汽车12V低压电源系统选型设计与分析

袁中胜，杨 曦

（1.北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 100021；2.北京汽车集团越野车有限公司，北京 101300）

随着汽车技术的不断发展，整车用电量需求日益增加，且整车对低压12V电源系统的性能要求更加严苛，对其质量、成本控制要求更精确。根据整车的功率流向不同，可将整车分为4种不同类型。本文根据上述不同分类对整车低压12V电源系统相关零件的选型设计进行详细分析阐述，包括12V蓄电池、12V发电机、DC／DC直流转换模块的选型设计。

1 整车12V蓄电池选型设计

由图1可知，整车12V蓄电池在不同车型中的作用不同，因此其选型原则不同。对于传统燃油车和混合动力车型Ⅰ，整车12V蓄电池 （本文中称为起动型12V蓄电池）的选型主要考虑因素：①保证发动机正常起动；②保证整车静态电流需求。对于纯电动汽车和混合动力车型Ⅱ，由于此类型车辆中无12V起动机，因此12V蓄电池 （本文中称之为非起动型12V蓄电池）选型时主要考虑保证整车静态电流需求。

图1 整车低压12V电源系统简图

1.1 起动型12V蓄电池选型设计

蓄电池容量的大小取决于起动机及发动机的相关参数，其选型的输入条件如表1所示，当起动机转速达到830.4 r／min （80×10.38） 以上且起动机力矩达到0.59kgm （60／10.38／9.8）以上时，才能满足起动发动机。

表1 起动机、发动机相关参数信息

图2 某车型起动机的输出特性曲线

根据以下经验公式初步计算出起动发动机所需要的蓄电池容量［3］。

式中：Q——蓄电池容量 （20h），Ah；μ——经验系数，范围为450～600［3］；P——发动机所需起动机的功率，1.1～1.3kW。此功率参数在以往文章中仅是起动机的额定功率，但是用此经验公式通过起动机的额定功率计算出的蓄电池容量偏大，造成不必要的设计成本浪费。本文通过起动阻力矩、起动转速参数并结合图2得出一个发动机所需起动机的功率区间进行计算，因此进一步提高了12V蓄电池容量选择的准确性。U——汽车低压电源系统电压，12V。则蓄电池初算容量为Q=（41.25～65）Ah。

另外，根据整车VTS指标，汽车锁车静置一定周期后仍然能够正常起动。北汽要求锁车静置30天后蓄电池能正常起动发动机，而本例中整车静态电流值目标为15.5mA，则根据公式 （2） 可以得出蓄电池容量最小值［4］：

式中：t——整车处于锁车静态放置天数；Q——蓄电池的20h率额定容量，Ah；I静——整车静态电流目标值，15.5mA。

以上公式计算得：Q≥50.73Ah。

综合以上两公式，12V蓄电池容量的计算结果为50.73～65Ah。

发动机起动是由12V起动机来带动的，发动机要运转起来，就需要起动机提供足量的扭矩来克服发动机阻力矩且带动发动机转速达到最低起动转速。参考表1相关信息，起动机所需电流值应大于低温起动阻力矩 （60Nm）对应的起动机电流I1，小于最低起动转速 （80r／min）对应的起动机电流值I2。由图2可知：I1=187.5A，I2=337.5A。因此常温下起动机起动发动机所需要电流要介于187.5A与337.5A之间。根据以下经验公式换算成-18℃时的冷起动能力：

式中：I常温——常温下起动机所需要的起动电流，A；I1——低温起动阻力矩对应的起动电流，A；I2——最低起动转速对应的起动电流，A；I-18℃——在-18℃时起动机所需要的起动电流，A。

计算得到：312.5A≤I-18℃≤562.5A。

通过以上计算，起动型12V蓄电池容量应为50.73～65Ah，冷起动能力应为312.5A≤I-18℃≤562.5A。而根据某蓄电池供应商提供的部分蓄电池产品规格，结合考虑整车成本、质量要求，最终确定蓄电池的规格为：12V，55Ah，下固定方式，其低温起动能力为530A。

