警用液压自动路障车电瓶馈电分析与预防

袁芬，张明，李彪，吴宏涛，李航

（中国北方车辆研究所，北京 100072）

0 引言

警用液压自动路障车是一款可实现快速布障、现场监控和威慑的特种车辆[1]，底盘电瓶作为整车功能的电源之一，对保证汽车及设备的启动性和可靠性有着重要的影响。在使用过程中发现，当有序使用车辆设备时，底盘电瓶电量能够满足功能需求。当电瓶长时间使用后，多种设备同时操作时，易出现大功率设备无法启动的情况；尤其在车辆长时间搁置或者车辆不在行驶状态下，并且车内电器设备长时间工作时，电瓶经常出现馈电，底盘无法正常启动的现象也时有发生，严重影响车辆的正常使用。在一般的改装车辆中，为降低对电瓶的损耗，在驻车状态必须接入市电。但是对于警用车辆，工作时所处的环境往往无法提供市电，所以外接电源的模式无法解决该型车遇到的馈电问题。通过对电瓶馈电故障展开分析和推理，可为设计和维护人员在相关工作时提供启示和借鉴[2]，不断推动改装车辆的发展。

近几年，有研究人员在小型车上开展双电瓶的研究，如陈文仪等[3]设计了一款利用风能充电的副电瓶系统，但是只能在车辆行驶到一定速率时才能充电，主副电瓶之间的切换需要手动完成，增加驾驶员的工作量；王襄[4]提出通过设计一套控制器来解决手动控制的问题，但对于在售产品，增加过多的电子元器件对产品的可靠性有严重的削弱作用；王玲等[5]在隔离器的设计中提出重型车设置双电瓶的方法，内容简单，且双电瓶均用底盘发电机充电，虽然解决车辆启动的双供电，但是没有考虑到底盘发电机的超负载。

本研究首先对电瓶失效原因进行分析，利用经受市场考验的成熟产品展开主、副供电系统的设计，以达到既保证底盘车辆的实时启动，又兼顾车辆的可靠性的目的，为改装车辆的供电设计提供参考。

1 原因分析

在整车的电源系统中，电瓶、起动机、发电机和底盘电器、控制柜组成一个供、耗电系统。电瓶和发电机为车辆的供电系统，其中车辆的电瓶容量为 120 A·h，底盘发电机可以输出 DC 28.5 V/90 A的电功率。底盘电器和控制柜所控制的负载组成了耗电系统，其中底盘电器主要包括底盘照明、组合灯、仪表等设备；空调、液压泵、起伏机构是改装车耗电量最大的单体设备；其他负载主要指警灯警报、图文显示、摄录像等设备，这些设备虽单件功耗低，但总量大，同样是耗电的重要部分。上述设备耗电情况如表1所示。

表1 车辆主要用电设备能耗表Table 1 Energy consumption table of main electrical equipments

电瓶作为整车的供电来源之一，一方面要向起动机提供瞬时大电流，以保证起动机在各种条件下均能可靠地起动[6]；另一方面，车辆起动后，底盘发电机向电瓶充电，并支撑底盘负载的用电，当用电设备增加，发电机输出的电流不够用时，电瓶参与供电[7]。电瓶除了要负担底盘的部分负载，如车灯、驾驶室仪表等外，还要支撑控制柜的用电。控制柜支撑车辆完成布障、监控、摄录放、强光搜索等特殊功能所需要所有设备的用电，设备多、耗电量大，是车辆启动后电瓶的最大负载。当车速达到一定状态，底盘发电机向电瓶充电，保证电瓶的正常使用。

在车辆的使用过程中，可分为正常行驶、怠速、驻车3种工况：

1）当车辆正常行驶时，电瓶分别向底盘电器和控制柜输出功率，底盘电器虽处于高功耗状态[8]，但是控制柜中的液压泵、起伏机构处于关闭状态，大功率设备只有车载空调。同时底盘发电机实时向电瓶充电，并承担部分底盘电器的载荷，整车工作电流在100 A左右，整车用电处于平衡状态。

2）当车辆怠速时，底盘发电机依然在给电瓶充电，但由于发动机转速降低，输出功率减少，充电速度随之减缓，此时底盘电器虽处于低功耗状态，但控制柜处于高耗能状态，液压泵、起伏机构、车载空调的频繁使用导致耗电速度高于充电速度。按照设备的使用频率，整车工作电流在120～200 A之间，设备启动一段时间后，电瓶电量因供不应求，电压逐步降低，将影响设备的使用，甚至出现发动机熄火等严重后果。

