整车电源分配系统设计介绍

2020年1月1日 评论 762 6141字

电气原理设计通俗的讲就是用符号将整车电气系统合理地连接起来,以此清楚地反映出电气系统各部件的连接关系以及电路的工作原理,对迅速分析排除电气设备的故障非常有利。然而,在整车电气原理的设计里面,尤其以整车电源分配设计最为重要,文中将重点阐述这部分。

1 整车电源分配系统设计

在进行整车电气系统设计之前,需要对整车电气系统的系统控制图进行分析。理解各电器系统的工作原理及控制逻辑关系是电路设计的前提,必须在理解整车电器工作原理的基础上对整车的电源进行合理分配。

1 . 1 电源类型划分和负载分配

根据点火开关的档位,我们通常会将电源分成以下几种类型:

(1)B+,即我们通常说的常电,是直接从蓄电池正极取的电。这部分的电源所接负载一般都是在点火钥匙从点火开关拔下后还需要工作的负载,如一些ECU 及仪表的记忆电,危险警告灯的电源,具有Follow Me Home(伴我回家)功能的前照灯的电源,防盗控制器的电源等。

(2)ACC,通常为点火开关的第二个档位(第一个为OFF/Lock),我们称之为附件档。这一档位我们实际上是不想让其负担太多负载的,因为当点火钥匙拨到这个档位的时候,发动机还没有运转,此时从ACC 取电的负载,实际上还是在消耗蓄电池的电量,因为发电机还没有参与发电。通常使用ACC 电作为工作电源或信号电源的设备,常见的有仪表、收放机、电动后视镜、点烟器等。在ST 档位的时候,ACC 是没有电的。

(3)IG,也叫ON 档,通常为点火开关的第三档位,我们称之为点火档,当点火开关打到这个档位的时候,全车允许大部分的设备可以工作。而这个档位通常有IG1 和IG2 两个触点,在某些车型上IG1 与IG2 是相同的,即同时有电或者没电;而有些车型,如大部分的日系车,IG1 与IG2是不同的。区别在于在ST 档位的时候IG1 有电,而IG2 没电。这样设计的原因是启动的时候需要蓄电池的电量集中供给起动机使用,所以此时希望能够切断一些与启动无关而且功率较大的负载,如后风窗玻璃加热器,鼓风机等,可以将这些负载连接在IG2 上,或者用IG2 来控制。

(4)ST 档,即启动档,也就是点火开关的最后一档。它的作用是用来给起动机供电,启动发动机。

总之,在整车电路的设计中,我们要根据负载的实际工作状态灵活地将全车负载分配到各个档位。

1 . 2 中央电气盒的选择

中央电气盒是全车电源分配的总枢纽。其内部主要是保险丝和继电器,智能型的电气盒内部还包含有电子控制元器件。按照连接方式分,中央电气盒通常分为硬线型和PCB 型,两者的区别在于前者是导线通过端子直接连接到电气盒,没有接插件,而后者是通过接插件连接到电气盒;如果按照是否含有电子控制单元来划分的话,又可以分为普通型与智能型。

一般情况下,在整车电路的设计中,会根据如下3 点的综合考量来选择最适合的中央电气盒。

(1)成本。通常PCB 型比硬线型成本要高,但是这并不意味着PCB 型就比硬线型有更多优点,从电气性能角度讲,恰恰相反,硬线型有着更优秀的表现,因为中央电气盒内部有许多保险丝继电器,它们在工作的时候,会散发出很多热量,而热量的聚集会使温度升高,从而降低了保险丝继电器的性能。相比之下,硬线型的中央电气盒有更多的散热通道如端子的孔穴,并且上下贯通,这样就大大减少热量的聚集,使保险丝继电器有一个更优的工作环境。所以笔者对于国内一些主机厂盲目追求PCB 型的电气盒持保留意见。

(2)环境及空间。通常,不同的车辆提供给电气盒使用的空间形状相异性是很大的。而PCB 型的电器盒由于其制造工艺性,通常会设计成较为规则的长方体型或正方体型,它对空间的需求相对来说也会是一个比较规则的矩形体;而硬线型的电器盒却没有这方面的要求,它可以根据复杂的车身环境空间,因地制宜设计成异形,因而其适应性也就更好。

