汽車電氣系統設計的流程和方法

在過去的十多年里，中國的汽車工業快速發展，工業化進程極其全面。在技術上，這一成就與所有人對汽車事業的忠誠期待和不懈努力是緊密分離的。如何滿足產品產業化和藝術化的需要,實現設計周期的縮短和設計品質的提高,這些都是目前大家所關心的問題,合理的設計流程和方法會使工作事半功倍。因此,在汽車設計研發階段,設計過程必須得到規范和控制,系統化和標準化才是走向成熟的標準。電氣系統設計在整車設計過程中是相對獨立的設計課題。隨著汽車科技不斷發展,電氣系統設計也將在未來汽車設計中扮演更加重要的角色。汽車電氣系統設計一般包括5個步驟:(1)標桿車逆向;(2)電氣系統原理圖設計;(3)電氣系統電能平衡計算;(4)電器件布置和三維線束布線設計;(5)電線束設計。關于汽車電氣系統設計的具體過程,本文作了簡要敘述,淺見與大家共同探討。1工作電流的測量每個新的設計課題,在設計初都會有標桿車(參考樣車),標桿車逆向過程就是對標桿車進行了解和分析,并作為設計車型的原始積累或設計參考。其主要包括標桿車電器件測量、標桿車電器件功能描述、拆車工藝描述、比對(Benchmark)記錄表、標桿車電氣系統分析報告等。下面就標桿車電器件測量作詳細的描述。在電氣系統設計之初,應對各用電設備進行電流值以及其他相關參數的測量,作為正向電氣系統設計的參考依據。因為在設計過程中,某些電流參數將會影響整車電流分配。發電機、蓄電池、起動機以及各熔斷片容量的確定都將以此為根據。在整車靜態、蓄電池電壓為12.47V時,點火開關打到OFF檔,其靜態電流為0.1A;當點火開關打到ACC檔時,其電流為0.1A;當點火開關打到ON檔時,其電流為1.72A。在整車靜態、蓄電池電壓為12.47V時,全車各電器件工作電流測量數據如表1所示。對各用電設備進行電流值以及其他相關參數測量,其操作流程及方法如下。1)首先測量整車靜態下蓄電池的電壓,如果電壓不足,要及時充足電后才能進行測量。2)查看燃油表顯示的油量,如果缺油,要及時加油后才能進行測量。3)拆卸蓄電池負極樁線束端子,將萬用表正極(紅表筆)連接到線束端子,負極(黑表筆)連接到蓄電池負極樁頭。4)在每次測量電器件電流之前,都要注意核實點火開關的檔位,并記下所在檔位的靜態電流,然后操縱相關開關和按鈕,記下此時的電流值。2次的電流值相減才是所測電器件的真實電流。5)測量中表筆會因電流較大而發熱,要注意停止測量使之冷卻降溫,以免影響測量結果,避免燒損表筆。6)對于工作電流較小的電器件,使用萬用表電流檔適當量程;對于工作電流可能大于萬用表電流檔量程時,應使用鉗形表,并選擇適當檔位,以保證測量的準確性。7)使用鉗形表時應將鉗口掐在電線的相對直線段上,并注意校零。2基于原理圖的分野最開始的電氣系統原理圖是對標桿車線束逆向的結果。然而,在正向設計過程中,必須對設計車型電器件原理進行匯總整理,根據配置的需要和各電器件設計容量,進行整車電源合理分配以及熔斷片、繼電器容量的確定。原理圖的畫法也各不相同,找到一種合理、清晰、簡便的制圖方法同樣是一種完美的設計革新。為了讓圖紙簡單實用、一目了然,作者采用圖1的畫法(為了說明原理圖的畫法,筆者剪切了某微客車的電源起動系統設計原理圖以示說明),在我們批產車維修手冊中也采用了此類電路原理圖,對維修起到了很好的效果。電氣系統原理圖的設計要求如下。1)設計任務書滿足技術協議要求。2)符合設計任務書要求。3)設計按照國標和汽標規定執行。4)對標桿車充分了解,制定沿用件、改制件和新件。