商用车电气系统设计PPT课件

1、1 11 1课题的来源、目的及意义 随着电子技术的发展，汽车电器在现代汽车整车中的比重越来越高，除在传统的电气系统如：灯光、点火、起动外，还在电子驱动控制，自动变速器，电子牵引力控制，电子防抱死系统等得到广泛的应用。随着我国经济的迅速发展，人民生活水平不断提高，对汽车舒适性、经济性和安全性的要求也越来越高。与此相适应，国家相继出台了一系列的政策和法规来进一步规范汽车厂家的生产和引导大众的汽车消费。东风汽车有限公司目前的载货车主要是在八十年代引进日本IEI产柴六、七十年代的汽车技术发展起来的。其汽车电气系统比较简单，仅有传统的点火系，起动系，照明系统等。显然易见，如此简单的汽车电气系统已经不但落

2、后于电子技术的发展水平，也难以满足日益严格的国家法规的要求了。以汽车排放法规为例，自2004年7月1日起，在全国范围内开始实施相当于欧II标准的国家机动车污染物排放标准第二阶段限值。2005年，北京将实施欧IlI排放标准。新标准的实施，标志着我国的机动车污染。防治进入了一个新的阶段。然而，传统的柴油发动机即使采用增压、中冷等技术也只能达到欧II标准。因此，作为满足柴油机排放、节能和提高性能的重要途径，柴油机电子控制技术已成为当前柴油机技术的重要发展方向。柴油机电子控制以其快速灵活的特点，保证了系统的实时性和精确性，并可根据需要采用不同的控制算法和调节规律，从而突破了传统机械调节系统速度慢和适应

3、性差的弱点。第1页/共32页再者，随着人民生活水平的提高，对汽车舒适性、安全和环保都提出了更高的要求， 如此一来，汽车上的电器电子设备不断增多，如何使众多的设备协调、高效的工作，给汽车电气系统设计提出了新的课题。作为中国载货车行业的排头兵，东风汽车公司于2003年将开发新一代重型载货车列入东风汽车公司战略性开发项目，以驾驶室换代、发动机达欧III排放标准为契机。21电源系统汽车供电系统一般由发电机、电压调节器和蓄电池组成：发电机对柴油机而言大多采用硅整流交流发电机。电压调节器主要有电磁式电压调节器，分立元件半导体电压调节器，电子式无触点电压调节器几种。蓄电池有起动用铅酸蓄电池和低锑免维护蓄电池

4、等。汽车的用电系统较多，所有系统都需要大量电能维持其工作，蓄电池只能维持一个短时间，其电能一旦耗尽，发动机将停机。为解决这个问题，汽车装有供电系统，它在发动机达到一定转速时向全车各个用电系统供电，并向蓄电池充电。这就解决了在发动机停机时，蓄电池可重复向各个用电系统供电的问题。蓄电池供电持续时间取决于蓄电池容量的大小。第2页/共32页2 21 11 1蓄电池的型式选择 70年代开始，少维护或免维护铅蓄电池在国际市场上逐年增高。随着汽车工业和运输业迅速发展，要求启动用蓄电池少维护或免维护，这也是汽车整体可靠性的环。所谓少维护或免维护，其含义是在汽车的使用过程中(包括静止状态)，不需要监视电解液面(

5、因电解水导致损耗)，不致于因搁置产生自放电。换言之，不进行维护或少维护仍然保持蓄电池在启动和行驶所需要的能量。由于自放电的存在，蓄电池在放置时也会失掉容量。特别是长时间或高温情况下，一定时间后，同于硫酸化，即使再充电也不能恢复原状，致使蓄电池不能再使用。免维护蓄电池和少维护蓄电池与普通蓄电池相比，容量保持有明显差别，见图2-1。普通启动用铅蓄电池栅板多采用铅一锑(Pbsb)合金(锑含量47)，锑量增多有利于提高栅板的机械强度，改善铸造性能。但是在充电时，阳极栅板中的锑逐渐溶解到溶液中，并在阴极表面上沉积，与阴极活性物质铅形成微电池，导致自放电增大。因锑的过电压比铅小，所以充电电压降低，在用定电

