整车电气系统设计及性能测试浅析

杨国樑， 王子龙， 谭金超， 丰彦冬， 王东升， 唐风敏

（中汽研（天津） 汽车工程研究院有限公司， 天津 300300）

汽车电子的快速发展，导致整车电气系统在研发及测试过程中面临着巨大挑战。电气系统设计不当会导致诸多问题，最为严重时将造成生命威胁。本文对电气子系统的通用设计及性能测试进行浅析。

1 电源系统设计

电源系统核心部件为起动机、蓄电池、发电机等［1］，图1是电源系统设计过程。

图1 电源系统设计流程

通过图1可明确关键组件的选型参数和具体的影响因素。按照流程图依次完成起动机、蓄电池、发电机及其调节器的选型设计。

2 线束系统设计

2.1 线束系统设计概述

线束设计的重点在熔断丝及导线。其开发思路如图2所示。

图2 线束设计的开发思路

2.2 熔断丝选取

2.2.1 熔断丝选用原则

根据日本标准JASO D610可知，可将熔断丝划分成快熔熔断丝和慢熔熔断丝［2］。

负载区分感性及阻性，基于此确定熔断丝。感性负载浪涌电流大故搭配慢熔熔断丝［3］；电流变动敏感的阻性负载搭配快熔熔断丝［3］。对于回路较长的多个负载，为避免线束短路需设置慢熔熔断丝以保护多条回路，如图3所示。

熔断丝选用与否的原则：①功率型负载均需要设立熔断丝予以保护，而不对信号线单独设立熔断丝；②熔断丝基于安全可细化；③当一个熔断丝同时保护两个用电器，而这两个用电器差异较大，应进一步细化。

熔断丝合并与否的原则：①安全系统需单独设有熔断丝；②行车系统中，具有不同功能的用电器不允许共用熔断丝；③舒适娱乐功能熔断丝可视情况合并；④为防止别的负载干扰控制器，控制器应专门设立熔断丝；⑤EMS相关的执行器及传感器需单独加装熔断丝。

2.2.2 熔断丝限值的选取

工作环境、电流大小以及负载的种类直接影响熔断丝的选择。

第1，确定熔断丝类型；第2，参数核算。主要包括如下核算。

1） 连续额定工作

熔断丝额定电流计算：

图3 慢熔熔断丝选用

式中：IR——熔断丝的额定电流；IL——负载的额定电流；CT——环境温度衰减系数，快熔型温度变化率［1］为0.15%／℃，则CT=1-0.0015ΔT；慢熔型为0.18%／℃，则CT=1-0.0018ΔT；CR——熔断丝特性系数，快熔熔断丝一般取0.7，慢熔熔断丝一般取0.5［1］。

2） 过负载工作

电机类电器过负载电流推荐为IR的1.1～1.13倍。

3） 瞬时冲击的校核

针对电流瞬时冲击，进行相对熔断热能I2t校核（即冲击电流I2t与熔断丝许容I2t的比值）。要求相对I2t＜22%；常见波形如图4所示。

4） 过渡电流的校核

大功率的电机启动时产生的冲击电流的时间一般高于0.1s，以上校核方式将不再适用，这时需要通过MATLAB做出相对I2t的变化曲线进行计算。

2.3 导线选取

熔断丝选型后，再选取导线。

第1，先根据负载工作电流及线束的环境温度基本确定导线的材质［1］。以日标线束为例，一般使用AV、AVS线束。

图4 常见冲击电流波形的I2t

对于工作温度高的位置，可选用耐热低压电线AVX或AEX［4］。

第2，确定线径。包括如下计算。

1） 额定电流

对于集成装配的线束，需根据电源回路的数量对额定电流进行校正，公式如下：

式中：Id——线束的计算电流；IL——负载的额定工作电流；Cd——集成电源回路的校正系数［1］参考表1。基于Id及所处环境确定线径。

2） 回路压降因回路电阻产生压降，其计算公式为：

式中：L——回路的长度，cm；γ——所选线材线径的电阻率，Ω／cm，该值与线径成反比；IL——负载的额定工作电流，A。

要求Vd不大于设计限值，若不满足可通过增大线径的方式减小Vd。

3） 回路温升

根据负载的工作电流计算导线的温升。线束绝缘层温升主要来源于环境热量及导线通过电流所产生的热量。回路电流过大可能导致线束温度超过设计值，将加速绝缘层老化，故导线额定电流与温升有关；回路电流过小，又不利于成本优化。利用导线产热与散热平衡程度推算温升情况。

表1 集成电源回路的校正系数

2.4 导线与熔断丝匹配

1） 导线与熔断丝的匹配校核。要求在任意发烟电流下导线的发烟时间大于熔断丝的熔断时间。

2） 短路电流的校核。基于回路总阻抗进行短路电流（Ishort） 校核。回路总阻抗为线上阻抗与节点阻抗之和，一般要求Ishort≥350%IR。

3） 过流和电机类过负载的校核。回路电流超过IR或者电机类过负载时易导致回路温升加大，需进行温升校核。

2.5 搭铁系统设计

搭铁设计内容作者在另一篇论文中做了详细论述［5］，本文不再赘述。

3 整车电性能测试

3.1 测试内容简介

基于电气子系统提出电源、线束、搭铁系统测试及其它，用于获取实车电气参数与设计指标的偏离情况，进而分析对电器功能及性能的影响。内容见表2。

表2 电气系统主要测试内容

整车电性能测试前均需检查车辆及测试设备状态以确保功能正常。根据监测数据类型准备相应的测试设备 （表3）。测试前需要根据测试资料（表3） 形成测试用例，测试用例包含详细熔断丝类型及限值、熔断丝所保护负载及负载线束信息、每项测试的具体点位以及测试时车辆的电源状态等信息。

表3 测试设备及测试资料

根据负载工作电源状态进行操作。非怠速时电源状态可分为OFF、ACC、ON挡。此时为了模拟车辆启动时发电机电压输出，在蓄电池正负极两端并联程控电源，并将输出电压设定为14.50±0.2V。基于测试矩阵对每个点位逐一试验并依据评价准则对数据及现象进行详细分析。结合测试时记录的数据分析偏差项（与设计要求不符的测试项） 产生的原因。最后编写测试报告。

3.2 抛负载测试结果分析

以抛负载测试为例，测试结果如下。

蒙迪欧抛负载测试：蓄电池SOC70%、发动机转速2000r／min测试，断开蓄电池正极瞬间，近光灯、远光灯全部灯丝烧断。

根据试验结果可知：该试验车配置的发电机具有稳压抑制电路，测得实际U*s=25.2V；企标要求脉冲U*s值≤21.5V；实测结果超标严重。

此试验车型配置的近光灯、远光灯灯泡均为欧司朗H7U型号，具体参数为12V、55W。灯丝烧断瞬间，灯泡电气参数波形如图5所示。

图5 灯泡电气参数波形

图5 中1通道为蓄电池电压、2通道为灯泡电压、3为灯泡电流。灯泡瞬态最大电流达到10.9A＞4.58A （额定电流），最大电压为25.2V＞12V （额定电压），瞬时功率达到274.68W＞55W （额定功率），致使灯泡烧损。

整改建议：①重新对发电机选型，确保实际抑制电压U*s≤21.5V；②提高灯泡的性能，确保其能够承受瞬间大电压脉冲。

4 结束语

本文对电气子系统设计思路及其性能测试方法进行了浅析。并以抛负载为例，进行了测试结果分析并给出了整改措施。