3）当车辆驻车时，所有用电设备均由电瓶负担，电瓶只放电无充电[9]，电压持续降低，电瓶开始馈电，轻则无法启动设备，重则无法启动底盘，为车辆的正常使用埋下隐患。理论上，当车上负载除底盘电路外均处于工作状态时，120 A·h的电瓶电量在38 min内将枯竭；实际情况下，起伏机构、动力单元、空调根本无法同时启动。

综上，车辆电瓶失效的主要原因：一是电瓶承担功能过多，没有车辆启动备份方案；二是大功率用电设备未作分流，设备启动瞬时电流较大，电瓶使用环境恶劣，使用寿命严重缩短。

2 解决方法

为保证车辆的正常使用，设计主、副两套供电系统，保证车辆启动有备用方案，满足警用车辆多工况的使用要求[7-8]。同时借助底盘取力系统，对大功率用电设备进行分流，进一步减轻电瓶负载。

2.1 主、副供电系统设计

整车供电系统分为主供电系统与辅助供电系统两部分（图1）。主供电系统主要依靠底盘发电机发电，通过加装大容量电瓶组为底盘电路和上装控制电路供电。辅助供电系统是一套备用电瓶，称之为副电瓶。当主电瓶馈电时，副电瓶向底盘起动机供电，保证底盘车辆的正常启动。启动后车辆正常给主电瓶充电，当主电瓶电量达到一定电压时，车辆自动回到主供电系统。为保证副电瓶的电量，可按照车辆所处的状态选择车载发电机、市电、逆变器3种方式通过充电机为副电瓶充电。

图1 整车供电系统Fig.1 Vehicle power supply system

2种供电方式可单独运行，也可同时运行，二者可通过接触器进行切换。主供电系统工作时，辅助供电系统与起动机处于断开状态，可通过充电机充电，保持副电瓶电量的最佳状态；选择辅助供电系统启动底盘后，底盘发电机工作，并开始为主电瓶充电，主电瓶继续为底盘电路和上装控制电路供电，为避免在启动过程中主电瓶和副电瓶之间并联存在放电的问题，在两者之间增加隔离器，阻止电流在电瓶组之间相互流动[9]。

2.2 大功率电器分流设计

在车辆设计中，一方面，车辆功能的扩展离不开一些大功率设备，例如车载空调是车辆舒适性的提供者，液压泵是车辆布障系统的动力来源，起伏机构是云台和搜索灯的载体；另一方面，操作人员经常忽视观察电瓶电压，在低电压状态下频繁启动设备，导致设备耗电量提高，瞬间电流增大，直接影响电瓶的正常使用。为此开展大功率设备分流设计，逐步减轻电瓶负载。

二类底盘车辆普遍拥有大功率发动机和足够的功率储备[10]，同时为了满足改装需求，二类专用底盘一般会在车辆底盘基础上预留取力口等接口，从而满足车辆的特定功能[11]。充分利用取力接口，加装取力器，通过分流设计从底盘变速箱分流储备功率，满足改装负载的需要（图2）。取力器与底盘变速箱取力输出口连接，通过传动轴与适用于改装车辆的齿轮箱输入轴连接。齿轮箱根据实际需求设计，其输出轴分别与空调压缩机泵和液压系统泵连接，随时为空调和液压系统提供能量输出，充分利用底盘的机械能代替电能，大大减轻底盘电瓶的压力。

图2 取力器分流设计Fig.2 Power collector shunt design

3 实车验证

主、副供电系统和大功率分流系统设计完成后，进一步更改优化整车电气系统，并在售出的路障车上进行验证，在历经2 a的使用过程中，未接到电瓶因频繁馈电需要更换的任何信息，有效解决车辆主电瓶馈电后车辆无法紧急启动的难题；通过取力器带动车载空调压缩机泵和液压泵的运转，设备动力增强，耗电减少，有效减轻电瓶负载，为整车的电气健康管理提供条件。充分证明该方法的可行性，也为后期车辆维护降低质量成本[12]。

4 结论

1）路障车频繁出现的电瓶失效为电瓶在使用过程中产生馈电而引起的，馈电的主要原因是电瓶承载功能过多而无备份启动电路、大功率用电设备未做分流。

2）采用主、副供电系统设计和利用底盘取力系统对大功率设备进行分流，能够有效改善电瓶的使用环境，保证车辆实时有效启动。