汽车电气系统的电源和负载匹配设计

王婷萍

（中国重型汽车集团有限公司汽车研究总院，山东 济南 250000）

随着汽车电子行业的高速发展，汽车的电子电气产品零部件也逐渐增多，为确保电子电气零部件的正常工作，负载的正确分配是非常重要的环节，这不仅有助于整车电气的正常运行，同时关系到了整车的安全性。在电气系统设计之初，应对商用车整车各用电设备的电流值和相关电气参数有具体了解，然后根据整车相关的电气配置对电源分配中的蓄电池容量、发电机发电量、电气回路的熔断丝选择和导线规格进行计算，确定相关参数值。

1 汽车电气系统电源系的选择设计

整车电气系统的电源系是由发电机、一个或多个蓄电池并联组成。发电机主要进行的是机械能到电能的转换，为整车电器系统提供运行的电能；蓄电池则主要负责为起动机供电实现发动机的起动，同时用于电能的存储。电源系统的设计必须合理规划蓄电池、发电机和整车其他用电设备的负载匹配。

1.1 蓄电池容量的确定

蓄电池是整车电气系统中电能存储装置，它的主要功能是：①随时为起动机提供起动电能；②在某些工况下，如怠速或发动机停机工况，当发电机的电能不能满足正常电气系统的用电需求时，蓄电池可以正常提供所需要的电能供给；③蓄电池可以抑制整车电气系统中的电压峰值效应，以保护对电压峰值效应敏感的电子部件和电气设备，如半导体器件和白炽灯等。

蓄电池的选择主要是指蓄电池可用容量的计算和确定，在设计中常用以下经验公式进行计算：

Q=（600～800）（P／U）

式中：Q——蓄电池的额定容量，Ah；P——起动机的额定功率，kW；U——起动机的额定工作电压，V。

计算出结果范围后，可查询标准GB／T5008.2《起动用铅酸蓄电池 第2部分：产品品种规格和端子尺寸、标记》确定冷启动电流是否符合发动机的要求，同时还可按蓄电池装配要求选择适当的蓄电池的固定方式和接线方式。

蓄电池的选择，除了理论计算和标准查询，还需要考虑整车额外用电设备对蓄电池选型的影响，如一些特殊车型会选用第二空调、缓速器等大电流电气设备，按上述的蓄电池选择方式就会出现蓄电池深循环放电的情况，车载发电机无法将蓄电池充满电，严重影响蓄电池的使用寿命。表1是蓄电池的寿命检测标准，从表1中可以看到放电深度越深则标准要求次数越低，即现实整车应用中蓄电池深度放电的次数越多，则蓄电池的使用寿命越短。

1.2 发电机的选择

发电机是整车电源系统的主要电源提供源，在整车正常运行状态下为除起动机外的其他车载电气设备提供电能，同时对蓄电池进行充电。发电机的功率必须与蓄电池容量和车载电气设备的功率需求相匹配，才可以在任何工况下保证整车电气系统的正常工作。发电机的功率选择需要考虑整车怠速工况用电功率和行车工况用电量两种状态下的用电功率。车辆功率和用电时间系数见表2。用电时间系数可根据实际设计整车的工况情况进行适当调整。

特别注意的问题是在整车系统中，用电设备标称电压均为整车配置蓄电池电压，一般为12V或24V，实际整车电源系统是发电机和蓄电池的并联系统，发电机的电压为14V或28V，因此在计算用电设备负载时需要乘上电压系数kV（1.15），计算得出的最终值则为实际负载值。

怠速工况主要是指车辆起动后静止状态下的整车用电工况，可参考表2中的用电设备，对有可能在怠速工况下工作的用电设备乘相应的时间系数后叠加计算出最终功率；行车工况是指车辆行驶时的整车用电工况，可将表2中的所有用电设备乘时间系数后叠加计算出最终功率。将怠速工况的用电量和行车工况用电量对照发电机输出特性曲线，即可选择适当的发电机功率。图1是一款28V／55A的发电机输出特性曲线图。不同的发电机有不同的特性曲线，设计时需要向发电机厂商提出相关要求，索取特性曲线图进行实际选配。

表1 蓄电池寿命检测标准

表2 车辆功率及时间系数一览表 （参考）

图1 24V／55A发电机输出特性曲线

2 负载线路设计

2.1 熔断丝容量的计算

熔断丝也被称为熔断器，IEC127标准将熔断丝定义为“熔断体 （FUSE-LINE）”。当电路发生故障或异常时，会出现电流不断升高或瞬间升高的现象，导致电路中的重要电气件烧毁甚至引起火灾。熔断丝可以在电流异常升高到一定值时，自身熔断切断电流，从而起到保护电路安全运行的作用。