6、压充电时，充电电流逐渐增加，从而加剧了水的分解，加速了电解液量的减少。因此，要使所使用的合金能达到栅板机械强度大，耐腐蚀，可铸造性等特点，目前实际使用的合金为以下两大类：第3页/共32页 一是铅一钙合金；二是低锑多元合金。 铅一钙合金自放量少，耐过充性好，水耗低，但低效率深放电容量下降快，铸造工艺较复杂，需要防钙高温易氧化的措施和快速测量，定钙量的仪器。低锑多元合金白放电用电解液损耗特性不如铅钙合金好，但明显优于铅一锑合金。第4页/共32页2.12.12 2发电机的选择 随着时代的发展，汽车上的电气设备越来越多，这就要求供电系统提供更多的电能，以维持全车用电设备的正常工作，除要求输出功率要大，

7、还要求效率高，重量轻，早在六十年代初期，这些要求迫使生产厂家更新换代，从此，交流发电机取代了直流发电机。随着汽车技术的发展，对汽车的性能要求越来越高，大量的用电装置在汽车上的应用导致了汽车用电量的增加，发电机是车辆运行过程中的主要电源，它供给除起动机外的所有用电设备电能，并向蓄电池充电，如何确定发电机的功率不仅取决于其生产厂家，而且与汽车生产厂家也密切相关。发电机的输出功率等于输出电流与输出电压的乘积，在汽车上供电电压是一定的，这样我们可通过用电负荷来确定发电机的功率。若选取的功率小于用电器的需要量，一方面面使用电设备不能正常工作(如灯光变暗，指示仪表发生误差等)，另一方面不能保证向蓄电池充电

8、，使蓄电池长期放电，使其寿命缩短，维修费用增加。但是若将发电机功率选得过大，其本身的功率将不能充分发挥，且使供电系统重量增加，也不经济。 用电负荷取决于电器的功率和工作性质以及运行条件，按其工作性质不同可分为：长期用电负荷、连续用电负荷和短时间间歇用电负荷。按运行条件不同则可分为冬季和夏季、白天和夜间、晴天和雨雪等情况。第5页/共32页2 22 2起动系统 汽车起动系统一般由起动机，蓄电池和起动继电器组成。起动系统的设计品质直接影响汽车的起动性能，因此设计起动系统时，必须确定起动机设计参数，即根据发动机的起动特性确定对相应起动机的性能要求。起动系统的最主要部件为直流电动机，它将蓄电池提供的电能

9、转变为机械能。它能够输出一定的功率，使发动机的最低转速达100rmin以上。因为这样的转速才能使燃油雾化和压缩可燃混合气，使发动机起动。第6页/共32页2 22 21 1发动机的起动特性及对起动机的性能要求 起动是发动机进入工作的准备阶段。发动机借助于起动机使曲轴由静止状态加速到能进行混合汽燃烧，进入独立的工作状态。发动机在起动时的工作过程与正常运转时基本相同但起动是发动机在冷车或停车的状态下被起动机带动旋转，起动过程中曲轴旋转的主转矩及旋转角速度是瞬时变化的，开始起动时阻转矩迅速升至最大值，然后下降，经过一段时间后才趋于稳定值。发动机对起动机的性能要求有两点： 一方面起动机必须能够提供足够的

10、起动转矩，保证在一定的环境温度下均能克服发动机的最大起动阻转矩，使曲轴旋转； 另一方面，起动机必须具有在最低起动转速以上时驱动发动机的能力，即起动机必须具有足够的功率，使其克服发动机的平均阻转矩时具有足够的转速以顺利起动发动机。第7页/共32页2 22 22 2起动机型式 在汽车工业发展过程中，人们过去普遍使用电磁式起动机作为起动装置。但是电磁式起动机有体积庞大、造价高等缺点，现在，由于永久磁铁材料的改进，起动机的磁场基本使用永久磁铁提供，其结构更加紧凑，体积变小，重量减轻。起动机的激磁绕组可以和主线路用电枢串联或并联。起动机输出的转矩与磁场的磁通量和电流大小成正比。对于串励式起动机，当电枢转

