一款轻型卡车的电源系统设计

谢耀华

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

一款轻型卡车的电源系统设计

谢耀华

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章论述了汽车电器在整车中的重要性。并详细介绍了电气系统中几个重要参数的计算方法。

蓄电池；发电机；保险；导线

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)06-23-04

1、绪言

1.1 汽车电源匹配在整车中的重要性

众所周知，随着汽车电子行业的迅速发展和人们对汽车电子所带来的人性化和舒适性的要求越来越高。汽车电子行业正处在一个高速发展时期，汽车电子产品在汽车零部件中所占比例逐步增加。这样就要求电气件在各个工况下能够正常工作，而电源的正确分配起到一个至关重要的作用，关系到整车安全性，尤其发动机ECU模块、ABS模块和安全气囊模块能否正常工作更是重中之重。

1.2 本论文的目的

对目前正在研发的轻型卡车进行电气系统主要部件的匹配计算，在车辆正常使用及各电器件正常工作的基础上，对其用电要求、功能和稳定性进行理论计算和校核，主要涉及到电源分配中以下几个部分的计算：蓄电池容量、发电机发电量、电气回路和导线规格。

2、蓄电池容量的计算

2.1 蓄电池功能

蓄电池与交流发电机并联，同属于汽车的电源系，是一种可以储存和释放电能的化学装置。它储存发电机的所发出的电能，并在车辆需要时释放出来，如：发动机起动时为起动机供电、发动机不工作或转速低时为用电器供电、以及负载用电量大于发电机产生的电能时与发电机一起给整车用电器供电。最重要的功能是向起动机提供瞬时大电流，保证发动机在各种工况都能可靠的起动。

2.2 蓄电池主要参数的确定

汽车蓄电池的选择主要是蓄电池容量的计算及确定。蓄电池容量标志着蓄电池对外供电的能力。一个完全充足电的蓄电池，在允许的放电范围内所输出的电量称为蓄电池的容量。

其标称容量一般指20h放电率额定容量。它是指充足电的蓄电池在电解液温度为25℃时，以20h的放电率放电至单格电压降到1.75V时所输出的电量。

蓄电池容量根据以下经验公式进行计算：

式中：C——蓄电池20h额定容量，单位：Ah；

P——起动机额定功率，单位：kW；

U——起动机额定电压，单位：V。

对于大功率起动机，计算蓄电池容量时可选择较小参数，则江淮自产轻型客车HFC6591KH的蓄电池容量为：

另，该车起动机在-25℃时的起动电流为297A，由GB/T 5008.2《起动用铅酸蓄电池产品品种和规格》查表得出，90Ah的蓄电池冷起动电流为315A，满足起动要求。且该轻型客车所配HFC4DA1-2B2发动机及起动机均与瑞风柴油版一致。目前已批量生产，且未发现市场反馈的质量问题，使用效果良好。因此，该轻型客车也沿用90Ah的蓄电池。

3、发电机选择

3.1 发电机功能

发电机是汽车电源系统的主电源，在汽车正常运行时，它除向起动机之外的全部用设备供电外，还可以为蓄电池充电。现代汽车上所用的发电机多为三相交流发电机，主要由三相同步交流发电机和硅二极管组成，其中硅二极管起到交流变直流的整流作用。另外，汽车负载均为直流负载且需要在一定的电压范围下进行工作，因此，要求发电机无论负载有多少，要尽量在发动机整个转速范围内保持输出电压恒定。

3.2 发电机选择

发电机起着向整车用电设备提供电源的作用，因此它必须要满足提供所有用电设备同时工作时所需要的电能。一般可按两种工况进行计算：怠速工况、全负荷工况。下面是一款轻型卡车的用电设备的功率（W）：

表1 某轻型卡车长期工作电器功率一览表

表2 某轻型卡车间断工作电器功率一览表

根据用电器功率对两种工况的用电量进行计算：

1）怠速工况

现在以用电量最大的怠速工况——夏季雨夜为例进行计算。此时工作的用电器有：雨刮、音响系统（CD机、扬声器）、仪表、前位灯、后位灯、牌照灯、前顶灯、前雾灯、后雾灯和空调系统（压缩机、冷凝风扇、散热风扇、鼓风机）。其用电总量为：

70+140+10+10+12+20+112+42+42+228+120+216=1022W

所需电流为：

4、全负荷工况

以夏季雨夜车辆正常行驶作为全负荷用电工况为例进行计算。此时工作用电器有：雨刮、音响系统（CD机、扬声器）、仪表、前位灯、后位灯、牌照灯、远光灯、近光灯、前雾灯、后雾灯、空调系统（压缩机、冷凝风扇、散热风扇、鼓风机、后鼓风机）。其用电总量为：

70+140+10+10+12+120+110+112+42+42+228+120+216+ 120=1352W

所需电流为：

I=P/U=1352/12=112.7A

图1 发电机输出特性曲线

发电机选择的原则是在车辆工作的任何工况下均能够满足整车电器的用电要求，也就是说，要保证发电机发电电流IG≥用电器用电电流IV，否则会导致蓄电池放电用来满足用电器工作需求，时间久了就会造成蓄电池过度放电，从而导致车辆无法起动，给顾客带来极大的不方便。