(3)整车电气架构。在低端的车型中,因为电器设备较少,电气架构及控制逻辑较为简单,使用普通型的电气盒即可满足使用要求;而在中高端的车型中,因为有着更多的电器设备,更复杂更庞大的电气架构和控制逻辑,这个时候就能突显出智能型电气盒的优势来,其主要体现在如下两个方面:

① 智能型电气盒是将普通型的电气盒与车身控制器(BCM)集成起来,更节省空间。在中高端车型中,由于车身结构复杂,电气设备多,所以空间更为紧张,在这种情况下,智能电气盒节省下来的空间就显得弥足珍贵。

② 智能型电气盒可以通过CAN Bus 与其他电器设备,如组合开关(具备CAN 收发器的情况下)进行通信,大大减少信号线的数量;与其他电气盒通信,可以很大程度上缩短电源线的长度。比如,在某些欧系高端车型上,甚至有3 个智能的中央电气盒,分别布置在发动机舱、乘客舱和行李舱,通过CAN 网络传输控制信号,它们分别就近控制或提供电力给电器设备,可以大幅度地减少电线回路数,减轻线束重量,起到优化设计的作用。

1 . 3 保险丝的选择

前面讲过,中央电气盒中的主要工作部件就是保险丝和继电器,而电源分配的重任,基本是靠这些大大小小、花花绿绿、类型各异的保险丝完成的。保险丝,其主要的用途在于熔断,当回路发生短路故障时起到保护回路不被烧毁的作用,从而避免车辆发生火灾。由此可见,保险丝的选择就相当关键。

1.3.1 保险丝类型的选择

保险丝的种类按照不同的分类方式可以分为很多种,而且形状各异,像美系车上常见的易熔线就是以一段导线的形式出现的保险丝。

通常按照熔断的速度亦即响应的速度可将保险丝分为快熔型和慢熔型。一般情况下,在通过超出容量一定数量的电流时,以较短时间熔断的保险丝称为快熔型的保险丝,常见的Mini、ATO 等保险丝就属于快熔型保险丝的范畴;

同样,在通过超出容量一定数量的电流时,以较长时间熔断,甚至不熔断的保险丝称为慢熔型的保险丝。常见的Jcase、BF1、Midi 等保险丝就属于慢熔型保险丝的范畴。但是,这种分类只是我们通常意义的分类,严格上讲,快熔和慢熔并没有严格的界限,比如像Maxi 保险丝的熔断特性就介于Mini 与Jcase 之间,但是会更接近于Jcase,这从保险丝供应商提供的熔断曲线可以看出。

那么种类如此繁多的保险丝该如何筛选呢?这就需要依据保险丝的熔断特性来综合考量。汽车上有很多的电器负载,通常可以分为阻性负载如卤素灯和感性负载如电机。阻性负载在工作过程中,电流相对稳定,很少出现长时间的电流大幅波动,所以我们通常为这类负载选择快熔型的保险丝,以期在回路发生短路时,保险丝尽快熔断。

但是感性负载则与此不同,它们在工作过程中,会出现较长时间的超出额定电流1 倍甚至数倍的电流,如鼓风电机在启动的时候,或者玻璃升降器电机在受阻或发生堵转的时候,这个时候慢熔型保险丝的熔断特性恰好满足这类感性负载的工作要求。但是这只是一个比较概括性的原则,在实际设计中,要灵活运用,并且还需要结合保险丝的容量来考虑,因为快熔型的通常容量都较小,而慢熔型的有较大容量。

1.3.2 保险丝容量大小的选择

在初步定好保险丝的类型后,就要具体选择保险丝的容量了。简单的讲,保险丝的容量是根据负载的功率来定的,同时要结合保险丝的类型、中央电气盒的位置(高温区还是一般温区)和类型(硬线型还是PCB 型)来给予一定的安全裕量,这个安全裕量主要是考虑温度对保险丝的影响,因为环境温度的升高,会导致保险丝实际能够承载的电流下降。一般可以根据如下公式进行折减计算:

I f=I n /R R (1)