在整车设计开发阶段，为了验证12V蓄电池型号选择的正确性，首先需要进行环境舱整车冷起动试验。将车辆静置在低温实验室，保持低温-30℃至少6个小时以上，然后进行起动试验，要求起动过程中蓄电池电压不得低于7.5V，起动时间不大于5s。测试结果如图3～图5所示。

由图3～图5可知，在冷起动时，12V蓄电池最低电压为8V，起动电流最大达到523.4A，起动时间为4.6s。根据上述试验结果可知，本车型12V蓄电池满足整车需求。

图3 冷起动时蓄电池端电压

图4 冷起动时起动机电流

图5 冷起动时发动机转速

另外，除了上述的整车环境仓冷起动试验外，整车还需要进行高温、高原、高寒三高试验、综合耐久试验、质保路试试验等。在上述试验过程中均未出现蓄电池馈电故障，因此本例中车型12V蓄电池选型合理。

1.2 非起动型12V蓄电池选型设计

本文中纯电动车和混合动力车型Ⅱ中没有专门用于发动机起动的12V起动机，因此12V蓄电池选型时无需考虑与发动机起动相关的因素，主要考虑满足整车静态电流需求。对于此类车型所用的12V蓄电池，目前市场上的主流方案：①沿用传统的起动型12V铅酸蓄电池；②开发应用12V锂离子蓄电池［5］。此两种蓄电池各有利弊，传统的起动型12V铅酸蓄电池市场应用广、技术成熟、成本较低，但是其自身质量较大，且其放电深度严重影响其使用寿命，在纯电动车和混合动力车型Ⅱ中一般要求其放电深度不超过50%；而12V锂离子蓄电池，能量密度大、相同容量下自身质量大大减小、放电深度可达80%且对循环寿命影响较小，但是其成本较高、市场普及度不高。根据以上两种类型的蓄电池特点，以整车静态电流目标值为20mA的车型为例，分别阐述其选型计算方法。

1.2.1 低压12V锂离子蓄电池选型

由于锂离子蓄电池本身有较好的充放电性能，因此选型时考虑其放电深度为80%，则根据公式 （5）可得出12V锂离子蓄电池的最小容量［4］：

式中：t——整车处于锁车静态放置天数，30天；Q——蓄电池20h率额定容量，Ah；I静——整车静态电流目标值，20mA。

以上计算得：Q≥21.5Ah，因此可选择25Ah锂离子蓄电池。

1.2.2 传统12V铅酸蓄电池选型

纯电动车和混合动力车型Ⅱ的12V铅酸蓄电池由于对较大的起动电流参数没有要求，且此类蓄电池放电深度会严重影响其循环寿命，因此对于此类车型的12V铅酸蓄电池选型时一般要求其放电深度不超过50%，则根据公式 （6）可得出12V铅酸蓄电池的最小容量［4］：

式中：t——整车处于锁车静态放置天数，30天；Q——蓄电池20h率额定容量，Ah；I静——整车静态电流目标值，20mA。

以上计算得：Q≥38.9Ah，因此可选择40Ah或45Ah铅酸蓄电池。

以上两种选型方案，均未考虑12V蓄电池的智能充电策略。如果纯电动车和混合动力车型Ⅱ中配备智能充电策略，即整车在高压充电时或休眠后长时间停放时，当检测到低压12V蓄电池电量低时，自动启动DC／DC直流转换模块对12V蓄电池充电，因此12V蓄电池选型时，可根据具体充电策略进一步降低容量大小，减少整车质量及整车成本。

2 低压12V发电机、DC／DC选型设计

由图1可知，对于整车低压12V用电器及12V蓄电池来说，传统燃油车的12V发电机与纯电动车及混合动力车的DC／DC直流转换模块作用是一致的，即提供低压12V电源。因此12V发电机与DC／DC模块的选型依据及选型计算方法基本是一致的。

