整車電氣系統單負載測試研究

秦振海，趙雷雷，王曉鵬，黃 龍

（陜西汽車集團有限責任公司，陜西 西安710005）

1 前言

隨著汽車新技術的應用和人們對舒適性的要求越來越高，汽車電氣系統越來越復雜。在進行新車型的開發和改型中，為了更好地驗證電氣系統的設計方案和可靠性，需要對回路的大負載電器設備進行實車測試，來驗證實際環境下其工作參數或指標是否滿足設計目標和要求，以保證電氣性能的可靠性。

2 整車電氣系統單負載分類

2.1 按照受氣候環境影響分類

整車電氣系統單負載按照氣候環境分類，可以分為3類：①冬季使用的電氣系統包括暖風、獨立暖風、后視鏡加熱、座椅加熱、發動機輔助加熱等系統；②夏季使用的電氣系統包括空調、駐車空調、座椅通風等系統；③不限氣候環境使用的電氣系統包括：電源、燈光、儀表系統等。

2.2 按照用電設備工作機制分類

整車電氣系統單負載按照用電設備工作機制分類，可以分為3類：①長時工作的電氣系統包括電源、發動機控制器、儀表、燈光、空調系統；②短時工作的電氣系統包括點煙器、后視鏡加熱等系統；③間歇性或周期性工作的電氣系統包括雨刮、中控門鎖、ABS控制器、危險報警、電動玻璃升降器等。

3 整車電氣系統單負載測試部件確定

整車電氣系統單負載測試部件確定原則一般如下：根據整車是新車型的開發還是改型，若整車是改型車型，對于新增加的電器設備，其單負載測試為必測項目。若整車是新車型的開發，根據回路負載選用熔斷器的大小、工作機制（長時工作）及統計的故障率來篩選需要測試的單負載，熔斷器容量大于10A的回路，其單負載測試為必測項目。

4 某車型整車電氣系統單負載測試

該項測試針對低壓電器系統中的各個電器負載，在典型極限氣候條件下進行測試，獲得其單獨運行的電壓、電流等詳細電氣特性。測試記錄各電器負載在啟動瞬間、穩態和堵轉3種狀態下的電壓及電流數據及波形；若電路保護器件熔斷，則記錄、存儲其熔斷特性。

4.1 該車型電氣系統單負載測試部件確定

根據該車型電氣系統的配置，按照上述原則篩選出需要測試的單負載項目，見表1。

表1 需要測試的單負載項目

4.2 電氣系統單負載測試條件的確定

4.2.1 低溫環境下電氣系統單負載測試條件的確定

對于暴露于低溫環境的電氣系統，低溫會誘發改變其電氣特性，如：電子器件（電阻類、電容類等）性能改變，變壓器和機電部件的性能改變。結合低溫環境循環范圍：低緯度區的高原地帶自然環境溫度-21℃～-31℃及中國的低溫極值出現概率：-35℃為23%。因此低溫測試環境溫度定為-30±2℃。

4.2.2 高溫環境下電氣系統單負載測試條件的確定

對于暴露于高溫環境的電氣系統，高溫會暫時或永久性降低系統的性能。結合我國的地面高溫循環數據，周圍空氣溫度為30℃～43℃，高溫達到峰值時間持續4h（從下午13點到17點）之久發動機工作時散出的熱量誘發周圍環境的溫度可以達到63℃。因此高溫測試環境溫度定為40±20℃。

4.3 電氣系統單負載測試方案的實施

在進行單負載測試時，利用CSM電性能測試設備，其由4部分組成：計算機的硬件資源、模塊化的采集硬件、可配置的傳感器和應用軟件。如圖1所示。CSM電性能測試設備采用PC機作為硬件平臺，CSM數據采集模塊作為硬件實時接口，軟件采用測控領域廣為流行的Vsignalyzer軟件，它具有廣泛的適用性，可以用于測試多種高低壓車載電子電氣系統，提供與車載電子電氣系統交互的實時接口，模擬信號輸入、模擬信號輸出、數字I／O、CAN通信接口、電阻輸出。

4.3.1 電氣系統單負載測試原理

1）單負載電壓測試方法

圖1 CSM電性能測試系統組成

根據整車電器原理圖和線束圖定位測試回路，找到被測負載電源、搭鐵線，電壓采集線按照標簽定義，將BNC接頭連接相應刺破探針上，探針的正負極相應刺破負載電源、搭鐵線。

2）單負載電流測試方法

對單負載電流進行測試有3種設備可供選擇：電流鉗、霍爾傳感器和分流器。電流鉗使用較為方便，只需根據被測電流大小選定相應量程，將電流鉗夾在被測線束上即可。霍爾傳感器需安裝在相應電源線上，導線垂直穿入孔內，固定傳感器。感性負載、阻性負載可用霍爾傳感器進行測量，電子類負載可用分流器進行測試。