熔断丝的选择涉及诸多因素，在原理设计中主要考虑的有：①用电设备的正常工作电流；②额定工作电压；③环境温度；④过载电流与熔断丝必须熔断的时间匹配；⑤最大故障电流；⑥脉冲、冲击电流、涌入电流、启动电流和电路瞬变值；⑦结构尺寸限制，如长度、直径和高度等。

本文主要考虑熔断丝负载的选择。根据负载的额定功率计算负载电流，根据负载电流再来确定熔断丝的额定电流，熔断丝的额定电流会根据环境温度的变化而变化，熔断丝的计算公式如下：

式中：负载电流——用电设备的标称额定电流×1.15；负载特性系数——可设置为0.7～0.75（高电流型的可设置为0.5）；温度系数——环境温度为23℃时，温度系数可设置为0.15%／℃ （高电流型的可设置为0.18%／℃）；负载峰值电流系数——如果峰值电流时间小于0.3s，选择系数为1。

每个熔断丝都会有相关的时间-电流特性曲线，即熔断特性曲线，该曲线是熔断丝设计选择的辅助手段，具有相同额定电流值的熔断丝可能有不同的特性曲线。熔断丝规格中一般包括工作电流为100%或者110%额定值时的寿命要求及过载电流 （通常为额定值的135%或200%）时的最大断路时间。在考虑电路的过载电流情况 （即电路需要保护时的电流强度）时和线路的脉冲 （即由于部分用电设备产生的冲击电流或涌入电流）影响时，也应该考虑熔断丝的时间-电流特性曲线，使熔断丝的特性与电路的需要相匹配。图2和图3是某款快熔断和慢熔断熔断丝的特性对比。

图2 快熔断熔断丝熔断特性图

环境温度对熔断丝的影响也需要特别注意，熔断丝的承载能力试验是在环境温度25℃下进行的。实际应用中环境温度越高，熔断丝的工作温度就越高，其寿命也会越短。相反，在较低的温度下工作的熔断丝相应寿命也会延长。图4是环境温度对电流承载能力影响的典型曲线图，可作为参考。

图4 环境温度对电流承载能力影响曲线图

2.2 导线线径的计算确定

2.2.1 导线的截面积计算

导线线径是采用导线标称截面积来表示的，导线的选择要与熔断丝的容量相匹配，两者匹配的原则如下：①导线在工作环境温度下的允许电流必须大于熔断丝在同样工作环境温度下的额定负载电流；②极限要求为选择导线的烟化时间和电流曲线应在熔断丝的熔断时间和电流的曲线之上。如果熔断丝盒导线不在同一工作温度下，应保证熔断丝在该温度下200%额定电流时的熔断时间小于线束在该电流下的烟化时间。

导线的截面积经验公式如下：

式中：A——导线的截面积；I——用电设备的实际电流值；ρ——铜电阻率；L——导线的长度；Ud——导线允许最大电压降损失。

计算所得的导线截面积A，则可以根据整车配置和相关要求在德标线、日标线或国标线中的相关汽车用线标准中进行导线的选择。

举例来说，24V的整车系统，单只近光灯电功率为70W，导线和熔断丝的环境工作温度为40℃，峰值电流时间为0.3s，计算导线的线径。具体计算步骤如下。

1） 近光灯的实际负载电流：I负载=（140W／24V）×1.15=6.70A。

2）近光灯的线路配置熔断丝额定电流选择：If=6.70A／（0.7×｛1-0.15%（40-23）｝×0.7）=14.03A，熔断丝可选15A规格。

3）根据15A线路熔断丝，通过查询所选导线种类的“线缆容许电流和电压降”，可选择符合要求的导线线径，如对日标线可选2mm2的AV导线。

2.2.2 导线的寿命设计

导线的选择还应考虑导线的寿命，如整车的实际设计需求要求导线的设计寿命有一定的提高，则从导线的热老化角度可进行如下工作。

1）选用耐温度等级较高的导线，图5是日标线的导线类别，可先用曲线纵坐标相对高的导线，目前汽车行业采用的日标、德标和国标线均有相应的耐高温导线的选择，设计者可根据实际配置进行相应的选择。

图5 耐热裂化寿命曲线

2）增大导线的截面积。即在选择导线规格时，对部分实际计算在临界点的导线提高一个规格进行选择，也可有效提高导线的使用寿命。

3 结束语

汽车电气设计因专业性较强，在整车系统设计中相对独立，随着汽车科技的不断发展和电子产品的广泛应用，对汽车电源和负载的匹配设计会提出更多的要求。汽车电气设计需要我们在实际工作中不断地摸索和总结，找到并遵循合理的设计程式同时不断地完善相关细节，保证整车电气系统的安全、稳定、合理，提高整车的综合竞争力。