汽车电气系统分析及线束设计_机械仪表_工程科技_专业资料.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流汽车电气系统分析及线束设计_机械仪表_工程科技_专业资料.精品文档.汽车电气系统分析与设计汽车供电系统的选型设计方法前 言汽车电气系统分为供电系统和用电设备。供电系统指给用电设备产生、分配和传递电能装置的总称。它包括发电机、蓄电池、电线束、开关及继电器等。用电设备指实现汽车基本功能和满足安全舒适要求的电器设备的总称,广义指汽车上所有与电有关的设备。本文针对轿车供电系统进行分析,分析了在各种季节气候和使用条件下整车的用电量,对轿车的发电机、蓄电池和整车线束设计进行了验算,并对国产化供电系统技术状态进行了对比研究。目 录第一章 汽车供电系统设计第
2、一节、1 概述整车中电气系统不是一个完全独立的系统。在现代汽车中,电子电器部件介入于整车上的所有系统以实现各种不同的功能。电气系统的合理设计与安全可靠直接关系到整车的经济性、安全性、可靠性、舒适性,它是整车开发中的一个重要环节。;同时,汽车线束的布线、设计也直接影响到整撤行驶使用的安全性、可靠性。因此,线束的设计实际上是将电气系统原理设计上升到理性设计并最终形成产品的设计过程。 汽车的电气系统分为供电系统和用电设备。供电系统指给用电设备产生、分配和传递电能装置的总称。它包括发电机、蓄电池、电线束、开关及继电器等。对供电系统的主要要求是:在车辆各种使用工况条件下,均能可靠地保证向用电设备供电;各
3、零部件必须符合汽车电气设备基本技术条件及其专门技术条件的要求。第二章 整车电气系统选型设计通常在进行汽车整车电气系统设计时,尽量利用零部件供应商的成熟产品并在此基础上作优化修改,以满足零部件设计的通用化、标准化、系列化,从而降低成本,并且使系统设计合理,安全可靠。本文在对整车电气电源系统选型设计论述的同时,结合一款新开发的整车LF7132262电气系统选型设计实例来详细说明。该车电气系统配置有冷暖空调、电动门窗、电动外后视镜(带电加热)、后雨鱼刮洗涤电机、后挡风电加热、遥控、防盗、四门中控、ABS、天窗、安全气囊、电动桌椅调节等电气功能。2 整车电气系统选型设计2.1 设定车辆的电气系统主要技
4、术参数整车电器系统电压:12V。搭铁极性:负极搭铁蓄电池容量:12V/60Ah2.2 电气系统的负荷图 及发电机的选择2.2.1 用电设备分类根据汽车行驶中用电设备的工作时间长短,将用电设备分为3种情况:连续工作制、短时工作制和随机使用的设备。2.2.1.1 连续工作制设备连续工作制设备指汽车在行驶中连续不间断用电的设备,包括:发动机点火系统、行驶系统、散热器电风扇、组合仪表和蓄电池充电等。2.2.1.2 短时工作设备短时工作制设备指汽车行驶中常使用的用电设备,包括:大灯、夜间灯、转向灯、雾灯、倒车灯、制动灯、牌照灯、喇叭和雨刮器等。2.2.1.3 随机使用的设备随机使用的设备指汽车行驶中使用
5、时间不确定而随机使用的用电设备,包括:车内灯、电动门窗、电动洗涤、空调压缩机、鼓风机、ABS控制器、点烟器、音响系统、天窗、电动外后视镜和其它用电设备。2.2.1.4 用电设备的使用情况汽车用电负荷图是进行交流发电机选型的重要依据,汽车上配置的所有用电设备在不同场合、气候条件下使用,一般不会在同一时间全部都投人工作,而许多用电设备的工作及工作时间长短,取决于季节和环境的变化。对汽车在行驶中的几种较为典型的用电情况进行分析,大致可分为8种:平常日间、平常夜间、冬季日间、冬季夜间、冬季雪夜、夏季日间、夏季夜间和夏季雨夜。各种情况下的用电设备情况如表1。序号用 电设 备平 常日 间平常夜间冬季日间冬
