方法進(jìn)行了淺析。并以拋負(fù)載為例，進(jìn)行了測試結(jié)果分析并給出了整改措施。