5)產品設計采用系列化、通用化、標準化。6)產品設計考慮電流、電壓、功率、工作條件、系統間信號傳輸方式及要求。3便捷便捷的計算電氣系統電能平衡就是通常進行的起動機和發電機的功率匹配以及蓄電池的電容量確定。在以前的很多資料中,對三者的匹配已作過論述,分析相當細致。考慮到影響三者關系的因素眾多,一直以來計算都存在經驗估值,因此,在設計過程中,可以通過簡便快捷的方法進行計算。在進行電氣系統分析前,必須對整車的電氣配置了解,對供電系統的主要參數進行確定,如整車電氣系統的電壓、搭鐵極性、蓄電池容量及起動機的功率等。3.1用電設備工作性質分析根據汽車行駛中用電設備的工作時間長短及頻率,并結合當地氣候環境所區別于其他地域的電能配需情況,對用電設備實行3種工作性質劃分:連續工作制、短時工作制和隨機使用的設備。工作制的區別是通俗的比喻,是筆者根據經驗給予的分類。如此劃分可充分考慮滿足車輛正常行駛的用電量,并準確表達各設備主次關系(整車所有用電設備都將參加工作制的編排)。3.1.1連續安裝設備連續工作制設備指在汽車行駛中連續不間斷用電的設備,包括發動機點火系統、行駛系統、組合儀表等。3.1.2斷性用電設備短時工作制設備指汽車行駛中常使用的間斷性用電設備,包括前照燈、夜間燈、轉向燈、霧燈、牌照燈、空調壓縮機、鼓風機、喇叭、制動燈、前刮水器和后刮水器等。3.1.3隨機使用的用電設備隨機使用的設備指汽車行駛中使用時間不確定、隨機使用的用電設備,包括車內燈、散熱器電風扇、電動門窗、前洗滌、后洗滌、倒車燈、制動燈、點煙器、音響系統、安全氣囊和其他用電設備。3.2整車用電設備用電電氣系統負荷與用電設備的使用和工作狀態相關,用電設備的工作狀態決定于季節、環境、交通狀態和個人的使用愛好,復雜的使用條件使電氣系統負荷計算變得困難,為了分析計算的方便,引入用電設備使用頻度(或者負荷計算權值),用μ來表示,即加權求和。整車用電設備用電量如表2所示。根據用電設備使用頻度計算電器設備的用電量,公式如下式中:I總計功率P3.3蓄電池容量計算方法蓄電池是供電系統的輔助電源,它擔負著發動機起動時供給起動機電源及發電機不工作或低速運轉時向用電設備供電。當用電設備所需的功率超過發電機所發出的功率時,蓄電池與發電機聯合向用電設備供電。但蓄電池原則上只擔負起動機的負荷,其電容量計算經驗公式如下式中:Q——蓄電池容量,Ah;μ——經驗系數,范圍630~810;P例如,某設計車型發動機配用的起動機額定功率1.0kW,標稱電壓為12V,μ取630~810,則蓄電池電容量為:Q根據GB/T5008.2表3中的蓄電池規格,考慮冷起動特性,本應選用蓄電池額定容量為60Ah,但顯然有些浪費,加之空間無法滿足60Ah蓄電池布置尺寸,最終選用了已成熟搭載其他車型的55Ah非標電池,并得到了良好的效果。4設備配置和三維線束布的設計4.1汽車內裝式機械系統的確定電器件的布置是為所有的電氣連接、功能實現、造型、結構等服務的。在整車設計的內外造型定下來后,經過油泥和掃描工作,由總布置確定各電器件在整車坐標中的具體坐標位置,滿足人機工程學、裝配工藝性以及各電器件自身的特性等原則。4.2三維線束設計4.2.1線束安裝要求1)凡穿越金屬件孔或金屬棱角時,線束必須有彈性護套管保護。2)金屬孔設計時,必須有橡膠護套。3)線束布線應沿邊、沿槽,防止線束直接承受壓力。4)線束必須在車身上可靠固定,不允許有大于300mm的懸空布線。5)電線束尺寸應符合QC/T29106的規定,其中電線束基本尺寸極限偏差取值如表3所示。