6、季夜间冬季雪夜夏季日间夏季夜间夏季雨夜1点 火系 统2行 驶系 统3散热器风 扇4组 合仪 表5蓄电池充 电6转向灯7制动灯8夜间灯9近光灯10远光灯11前雾灯12后雾灯13倒车灯14喇 叭15牌照灯16前 雨刮 器17车内灯18电 动门 窗19电 动洗 涤20空调压缩 机21冷凝器风 扇22鼓风机23ABS控制 器24点烟器25音 响26扬声器27外 后视 镜28后挡风电 机29其 它电 器3、电气系统符合计算3.1.1 用电设备使用频度 为了分析计算方便,我们引入电器设备使用频度系数概念来计算整车的用电量。电气系统负荷与用电设备的使用和工作状态有关,用电设备工作状态决定于季节、环境、交通状
7、态和个人使用爱好,复杂的使用条件使电气系统负荷的计算变得困难。为了分析计算方便,引入用电设备使用频度系数概念来计算整车的用电量。汽车用电设备在不同的季节和环境,有着不同的使用频度,本文采取用s、0、w分别表示用电设备与夏季、季节气候无关及冬季3种情况下的使用频度系数。该3种情况包括的用电设备如下:s(与夏季相关):散热器风扇、雨刮器、空调压缩机和鼓风机;0(与季节气候无关):连续工作制设备、短时工作制设备(除雨刮器以外)和随机使用的设备(除空调压缩机和鼓风机以外);w(与冬季相关):散热器风扇、雨刮器和鼓风机。整车电气系统用电设备的额定电流和使用频度系数见表2。类型用电设备名称电流I(A)使用
8、频度系数连 续 工 作 制点火系统7组合仪表2水箱风扇12行驶系统6蓄电池充电5短时工作制转向灯7侧转向灯制动灯夜间灯近光灯远光灯前雾灯后雾灯倒车灯信号喇叭刮水器牌照灯随机使用的设备车内灯电动门窗电动喷水空调压缩机鼓风机ABS控制点烟器收音机扬声器其他继电器3.1.2汽车用电负荷图是进行交流发电机选型的重要依据,根据用电设备使用频度计算电器设备的用电量,为了分析计算方便,我们引入电器设备使用频度系数概念来计算整车的用电量,计算公式如下:Idx=UiIi(1)其中:Idx等效电流Ui第i个用电设备所对应的使用频度系数Ii第i个用电设备的电流汽车电器设备在不同的季节和环境,有着不同的使用频度系数,
9、我们使用/l。从/A。分别表示电器设备与季节气候无关、夏季及冬季3种情况下的使用频度系数。一般来说汽车在行驶中几种较为典型的用电情况大致可分为,平常日间、平常夜间、冬季日间、冬季夜间、冬季雪夜、夏季日间、夏季夜间、夏季雨夜。表1列出了整车电气系统常用电器设备的额定电流及使用频率系数,并由此统计出整车用电量。3.1.3根据表1和表2,统计出综上可知,整车在不同季节和环境下的整车电量计算结果如图1所示。图1 整车电量统计表4、2.2.2 交流发电机的输出功率的选择及输出功率计算分析 4.1 汽车发电机功能特性简介汽车用电设备所需的电能由两个电源供给:发电机和蓄电池。发电机是由汽车发动机拖动而工作的
10、,在汽车正常运行时,发电机在汽车上是主要的供电电源,供给全车除起动机外的一切电气设备的电能,并将多余的电能向蓄电池充电,使蓄电池始终保持完好的荷电状态。蓄电池的主要功能是将电能供给起动机拖动发动机运转,并且在发电机供电能力不足时与发电机共同供电。 考虑到保证用电设备供给、提高电源系统的经济性和发动机动力性,发电机输出功率的选择应以保证汽车行驶时正常用电量和蓄电池所需要的充电量为基础。在极限高峰时段时,允许蓄电池向用电设备提供一定量的放电电流,这也是选择发电机输出功率所必需的原则,因此,电气系统负荷图是选择汽车发电机功率等级的主要依据。在整车概念定义阶段,车型总布置工程师选定了整车所装配的动力总