2.1 低压12V发电机选型设计

12V发电机选型设计的主要依据是整车各类用电器用电总量值。本文通过引入汽车行业常用的电器使用频度系数来计算不同季节及不同的行车环境中的整车用电量。在此用μ0、μd、μx分别表示用电器无季节气候影响、冬天及夏天的使用频度系数［4］。本文所涉及的北汽某传统燃油车型的用电器负载电流值如表2所示。

表2 整车用电器负载电流

如表2整车各用电器的负载值，再结合使用频度系数，由公式 （7）可估算出不同工况下的整车用电量［6］：

式中： μi——使用频度系数；Ii——工作电流，A；I等效——整车等效电流值，A。

以上可计算得到表2中涉及的怠速、夏季、雨夜等6种不同工况下整车等效用电量。在保证满足整车低压12V用电需求的基础上，应选择尽量小的发电机。因为发电机越大，与其相连接的线束导线越粗，造成整车成本及质量均增加。

根据表2所示的6种不同工况下的整车等效用电量选定发电机各参数：①额定电压：13.5V；②额定输出电流：110A；③传动比：2.46。发电机输出性能如图6所示。

图6 发电机输出特性曲线

2.2 DC／DC直流转换模块选型设计

上文中详细阐述了12V发电机的选型过程，而纯电动汽车和混合动力汽车的DC／DC直流转换模块的选型也是按照上述方法以不同工况下整车等效用电量为依据进行确定。12V发电机的输出电量根据整车用电需求确定，但是受发动机转速大小限制，转速较低时发电量低，因此上文中需要计算不同怠速工况下的整车12V等效用电量；而DC／DC直流转换模块在其最高输出能力的范围内完全按照整车用电需求输出电量，因此DC／DC选型时其大小跟整车怠速与否无关，仅考虑上文表2中的夏季雨夜、冬季雪夜和平常夜间3种工况。由于计算方法相同，因此不再举例阐述DC／DC的选型过程。

3 整车低压12V电平衡分析

汽车12V电源系统的设计关键是在整车运行过程中12V蓄电池充放电量、12V发电机发电量或DC／DC模块输出电量、整车12V用电器用电量三方面达到动态平衡状态。以传统燃油车为例，当铅酸蓄电池电量剩余65%时，汽车仍能满足整车正常启动，且一般蓄电池初始容量为90%，因此分析整车电平衡时，要以25%蓄电池容量可补充整车用电量的时间长短为依据。考虑到各类工况下允许蓄电池放电，且要求25%蓄电池容量可补充整车用电器用电时间要大于1h。根据表2整车用电器负载电流及图6发电机输出特性曲线，计算得出表3整车电平衡计算结果。

表3 传统燃油车整车低压电平衡计算结果

根据表3可知，在传统燃油车的6种典型工况下，只有在怠速 （开空调）和夏季雨夜两种工况下，蓄电池需要向整车用电器补充提供电量，而且由于25%蓄电池容量可补充的时间分别为9.2h和1.96h，满足大于1h的要求。因此，本例中传统燃油车所选12V蓄电池和12V发电机均能满足整车低压电平衡性能要求。

由于纯电动汽车和混合动力汽车的DC／DC在其输出能力范围内按照整车12V用电需求输出电量，DC／DC直流转换模块输出电量不受发动机转速制约，对于此类车型的低压电平衡分析时是没有发动机怠速工况。因此纯电动汽车和混合动力汽车的低压电平衡分析时只考虑夏季雨夜、冬季雪夜和平常夜间3个极限工况。另外，对于本文中的纯电动车和混合动力车型Ⅱ在进行电平衡分析时，由于其12V蓄电池不同类型可达不同的放电深度，如传统铅酸12V蓄电池有40%电量可用作补充放电，12V锂离子蓄电池有70%可用作补充放电。因此不同类型整车根据其实际情况进行电平衡分析，在此不一一详细阐述每种车型的分析过程。

4 总结

结合整车开发项目，通过本文中所述计算分析方法选定整车低压12V电源系统，并通过了环境舱整车冷起动试验、三高试验、综合耐久试验等一系列试验验证合格，本文所论述方法为后续车型开发提供理论依据，但是也有待完善的地方，比如整车电平衡的实车测试理论及方法需要后续补充完善。