轻型混合动力商用车低压电气系统设计

贾文勇，董广宇，任瑞龙

（中国第一汽车股份有限公司技术中心，吉林 长春 130011）

如何降低汽车能源消耗和解决环境污染问题，成为目前汽车发展的重要课题，混合动力汽车被认为是汽车工业近期应对能源和环境问题的最主要对策和最现实的选择之一。作为未来电动汽车或可再生资源汽车时代到来之前的一种过渡产品，其在节能和环保方面具有明显的优势。在国内随着混合动力客车、轿车进入市场，对适合市政使用的混合动力轻型商用车的需求也越来越迫切。

1 某轻型混合动力商用车整车描述

某轻型混合动力商用车采用自主开发的CA4DD改进型发动机，电控国Ⅳ系统，匹配EGR+POC尾气后处理系统，5档AMT变速器和双电机混合动力系统。整车主要基本参数如表1所示。

表1 混合动力商用车整车基本参数

1.1 轻型混合动力商用车构型选择

该轻型混合动力商用车的构型方案为Ⅰ轴电机+Ⅱ轴电机的双电机强混构型，采用自主开发的AMT自动变速器，动力系统构型如图1所示。

1.2 驱动模式、各个总成工作状态及其能量传递

轻型混合动力商用车的驱动模式及各个总成工作状态如表2所示，部分驱动模式下动力系统能量传递示意图如图2所示。

1.3 控制策略

轻型混合动力商用车整车的控制策略如图3所示，各总成的三维布置如图4所示。

表2 驱动模式及各总成工作状态

1）在低车速 （≤40 km／h）时，纯电动行驶，消除发动机起车、加速和低速时的高油耗。

2）中、高车速时采用发动机单独驱动的模式行驶，当需要高速高负荷时，主电机 （Ⅱ轴电机）进行助力实现联合驱动；当需要负荷较低时，辅电机 （Ⅰ轴电机）发电以提高发动机负荷，即进入发动机驱动且发电的模式，发动机始终工作在经济工况区。

3）制动时在满足制动法规的前提下，优先由主电机进行制动能量回收，不足的制动力部分由液压制动补充，使燃油经济性进一步得到提高。

2 整车低压电气系统设计

2.1 整车低压系统电平衡计算

低压系统电平衡是考核发电机、蓄电池以及用电设备之间匹配设计合理性的主要方法与手段，保证发电机在满足用电设备使用的同时还要为低压蓄电池充电。发动机经济转速为1 000～2 400 r／min，发电机与发动机传动比为2.36，计算整车冬季常用电负荷为41.6 A，行驶过程中发电机需要给蓄电池充电，需预留I充=10%×蓄电池容量=12A，确定整车匹配55 A整体式交流发电机。根据图5发电机热态输出可以看出满足设计需求。

2.2 低压蓄电池容量确定

蓄电池的容量是以Ah来定义的，即在多少安培的电流强度下放电持续时间的乘积。举例来说，某蓄电池在1A的电流强度下能放电120 h，则该蓄电池的容量就是120 Ah。蓄电池容量确认参数如表3所示。

表3 蓄电池容量确认参数表

根据表3所述参数，考虑蓄电池容量在实际使用中要有余量以及低温试验的情况，整车匹配120 Ah的蓄电池，该蓄电池在实车上通过了寒区-30℃冷起动试验。

2.3 整车静电流的预分配与测试

静态电流是指车辆断开点火开关后，连接蓄电池常电的一些电气设备仍然有电流消耗，电流数值通过优化可以调整但不可消除，为了保证车辆在放置一段时间后能正常起动，需要对整车静态电流大小进行规定限制。整车低压电气系统设计时，静态电流按一定的规则进行要求，因某轻型混合动力商用车蓄电池容量采用120Ah，通过相应规则计算出整车静态电流要小于28.6mA。静态电流规定后，需对存在静态电流的装置进行预分配。

点火开关处于OFF档后，将蓄电池负极断开并停车10min，将电流表调节到安培档后串联在蓄电池负极与车架搭铁之间，待电流表显示稳定后将毫安档万用表并入安培档万用表两端，断开安培档万用表，之后由电源配电盒开始依次拔熔断丝来确定电源配电盒内主要的静态电流分支线，观察电流表静态电流的变化情况，如表4所示。

