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重型汽车主供电系统布线分析及方案对比

2019-06-17 16:23 点击:
中国重型汽车的发展是在曲折和摸索中不断前行的,自第一辆重型汽车试制成功以来,中国相继迎来了以斯太尔技术为平台的第二代重卡和以德国MAN技术为平台的第三代重卡。每次技术革新的出现均对整车电器的主供电系统做出了调整和优化。一套布置合理的供电系统不但可以简化线束使用,便于整车布置,而且可以提高整车电能供给的稳定性并做到负载功耗的合理分配。所以,开展整车供电系统特别是主供电系统的布线研究是非常有意义的。
1 研究对象及方法
1.1研究对象
本文主要对重型汽车主供电系统的布线方式进行研究。图1为汽车供电系统简图,其中蓄电池为起动机提供电能,确保汽车正常启动;发电机是汽车的发电设备,它将发动机的部分机械能转换为电能并按整车电器系统的电压要求向各种用电设备提供电能,以及在蓄电池电量不足时对其进行充电。图中空心箭头代表了整车供电系统的电路部分及电流流向。本文所指的汽车主供电系统是由蓄电池、起动机、发电机、电器装置板以及四者之间的连接线束所组成的供电系统。

图1 整车电器供电系统简图
1.2研究方法
怠速工况下,对整车主供电系统的关键部位进行电流电压实时数据采集,得出整车用电在该系统上的电量变化和分配趋势,同时对整车主供电系统的不同布线方案进行优劣比对。
重型汽车主供电系统的电器原理图及传感器布点位置如图2所示,图中G100为24V蓄电池、S149为电源总开关、M100为起动机、G102为发电机、A100为电器装置板、K为起动机内部起动继电器、X238为线束接插器。I1~I4为电流传感器,采集流经该线路的电流值(箭头方向规定为电流正方向),Va~Ve为电压传感器,采集该位置的电压值。各传感器说明如下:
I1——蓄电池充放电电流,量程1000A;
I2——发电机连接起动机线路的电流,量程100A;
I3——起动机连接电器装置板线路的电流,量程100A;
I4——发电机连接电器装置板线路的电流,量程100A;
Va——蓄电池端电压,量程30V;
Vb——起动机30端电压,量程30V;
Vc——发电机B+端电压,量程30V;
Vd——中央电器装置板90端电压,量程30V;
Ve——起动继电器线圈端电压,用以表征车辆起动信号,量程30V。

图2 主供电系统的电器原理图及传感器布置示意图
测试过程中,传感器输出信号均由数据采集仪进行采集和处理,电流传感器优先选用了霍尔可拆卸电流传感器,其主要用于测量幅值较大的电流值,测试时无需将传感器串联至导线回路,只需将被测导线按规定方向穿过传感器过线孔即可,故在测试过程中可以不必破坏汽车线束便可直接测量电流大小。因车辆在启动过程中峰值电流较大,I1选择了量程为1000A的电流传感器。
2测试结果及分析
依据上述研究策略,对某重型汽车的主供电系统进行了实车怠速工况测试。经试验数据分析及图形曲线处理,给出车辆由静态到怠速过程中I1、I2、I3、I4、Va、Ve的变化关系如图3所示。Vb、Vc、Vd与Va的变化趋势基本保持一致,不同之处在于各曲线的极峰值和极谷值略有不同。受线路压降影响,车辆启动前各点电压由Va向四周逐渐削弱,车辆启动后前各点电压由Vc向四周逐渐削弱。曲线横坐标为时间s,纵坐标为被测试点的电流A或电压V,图中指示为负值的电流表明该时刻的电流方向与图2所规定的电流正方向相反。
本次测试共采集数据80s,整个过程分为车辆静止阶段、车辆启动阶段和车辆怠速阶段。表1给出各测试点在第5s、11s车辆静止阶段和第50s车辆怠速阶段的测试数据。车辆启动阶段各曲线的特征点坐标已在图3中体现。
表1 各曲线在不同时刻的坐标值(单位:电流A,电压V)

图3 测试曲线及特征点坐标
(1)车辆静止阶段。当钥匙开关处于OFF档,I1~I4的电流均为零,蓄电池端电压Va为25.61V(见表1第5s时刻数据)。当钥匙开关处于ACC档,某些用电设备开始工作,蓄电池处于放电状态,电压略有降低。放电电流I1经I2、I3分流后汇集于电器装置板90端为用电设备供电(见表1第11s时刻数据)。
(2)车辆启动阶段。当发动机ECU收到钥匙开关启动信号时,ECU为起动控制继电器施加一个如图3-Ve所示的电压信号,使起动机主回路接通从而启动发动机。I1的启动峰值电流高达872.93A,蓄电池端电压Va被瞬间拉低至13.87V,车辆启动后I1、I2、I3、I4的初始电流值分别为-71.00A、57.62A、-13.42A、16.74A。此时蓄电池处于充电状态,充电电流一方面来自I2,另一方面来自I3(即I4为用电设备供电后的剩余部分)。
(3)车辆怠速阶段。车辆怠速运行后,发电机进入发电状态,蓄电池电压Va上升至行车电压27.99V(见表1第50s时刻数据),充电电流逐渐减小,最后趋于充放电平衡状态。
3 总结
通过对重型汽车主供电系统的布线及其电量分配测试,更好地指导整车线束设计与布置,总结结论如下:
(1)蓄电池到起动机线束I1的电流负荷最大出现在车辆起动阶段,蓄电池在任何充电或放电状态下均不会大于该电流。目前该线束的设计直径一般为70mm2,若车辆在起动阶段的电流负荷可以降低,则线束直径可适当减小。
(2)I2、I3、I4各线束之间本质上是一种并联关系,车辆的运行工况不同,各线路的电流大小及方向将千差万别。
(3)为了便于整车线束布置并缩短蓄电池在充电过程中的电流路径,可将起动机到中央电器装置板线束I3去掉,但同时应根据发电机的发电电流及整车电器的用电情况对I2、I4线束进行加粗设计。

图4 重型汽车主供电系统布线方案对比
(4)汽车主供电系统的布线设计应尽量考虑行车安全以及整车静态功耗的大小。图4为汽车主供电系统的一种布线设计方案,其优点在于提高了整车电压的稳定性,缺点在于停车状态下会额外增加整车静态功耗,且当电源总开关在行车过程中发生故障断路时,整车电器系统会出现突然失去电源供给的可能。
(5)重型汽车主供电系统的任何布线方案都应满足:蓄电池容量确保起动机在任何环境温度下顺利起动、发电机既可为用电设备供电亦可为蓄电池充电、当用电负荷过大时蓄电池放电补给、线束直径设计应满足线束大电流负荷需求、尽量降低整车静态功耗、确保行车安全容错率高、尽量缩短电流路径减小压降损失等。