6)線束走向應盡量遠離高溫發熱物體,避免傳導熱和輻射熱的傷害。7)運動件、開閉件間的線束要留足最大開度的長度,并考慮最小開度時的堆積空間和固定方式。8)需要在外面連接電器件插接件且需再塞回固定的線束,要留足拉出操作時需要的長度,并考慮固定后的堆積空間和固定方式。9)線束布線考慮工藝裝配順序和裝配的方便性。12)較長距離穿過狹窄孔洞,應要求結構件中間加開便于中轉線束的沉孔。13)盡可能考慮大總成模塊化裝配,提高生產線裝配速度。4.2.2汽車面及家庭線束的安裝1)線束的固定孔要盡可能開在結構件的平面區域。曲面上固定時,最好在結構件上做出小平面。2)線束過孔的密封保護要考慮橡膠擴大處在應力變形的狀態及裝配方向。3)鈑金結構件不允許開孔時,可考慮熔焊卡條或焊接凸起支架及凸焊螺栓(卡柱)。4)線束與鈑金凸起或棱角過渡時,可將鈑金件做凹槽,以保護線束免于擠壓損壞。5)線束及電器件的固定安裝能采用卡接等徒手操作的,盡量避免使用工具。6)布線結束,應該測出線束上各個卡扣、膠套、電器件間的線束長度,作為二維線束圖上的線長標注的依據,測量精度達到±5mm即可。電器件布置和三維線束設計不僅是線束長度的模擬和線束包扎方式的依據,同時也是對衍生標準件的確定。5家庭成員在車輛駕駛中的應用,有利于汽車理性執法電線束是電氣原理圖的產品反映,是電氣系統電源信號或數據信號進行傳遞或交換,實現電器部件功能,滿足車輛行駛安全、可靠、娛樂實時控制的載體。隨著電器配置在汽車研發中投入百分比的不斷增加,此載體的穩定性和安全性將尤為重要。怎樣來提高電線束的穩定性和安全性?筆者認為:應該從導線規格、熔斷絲規格以及插接件的選擇上進行加強。5.1起動機電纜系統保護設計在確定導線截面積時要考慮電壓降和發熱。用電設備的電流強度為式中:I——電流強度,A;P——用電設備所需功率,W;U在絕緣導線允許的電壓降下,導線的截面積由表4查出(銅的比電阻ρ=0.0185Ω·mm式中:U在新型汽車上,大多數的用電設備都有保護。然而起動機電纜由于其起動電流特性,故不采用常規的熔斷絲保護。起動機電纜要么不保護,要么采用高溫分離元件,在臨界安全點時切斷電流。此外,起動機電纜的連接特別重要,因為在電纜上的電壓降對發動機的冷起動特性比正常連接后達到的峰值電流和持續電流有更重大影響。除起動機外,其他用電設備大都采用熔斷絲保護,或者在電控系統中采用電子保護裝置。設計標準供電導線的尺寸時就應考慮保護方式。采用熔斷絲保護方式時,用電設備的最大持續電流應小于熔斷絲額定電流的80%。為便于汽車電系的連接和維修,汽車用低壓線的顏色必須符合國家的有關標準。單色線和雙色線的顏色規定可以參考QC/T414—1999《汽車用低壓電線的顏色》。各系統設計規定主色和輔助色的搭配,盡量做到輔助色服從主色,注意同一插接件同一線徑問題。汽車電系一般分為9個系統,系統主色選擇可參考表5。5.2導電部分的安全性能電氣插接連接必須保證各系統部件間的可靠連接,以保證系統在各種使用條件下的可靠工作。選擇上可遵循以下原則。1)導電部分的接觸電阻很小。2)不同電壓的導電部分之間的高絕緣性。3)防水、防濕氣、防鹽霧。4)特殊工作環境下的選擇,如振動加速度、濕度和浸水、高溫和低溫、侵蝕性液體和有害氣體等。5)根據三維線束布置情況,便于裝配,滿足空間要求。6)方便且無誤地裝到汽車上,安全的極性保護。7)安全的、可感覺到的閉鎖緊裝置,并易于釋放。6汽車電氣設計設計層面在以往的電氣設計中,大多數設計人員針對自身所負責的單獨的系統進行設計,專業性很強