11、成,电气设计工程师将以此为依据来选择汽车电源系统的发电机型式及其输出功率等级。首先,设计检查所选择的发电机外形是否满足汽车发动机舱总布置的三维空间安装要求,并验算其供电量是否满足整车的用电需要。 4.2 汽车用交流发电机的选用与验证 4.2.1 交流发电机选用额定电压:14V;额定转速:6000r/min;常温稳态输出电流:85A;空载转速和输出电流:1800r/min,40A;传动比:2.67:1;最高允许转速:18000r/min;输出特性曲线见图2图2 交流发电机输出特性表1 整车常用电器设备用电量图1 整车电量统计表汽车用电设备所需的电能由两个电源供给:发电机和蓄电池。发电机是由汽车发
12、动机拖动而工作的,在汽车正常运行时,发电机在汽车上是主要的供电电源,供给全车除起动机外的一切电气设备的电能,并将多余的电能向蓄电池充电,使蓄电池始终保持完好的荷电状态。蓄电池的主要功能是将电能供给起动机拖动发动机运转,并且在发电机供电能力不足时与发电机共同供电。考虑到保证用电设备供给、提高电源系统的经济性和发动机动力性,发电机输出功率的选择应以保证汽车行驶时正常用电量和蓄电池所需要的充电量为基础。在极限高峰时段时,允许蓄电池向用电设备提供一定量的放电电流,这也是选择发电机输出功率所必需的原则,因此,电气系统负荷图是选择汽车发电机功率等级的主要依据。在整车概念定义阶段,车型总布置工程师选定了整车
13、所装配的动力总成,电气设计工程师将以此为依据来选择汽车电源系统的发电机型式及其输出功率等级。首先,设计检查所选择的发电机外形是否满足汽车发动机舱总布置的三维空间安装要求,并验算其供电量是否满足整车的用电需要。在车型设计中选用的动力总成,其原配发电机是JFZl813Z整体交流发电机,基本参数为:额定电压:14 V常温稳态输出电流:90A空载转速:1500r/min额定转速:6000r/min传动比:2.1图2 JFZ1813Z输出特性曲线经整车三维电子装配检查,此发电机满足整车总布置的安装空间要求。n =(Vii桥i档103)(120R滚)其中:n发电机转速(r/min) V汽车车速(km/h)
14、 I发电机速比 i桥驱动桥速比i档变速箱速比 R滚驱动轮滚动半径(m)变速箱的传动比见表3档位传动比1档3.58:12档2.04:13档1.41:14档1.11:15档0.88:1倒档3.62:1主减速比3.824:142.2.23 发电机输出电流验算发电机功率的选用计算主要依据整撤用电器功率,与发动机转速、发电机调节电压来确定,发电机输出一般遵循以下原则:热态最大输出功率大于夜间常用符合(130150%),LF7132取140%。P发热maxP总1.4; P总P总P总50%P总:整车夜间常用电器总功率;P常用:连续用用电器功率;P短:只有短时间使用的用电器功率。LF7132的发电机设计的输出
15、电流计算如下:P常用0.5P总P总在汽车行驶中,发电机的转速与车速及汽车档位有关,随着车速和档位的变化,发电机的转速也作变化,其实际输出电流也相应地改变。 汽车发电机的选择包含了输出功率选择和传动比选择匹配,在设计中选择发电机只考虑到输出功率能否满足整车用电设备的要求,而忽视了发电机传动比的有机配合,往往不能保证汽车正常行驶时的用电要求。因此,根据整车定义及整车技术条件,针对不同车型的不同使用环境要求,可计算并判断二者间的相互关系。下面是发电机转速与车速的关系公式,根据整车给定的参数,可列出不同车速时所对应的发电机工作转速,按图2的发电机输出特性,就能分析出以不同速度行驶的汽车,其发电机输出功