式中:I f 为保险丝的理想值;I n 为正常工作的电流值;R R 为温度折减系数。

温度折减系数从55%~ 90%不等,主要是根据保险丝的类型(快熔还是慢熔)、中央电气盒的位置(高温区还是一般温度区)、中央电气盒的类型(PCB 型还是普通硬线型)有关。如轿车近光灯(1 只),通常功率为55W,额定电流为4.58A,若中央电气盒在发动机舱且为PCB 型,可知温度折减系数为70%,根据公式(1)可知,保险丝的理想值I f=4.58/70%=6.54A。一般情况下,会选择比计算值大一个量级的保险丝,即10A 的Mini 保险丝即可。

1 . 4 导线的选取原则

1.4.1 导线线型的选择

一般而言,我们会将车辆上的空间根据工作温度的不同而将其划为几个温区,如排气管附近温度最高,发动机本体上次之,发动机舱内再次之,最后是乘客舱。具体的温度范围主机厂在设计要求中会给出。导线线型的选取,主要是根据温度来为不同的温区选择不同温度等级的线型。

当然,在这之前是要根据主机厂的要求先定好使用何种国别标准的线种,如日标线、法标线、德标线、美标线等。每一种国别标准的导线其按照温度的分类不尽相同,但是基本大同小异,导线的供应商会提供一份详细的各种线种线型所适用的温度范围,根据其参数选择即可,但是需要强调的是,并非选择完毕后就万事大吉了,后期,我们有的时候还是需要根据线束系统验证的结果而进行调整。

1.4.2 导线线径的选择

在线型选好以后,就要开始为每一根回路选择线径了。一般情况下根据导线所传输的内容的不同,将导线分为:电源线、接地线和信号线。顾名思义,电源线,其作用主要就是给负载供电;而接地线,又称搭铁线,其作用主要是负责给负载提供电流回流到蓄电池负极的通路;至于信号线,其作用就是在不同的模块/ 器件
之间传输信号。

(1)电源线

很多做线束设计的人也不是特别清楚,是应该先选择保险丝还是先选择线径。所以再次强调一下,应该是先选择保险丝,再选择线径。因为保险丝是用来保护导线的。前面已经叙述了,保险丝的类型容量是由负载决定的,而电源线的线径则必须去匹配保险丝的容量,如果线径选小了,则可能会出现在短路的时候,电线熔毁而保险丝不熔断,这样就无法发挥保险丝的作用;如果线径选大了就是一种成本的浪费。具体的线径与保
险丝的匹配关系,是通过大量试验得到的,如0.35/0.5 的导线匹配10A 的保险丝等。

那么,导线和保险丝的匹配是怎样的一种关系呢,下面我们来详细说明:

导线与保险丝的匹配主要是体现在短路的时候。当短路发生时,保险丝和导线同时通以同样大小的电流,这个电流比正常工作电流大很多倍,比如温度等级为80℃ 的0.5 的导线,在环境温度为40℃ 时的极限工作电流为10 多A,但是在短路的时候可以达到100 多A(短路电流,主要取决于电线的长度),这时,因为导线和保险丝都有电阻,虽然很小,但在短路电流通过的时候会在瞬间发出大量的热,当热量达到一定的时候,保险丝就会因温度的上升而熔断,导线就会因为芯线的温度的上升而导致绝缘层熔毁,如果这时保险丝先熔断,而此时导线绝缘层是完好的,我们就认为导线和保险丝是匹配的;如果导线的绝缘层已经开始熔毁但保险丝却没有熔断,那么我们就认为导线和保险丝是不匹配的。而且这时存在发生火灾的风险。在实际设计当中,设计者如何用比较直观的方式来判断呢。这时就需要借助温度电流衰减曲线图了。在整个工作温度范围内的任意温度下,导线的允许电流值如果都高于保险丝的允许电流值,我们就可以认为所选择的保险丝和导线是匹配的。如图1 是0.5 的PVC 导线与10A 的Mini 保险丝的温度电流衰减曲线图。

整车电源分配系统设计介绍

从图中可以看出,-40℃ ~ 80℃ 的范围中,0.5的PVC 导线的电流衰减曲线在都是在10A 的Mini 保险丝的上面的,我们认为它们之间是匹配的。同时需要注意的是,如果导线的温度等级更高,我们也可以适当地降低线径。然而,在实际的设计中,不可完全照搬这个匹配关系,还要根据负载的类型、电源线的长度、所经过的温区、是否通过活动部件来综合考虑,设计完毕后需要通过短路实验来验证导线和保险丝是否匹配。