操作時按照：開啟→保持（10s）→關閉循環操作即可。圖2為單負載測試原理圖。

圖2 單負載測試原理圖

4.3.2 電氣系統單負載測試結果評價標準

1）測試時，除燈光外其他電器工作電壓不應小于25.6V（怠速/經濟轉速）。

2）測試時，過電機負載的電壓不應小于24.0V（車輛ON擋或怠速）。

3）感性負載開閉不應影響其他負載正常工作。

4）瞬態及穩態測試時熔斷器不應熔斷。

5）負載平均工作電流不超過保護裝置電流限值的70%。

6）負載穩態及過負載工作電流不應超過其設計值。

7）單負載的開啟電流峰值不應大于保護裝置電流限值的300%。

8）單負載的開啟電流峰值不應大于其平均電流設計值的300%。

9）電氣系統不應損壞（負載、開關或接插件）。

10）負載穩定工作時，線束、負載及熔斷絲的電流應相互匹配。

11）電路保護器件或負載電源線束線徑選取有利于成本優化。

12）測試時所有電子設備不應損壞。

13）回路的電流峰值超過其熔斷器的極限（僅用于開啟瞬間的測試），可能對熔斷器壽命造成影響，需要進行相對I2t計算。

4.3.3 低溫環境下電氣系統單負載測試結果

根據該車型電氣系統的配置，實車在環境溫度為-31℃場地進行單負載測試，測試結果記錄見表2。

表2 低溫單負載測試結果

4.3.4 低溫環境下電氣系統單負載測試偏差事件分析

就測試過程中發現的偏差事件不一一列舉，根據電氣系統單負載測試結果評價標準，僅對每一類型的典型偏差事件舉例進行分析說明如下。

1）燃油加熱器

檢查各測試設備，確定所用到的傳感器、探針、計算機數據采集程序能夠正常工作。起動發動機，開啟獨立暖風，采集該回路負載電壓、電流及蓄電池電壓，生成同時間軸曲線見圖3。

燃油加熱器回路選用MINI慢熔型10A熔斷器，通過圖3可知瞬態峰值電流為17.538A，超過其額定電流。電流引起對熔斷器的沖擊，需計算相對熔斷熱能I2t=（脈沖熔斷熱能/熔斷器熔斷熱能）＜22%進行驗算。脈沖熔斷熱能I燃油加熱器回路選用MINI慢熔型10A熔斷器，通過圖4查表確定10A熔斷器的熔斷熱能I2t為93A2s。所以相對熔斷熱能I2t=0.025=2.5%＜22%。因此通過相對熔斷熱能的校核，脈沖電流不會對該回路熔斷器壽命產生影響。

2）ECAS（電控空氣懸掛）

圖3 燃油加熱器工作電壓電流曲線圖

圖4 MINI型熔斷器熔斷熱能

同樣，起動發動機，操作ECAS系統循環進行3個周期（提升、下降），采集該回路負載電壓、電流及蓄電池電壓，生成同時間軸曲線見圖5。

ECAS系統回路選用MINI慢熔型10A熔斷器，1.5mm2薄壁導線（常溫下額定電流為28.2A），通過圖5可知最大峰值電流為1.286A，電路保護器件和負載電源線束線徑選取過大，保護器起不到保護功能和過設計，應重新校核熔斷器和導線的選型，進行設計改進。

3）起動輔助加熱裝置

圖5 ECAS工作電壓電流曲線圖

鑰匙開關打到ON擋，發動機進氣加熱開始工作，對應指示燈常亮，進氣加熱完成時該燈閃爍3次后熄滅。在此過程中采集該回路負載電壓、電流及蓄電池電壓，生成同時間軸曲線見圖6。

起動輔助加熱裝置回路選用MIDI型150A熔斷器，10mm2薄壁導線（常溫下額定電流為107A），通過圖6可知最大峰值電流為119.73A，平均工作電流110.65A，負載平均工作電流超過線束的載流量，線束選取截面積較小，應重新校核進行選型改進。

4.3.5 高溫環境下電氣系統單負載測試結果

根據該車型電氣系統的配置，實車在環境溫度為41℃環境倉里進行單負載測試，測試結果記錄見表3。

4.4 電氣系統單負載高/低溫測試結果比對分析

1）對比寒區單負載測試結果，各負載因在熱態下工作其電阻變大，導致其工作電流減小，性能略有下降。

2）20A以下負載在高溫環境下工作電流產生的熱效應，對該回路的導線影響不大，導線溫升不超過1℃，故可忽略電流產生的熱效應對導線載流量的影響。

3）對于電機類負載，無刷電機相比有刷電機，其對溫度不大敏感，工作性能比較穩定。

4）相比其它回路，發電機輸出回路電流為64A，其輸出功率下降20%，電流產生的熱效應使該回路溫度升高到62℃，比環境溫度高出10℃左右，但在溫度允許范圍內。因此，在進行電源系統設計匹配時，有別于其它回路及安裝在整車其它部位的導線，注意導線種類的合理選擇，適當提高該回路導線的工作上限溫度。

圖6 發動機進氣加熱工作電壓電流曲線圖

表3 高溫單負載測試結果

5 總結

該車型電氣系統低溫單負載測試是在實際寒區環境下進行，能確切地反映低溫對電氣系統的影響及測試過程中發現偏差事件，通過采集有關電氣系統參數，為設計改進提供第一手資料。而電氣系統高溫單負載測試是在密閉環境倉里進行，其環境參數與實際場地、氣候條件存在一定的差異（比如太陽直射輻射無法模擬），獲取的數據與實際高溫環境存在著偏差，因此還有待于在實際高溫環境下進行測試，獲取真實環境下的數據，通過比對來修正環境倉的數據，改善電氣系統單負載測試在密閉環境倉里測試條件和測試方法，使電氣系統單負載測試更加接近實際環境下的測試。