表4 某轻型商用车静态电流的测试

2.4 整车低压系统电线束设计

电线束是汽车电路的网络主体，是连接汽车内部电源、起动、照明、信号、仪表及辅助电气装置并发挥其功能的零件，其设计流程如图6所示。

2.4.1 熔断器的分配

在确定普通熔断器分配方案之前，一般要根据电气功能来确定熔断器数量，然后对已确定的熔断器进行合理分配。分配原则是：一个熔断器带一个负载。当熔断器熔断后，尽量不影响或少影响其他负载工作。设定熔断器的目的是保护其下游导线，为此开发了带有40路熔断器的熔断丝盒与24路熔断器的电源配电盒。

2.4.1.1 熔断丝盒设计与熔断器分配

熔断丝盒总成是驾驶室内电源系统的熔断器、继电器和车身电气件的电源匹配中枢，主要是对驾驶室内与底盘上的中、低电流用电器线束的保护，如图7所示。

2.4.1.2 电源配电盒设计与熔断器分配

电源配电盒总成是整车电源系统的大电流熔断器、小电流熔断器和底盘、发动机电气件的电源匹配中枢，它主要是对车身、底盘和发动机上的大电流和部分小电流用电设备的线束做保护，如图8所示。

2.4.2 整车低压电线束设计原则

1）完整正确地体现整车电气系统功能，首先根据电气原理图和整车电气零部件的分布位置，考虑合理的线路走向，需三维布置做支持，如图9所示。

2）根据车型的需要设计成整体或分组分段的电线束，例如DC／DC的电源输出和输入线。

3）根据汽车电线束所处的工作环境及在汽车内的空间布置，合理选择导线类型、插接器、外部保护层和固定方式 （耐磨、耐热、防水、防尘和抗振等），如图10所示。

4）在设计过程中尽量减少连接点和过渡接头，这样对提高电线束品质，减少故障点大有益处。

5）对汽车上一些较敏感的传感器信号应增加防干扰措施，如使用双绞线或屏蔽线。

6）同一个插接器中尽量避免有规格、颜色相同的导线。

7）汽车电线束中的连接点要采用星形接法或并连接法，重要总成和部件 （ABS等）的搭铁线单独接到蓄电池负极等，保证整车电气系统可靠工作。

2.5 整车低压部分CAN网络设计

整车的电气网络采用CAN总线模式，设置2个CAN网络，分别为A网和B网。如图11所示的某轻型混合动力商用车CAN网络拓扑图。

CAN总线的总长度应≤40m，节点与总线间距最长不超过1 m，节点间距离最小为0.1 m。为提高抗干扰能力，CAN信号线采用屏蔽双绞线，信号传播延迟时间小于或等于5 ns／m，线芯截面积为0.5～0.75mm2，绞线率为30mm，屏蔽线必须采用一点搭铁，否则将会影响CAN通信效果。搭铁原则：①连接到最小噪声点；②使用尽可能低的阻抗连接；③搭铁点尽可能接近网络中点。实际布线时节点与总线间的距离应尽可能短，为了减小驻波，网络上各ECU不能等距布置，节点与总线之间距离不应完全相同。

3 整车低压电气系统回路测试

回路测试的目的是确保在整车低压电线束设计中熔断丝和线径选择的合理性，并且确保电线束的选择与熔断丝额定值之间相匹配。回路试验不能在多种温度状态下验证熔断丝和导线的规格，不考虑感性负载、电容性负载和电流瞬间脉冲，起动机、发电机和ABS等电流取额定值，整个电气回路测试在搭建回路测试台架与试验样车上进行。

4 总结

轻型混合动力商用车的低压电气系统设计涉及低压蓄电池的选型、发电机容量的确定、整车电平衡计算、CAN网络的设计和电源分配等，由于多种控制器、传感器、电机和电磁阀集中布置在底盘上，其电磁兼容性设计也尤为重要，值得广大设计者认真思考与琢磨。混合动力的开发已成为国内外许多汽车厂家的研发热点，特别在日本和美国得到迅猛发展。在国内随着混合动力客车、轿车进入市场，对适合城市使用的轻型混合动力商用车的需求也越来越迫切。某轻型混合动力商用车的成功开发弥补了一汽新能源轻型载货汽车的空缺，为一汽未来的新能源轻型商用车的发展奠定了基础。

［1］魏春源.汽车电气与电子［M］.北京：北京理工大学出版社，2004：3-8.

［2］ 张明森.汽车的电量平衡计算［J］.汽车电器，2010 （10）：10-16.