根据两种工况的用电量计算数据，结合发电机外特性曲线进行理论校核：

1）怠速工况时用电电流为85.2A。此时发动机转速约为1000rpm，发电机转速为1000*2.35=2350转。对照特性曲线可知此时发电量约为87A，大于85.2A，可满足该工况用电需求。

2）全负荷工况时的用电电流为 112.7A。此时车辆为正常行驶状态，发动机转速工作范围是1850rpm～3000rpm，则，发电机工作转速为：（1850～3000）*2.35=4348rpm～7050rpm，对照发电机外特性曲线，此时的发电量为110A～116A。基本可满足整车用电需求。

根据以上计算可得，该发电机可满足任何工况的车辆用电需求。

5、保险丝容量计算

保险丝容量的计算要分连续负荷和间断负荷两种情况。连续负荷是指在特定条件下进行连续通电的负载，如空调、音响及夜间行驶时的近光灯、远光灯、位置灯等；间断负荷是指动作时间短或断断续续通电的负载，如电喇叭、门锁、转向灯等。对于间断负荷很少单独配保险丝。另外，选取保险丝大小时，通常以计算值按 5A、10A、15A、20A、30A取整选用。

（1）对于连续负荷的保险丝有以下经验计算公式：

式中：

IFUSE——保险丝允许通过电流，单位：A；

ILOAD——负载通过电流，单位：A；

a——保险丝负载率，一般取70%。

由以上公式，将表一HFC6591KH轻型客车的长期工作负载功率代入公式可得不同用电器的保险丝容量：

远光灯：IFUSE=ILOAD/a=120/12/0.7=14.29A，取整为15A；

近光灯：IFUSE=ILOAD/a=110/12/0.7=13.10A，取整为15A；

雾灯（前、后）：IFUSE=ILOAD/a=（112+42）/12/0.7=18.33A，取整为20A；

顶灯（阅读灯、中顶灯、后顶灯）：IFUSE=ILOAD/a=30/12/0.7= 3.57A，取整为10A；

左小灯：IFUSE=ILOAD/a=（5+5+6）/12/0.7=1.9A，取整为10A；

右小灯：IFUSE=ILOAD/a=（5+5+6）/12/0.7=1.9A，取整为10A；

前雨刮和喷水器：IFUSE=ILOAD/a=（70/12+3.0）/0.7= 12.62A，取整为15A；

音响系统：IFUSE=ILOAD/a=140/12/0.7=16.7A=20A；

（2）对于间断负荷的保险丝有以下经验计算公式：

式中：

IFUSE——保险丝允许通过电流，单位：A；

ILOAD——负载通过电流，单位：A；

a——保险丝负载率，一般取90%。

由以上公式，将表二HFC6591KH轻型客车的间断工作负载功率代入公式可得不同用电器的保险丝容量：

电喇叭：IFUSE=ILOAD/a=2*4/0.9=8.89A，取整为10A；

点烟器：IFUSE=ILOAD/a=10/0.9=11.11A，取整为15A；

玻璃升降器：IFUSE=ILOAD/a=120*2/12/0.9=22.22A，取整为30A；

报警灯：IFUSE=ILOAD/a=（21*2+5*2+21*2）/12/0.9=8.70A，取整为10A；

转向灯和倒车灯：IFUSE=ILOAD/a=（21*2+5+21*2）/12/0.9= 8.24A，取整为10A；

油水分离加热器：IFUSE=ILOAD/a=260/12/0.5=24.07A，取整为25A。

6、导线线径计算

导线线径是用导线标称截面面积表示的，不同于导线实际截面积，也不同于几根导线实际截面积之和。在确定导线截面面积时要考虑电压降和导线发热。

导线线径的选择应按照加载后产生的电流进行选择。这就要求在小的电压降和轻的线束质量之间作出最佳选择。国外一些厂家经过大量试验总结出了各种电路的电压损失，在线束设计时作为确定导线截面积的参考和依据。表3给出了典型电路允许的最大电压损失的相关参数。

表3 典型电路允许最大电压损失

如果系统使用24V电源，则上表数据增大一倍。

用电设备的电流强度为：

那么导线的截面积为：

式中：

I——电流，单位：A；

P——用电设备功率，单位：W；

U——系统提供的电压，单位：V；

Ud——允许最大电压降损失，单位：V；

ρ——电阻率（铜导线电阻率为 0.0185），单位：Ω·mm2/m；

L——导线长度，单位：m；

A——导线截面积，单位：mm2。

计算所得的导线截面积A根据导线标准规定的标称截面积取整，另外考虑到导线的机械强度，计算截面积小于0.5mm2的导线全部按0.5mm2确定。

根据公式及表一、表二用电器功率和表三中电路电压允许最大损失，对整车电路各回路的导线线径进行计算如下：

（1）照明系统

远光灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（60/12）•0.0185•3/0.3=0.93 mm2，取整为1.25；