(2)接地线

接地线线径的选择与电源线有所不同。电源线是根据保险丝容量来选取的,而接地线则可以根据负载直接选择,这是由接地线的主要作用决定的。所以在整车电路的设计中常常可以看到在负载的两端,电源线和接地线的线径并不一致。例如前雾灯,我们给两个前雾灯共用1 个15A 的保险丝,所以其电源线需选择法标的0.75 或者日标的0.85,或者更大一级的线径来匹配15A 的保险丝,但是其接地线却可以根据负载的大小直接选择0.5,就是这一原因。如果将接地线使用与电源线一样大的线径,反而是一种浪费,有违绿色设计的理念。

(3)信号线

信号线线径通常0.3/0.35 或者0.5 即可,而且很多时候模块的供应商已经将信号线的线径定义出来。因信号线的线径选择比较简单,在此,我们不做赘述。

最后需要强调的是,对于电源线和接地线除了遵循上面的原则外,我们还必须考虑一些其它的对线径会产生影响的因素,如客户的规范,温度的影响,还有电压降的要求等。

1 . 5 保险丝的共用与非共用

在中央电气盒能够容纳下足够的保险丝的情况下,第一选择是不共用保险丝,以降低一条回路发生短路致使共用保险丝熔断而造成别的负载无法工作的风险,同时也能降低检修的难度。

这在美国车(非国内合资的美系车)上比较常见。但这是需要付出空间和成本的代价的,因为保险丝数量的增加,势必会要求更多的空间和成本;而共用保险丝的好处是降低了成本,但是增大了电路的复杂度,对车辆的后期检修带来一定的难度。另外,共用保险丝也会增加导线上的电压降,使加在设备上的实际工作电压降低,增大设备无法正常工作的风险。所以,综合各种因素考虑,下面介绍一些保险丝的整合原则。

(1)安全件最好使用独立保险丝

除了国标中定义的一些跟安全性相关的零部件外,有些主机厂还会定义自己的安全件,如小灯(也叫位置灯、示廓灯等)、近光灯等。

通常,我们会为这些负载使用1 个独立的保险丝,如为每个近光灯使用1 个10A 的保险丝。但是在有些情况下,因为中央电气盒中的保险丝位置有限,还是需要将一些小负载的安全件共用保险丝,如将全车的小灯分别挂在2 个保险丝下,但是最好是左右分开,或者交叉共用,这样能保证即使1个保险丝熔毁,车前和车后还分别有1 个小灯能继续工作,以降低因共用而带来的风险。

(2)安全件、非安全件不可共用保险丝为了防止因非安全件回路短路而导致保险丝熔断,造成安全件不可工作的不良后果。比如远光灯与发动机控制器不可共用保险丝,理由是不能因远光灯回路发生短路而让发动机控制器无法正常工作,导致发动机停车。

(3)功率不大的非安全件可以共用保险丝在实际设计当中非常常见,如我们将2 个远光灯共用1 个15A 的保险丝;还有就是一些取电用作信号的非安全件,如收放机ACC 电与电动天窗的ACC 电可以共用1 个保险丝。

(4)不同时工作的负载可以共用保险丝车辆上的有些设备是不会同时工作的,在这样的情况下,就可以共用保险丝,以提高保险丝的利用率。如门锁电机及行李箱解锁电机,它们同时工作的几率非常小,所以我们可以给它们共用1 个保险丝。

2 结束语

随着汽车电子技术的发展,电子零件在车上所占的比重越来越大,随之带来车上的电气负载也越来越大。国内的汽车电气设计还处于刚刚起步阶段,相对于国外大的汽车电气供应商来讲,还有非常大的差距。随着国人对汽车的需求和认知水平不断地提高,汽车的电气安全性能已经作为一项决定汽车品质的重要内容越来越引起汽车产品制造商的关注。如何建立一套完整的汽车电源分配系统计算方法和过程已成为所有汽车制造商的一项共同课题。

作者:邱伟,吁苗,来源《北京汽车》

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