16、率能否满足用电设备的要求。由此计算出汽车行驶时,汽车车速、发电机转速、发电机输出电流的对应情况(见表42)。表42 汽车各4档行驶时发电机可供电量车速(km/h)203040506070801001201742档发电机转速(r/min)3725发电机输出(A)733档发电机转速(r/min)257238625150发电机输出(A)55.67583.44档发电机转速(r/min)202730414054506860817095810810135发电机输出(A)44.36376.882.98585.285.5865档发电机转速(r/min)4821562564288035946213981发电机输
17、出(A)82.184.384.985.485.9车速(km/h)2030405060708090发电机转速(r/min)16772516335541935032587167097548发电机输出(A)39657682.58688.590.591.5从表2及图2可知,汽车发动机怠速运行时,JFZl813Z交流发电机的转速约15800 r/min,供电量约430A,可满足发动机点火系统和行驶系统所需电量。汽车以4050km/h的速度行驶时,输出功率大于夜间常用负荷,并且有足够的余量向蓄电池充电。也可满足冬、夏季白天长时间使用空调的情况。JFZl813Z交流发电机热态最大输出电流约为906A,大于夜
18、间常用负荷的150%左右,完全满足使用要求。冬季雪夜和夏季雨夜是整车用电量的极限情况,此时蓄电池应该与发电机并联供电。从保证用电和提高供电系统的经济性考虑,发电机功率的选择应以汽车行驶时正常用电量和对蓄电池充电电流的大小为基础。而在极限用电高峰时,允许蓄电池向用电设备提供一定大小的放电电流,这也是选择发电机功率的基本原则。由此可见,选用JFZl813Z交流发电机可以满足整车电气系统的用电量要求。5、启动电机选用及功率额定在极限温度下,发动机每升排量所需的启动转矩:发动机缸数每升排量所需要的转矩(N.m)212.548.066.586.0125.5对LF7132轿车所使用的发动机是LF481Q系
19、列,本文以此为例来分析就算启动电机的功率。由公式:PT,将转矩转换为功率,式中P为功率,T为转矩,为角速度。2n(60) n为启动电机转速。因启动电机在工作过程中有能量损失,所以其效率会有较大下降,大部分启动电机的效率都在60%左右。在实际生产中,启动电机输入功率用于小齿轮的效率通常只有85%。该车飞轮和小齿轮的齿数比为:103:812.875,所谓汽车在极限温度启动,通常指汽车在30时能够顺利启动。在该启动状态下,发动机所需要的最小曲轴旋转速率为:50r/min。根据以上数据可以得到:P8N.m1.6L250r/min12.875(601000)0.86(kw)根据启动效率计算:0.86(k
20、w)0.61.44(kw)第二部分2.3 汽车蓄电池的选择产品设计蓄电池是供电系统的辅助电源,它担负着发动机起动时供给启动机电源、发电机不工作或低转速运转时向用电设备供电;当用电设备所需的功率超过发电机所发出的功率时,与发电机联合向用电设备供电。但蓄电池原则上只担负起动机的负荷,其电容量计算经验公式如下:Q=(610450840600)P起S/U其中:Q蓄电池容量(Ah)P起S起动机额定功率(kw)hp)U起动机的额定电压(V)LF481Q发动机配用的起动机额定功率1.43kwhp,额定电压12V,经验系数取600500,则 Q=600500* 1.43/12=5470(Ah)该汽车电气系统选
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