近光灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（55/12）•0.0185•3/0.3=0.85 mm2，取整为1.25；

前雾灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（56/12）•0.0185•3/0.3=0.86 mm2，取整为1.25；

后雾灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（21/12）•0.0185•10/0.3=1.08 mm2，取整为1.25；

前位灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（5/12）•0.0185•3/0.1=0.23 mm2，取整为0.50；

后位灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（5/12）•0.0185•10/0.1=0.77 mm2，取整为0.85；

前转向灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（21/12）•0.0185•3/0.3 =0.32mm2，取整为0.50；

后转向灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（21/12）•0.0185•10/0.3 =1.08mm2，取整为1.25；

侧转向灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（5/12）•0.0185•3/0.1= 0.23mm2，取整为0.50；

牌照灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（6/12）•0.0185•10/0.1=0.93 mm2，取整为1.25；

制动灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（21/12）•0.0185•10/0.3=1.08 mm2，取整为1.25；

倒车灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（21/12）•0.0185•10/0.3=1.08 mm2，取整为1.25；

阅读灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（10/12）•0.0185•4/0.1=0.62 mm2，取整为0.85；

中顶灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（10/12）•0.0185•5/0.1=0.77 mm2，取整为0.85；

后顶灯：A=（P/U）•ρL/Ud =（10/12）•0.0185•6/0.1=0.93 mm2，取整为1.25。

（2）电机

起动机主电缆：A=（P/U）•ρL/Ud =200•0.0185•1.5/0.5= 11.1mm2，取整为16.0；

发电机B+：A=IρL/Ud =110•0.0185•3/0.5=12.21mm2，取整为16.0；

喷水电机：A=IρL/Ud =3•0.0185•4/0.5=0.44mm2，取整为0.50；

车窗电机：A=IρL/Ud =120/12•0.0185•3/0.5=1.11mm2，取整为1.25；

雨刮电机：A=（P/U）•ρL/Ud =（70/12）•0.0185•3/0.5=0.65mm2，取整为0.85。

（3）其他

油水分离加热器：A=IρL/Ud =（260/12）•0.0185•2/0.5=1.60mm2，取整为2.0；

点烟器：A=IρL/Ud =10•0.0185•2/0.5=0.74mm2，取整为0.85；

喇叭：A=IρL/Ud =4•0.0185•3.5/0.5=0.51mm2，取整为0.85；

CD机电源：A=（P/U）ρL/Ud =（140/12）•0.0185•2/0.5= 0.86mm2，取整为1.25；

CD机控制：A=（P/U）ρL/Ud =（40/12）•0.0185•2/0.5= 0.25mm2，取整为0.50；

前扬声器：A=（P/U）•ρL/Ud =（25/12）•0.0185•3/0.5= 0.23mm2，取整为0.50；

后扬声器：A=（P/U）•ρL/Ud =（25/12）•0.0185•7/0.5= 0.54mm2，取整为0.85。

线束的设计，根据用电器的额定功率，计算流经线束的电流，然后根据导线的电流选择保险的规格和导线截面。需要明确的一点是：保险丝的作用是用来保护线束的，防止导线因长时间工作导致热集聚而引起线束过热燃烧。其发热公式为：

式中：

Q——发热量，单位：W；

I——通过导线电流，单位：A；

R——导线电阻，单位：Ω；

T——通电时间，单位：s。

而R=ρL/S

式中：

R——导线电阻，单位：Ω；

ρ——导线电阻率；

L——导线长度，单位：米；

S——导线截面积，单位：mm2。

由以上公式可以得出，导线的发热量Q与导线的长度L成正比，与导线截面积成反比。因此，在同样截面积的前提下，导线越长，发热量越大；导线越短，发热量越小。也就是说，一定容量的保险丝保护的导线长度与导线截面积成反比。

在保险丝容量选定后，与所保护导线一般有以下经验关系：

表4 导线与保险之间的匹配关系

一般在进行线径的理论计算后，还需对照表四进行保险与导线的校核。针对轻型卡车的导线进行理论计算后，对照表四发现可满足保险与导线线径以及长度的匹配关系。可满足整车电器的使用要求。

7、结论

本论文通过对整车用电器的功率等重要参数进行系统分析，并结合车辆在使用过程中各电器的使用情况进行计算，确定了蓄电池、发电机等重要零部件的规格型号。通过计算结果可以看出，所选蓄电池、发电机能够满足整车电气的设计需要，所选保险丝及导线线径规格能够满足各用电器的用电负荷要求。

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Power supply system design of a light truck

Xie Yaohua
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

This paper firstly presents the importance of the electronic system design in the car industry, describes the function, composition and classification of the electronic system.

battery; alternator; fuse; wiring harness

U462.1

A

1671-7988 (2017)06-23-04

谢耀华（1983-），男，助理工程师。就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司轻型车研究所，主要从事汽车电气系统方面的设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.06.008