11、速为零时，磁通量和电流量最大，此时转矩也最大。当电枢转速慢慢增加时，由于电枢切割磁通产生了反电动势，使电流减小。反电动势随速度增加而增加，而电流随之减小，结果使起动机输出转矩逐渐降低。串励式起动机这一特性，非常适合汽车发动机的起动要求。发动机开始起动时，需要很大转矩，而发动机各机件运动起来后，由于阻力减小，起动机输出转矩即可适当减小。目前，国内外汽车起动机一般都采用串激直流起动机。第8页/共32页223起动机基本参数的选择在选择启动机时，必须确定的基本参数是：启动机的功率，启动机与发动机曲轴的传动比以及蓄电池的容量。2231启动机功率的选择为了使发动机能够迅速、可靠地启动，启动机必须具有足够的

12、功率。如启动功率不够，就会使重复启动的次数增多，启动时间延长，这不仅对蓄电池不利，而且对燃料的消耗、零件的磨损以及车辆的工作都是极其不利的。启动发动机所必须的功率P，取决于发动机的最低启动转速ns和发动机的启动阻力矩M。，即 第9页/共32页22，32传动比的确定启动机与发动机之间的传动比如选择不当，则启动机的功率就不能充分利用，仍会使发动机启动困难。因此，必须正确的选择传动比，以使肩动机在发动机最低启动转速时能发出最大功率。1最佳传动比的确定所谓最佳传动比是指启动机工作在最大功率时的转速np，与发动机可靠启动的最低启动转速n。之比， 计算最佳传动比时，若已知启动机的工作特性曲线，则可从特性曲

13、线上找出与最大功率对应的启动机转速nP并将发动机最低启动转速nI代入式(29)计算求得。若无启动机工作特性曲线，则可根据启动机的最大功率出现在电枢电流最大值一半时的原则来确定。即先测定启动机在制动工况时的最大电流值l。，再给启动机加上负载力矩，使J。=去，。，测定其稳定运行时的转速n。，代入式(29)即第10页/共32页2传动比的实际选择在实际选择时，常将传动比选得比上述最佳值稍小，使启动机的工作电流接近于制动电流1，的23。此时启动机功率虽有所下降，但启动转矩可以增加很多，对启动发动机有利。另外，发动机飞轮齿圈的节圆直径与发动机总体布置有关，不能任意增大。齿轮模数决定了齿的强度。所以驱动齿轮

14、的齿数也不能任意减小a柴油机因启动转速较高，传动比较小，一般为810。第11页/共32页2 23 3照明与信号系统231汽车照明系统的基本组成及要求2311现代汽车对照明的要求为保证汽车在夜闻及能见度低的情况下安全行驶，对照明设备有如下的要求：汽车行进时的道路照明汽车前方道路照明是汽车夜间安全行车的必备条件。现代汽车车速较高，要求照明设备能提供车前100m以上明亮均匀的道路照明，并且不应对迎面来车司机造成眩目。随着车速的不断提高，要求道路照明的距离也相应增加。232汽车信号系统的基本组成及要求汽车上信号装置的作用是通过声响和灯光向其他车辆的司机和行人发出警告，已引起注意，确保车辆行驶的安全。2

15、321声响信号装置声响信号装置有气喇叭、电喇叭和倒车蜂鸣器等。气喇叭是利用气流使金属膜片振动发声，在一些装备气压制动的汽车上装用。气喇叭的音量高，在城市市区内禁止使用。所有汽车都必须装有电喇叭。要求电喇叭的声音清脆悦耳，其音量不得超过105dB。第12页/共32页2 24 4传感器及信息显示系统 现代汽车电子控制中，传感器广泛应用在发动机、底盘和车身各个系统中。汽车传感器在这些系统中担负着信息的采集和传输，由电脑(电子控制单元)对信息进行处理后向执行器发出指令，实行电子控制。传感器在电子控制和自我诊断系统中是非常重要的装置，它能及时识别外界的变化和系统本身的变化，再根据变化的信息去控制本身系统

16、的工作。各个系统控制过程正是依靠传感器，进行信息的反馈，实现自动控制工作的。传感器输出的信号有模拟信号和数字信号两种，其中数字信号直接输入电子控制单元，而模拟信号则要通过AD转换器转换成数字信号后再输入电子控制单元。电子控制单元不断地检测各个传感器的信号，一旦检测出某个输入信号不正常，就可将错误的信号存入存储器内，需要时可以通过专用诊断仪或采取人工方法读取故障信息，再根据故障码信息内容，进行维修。 电子控制单元有效地控制着系统的工作，需要具备完整的条件。而传感器的精度、响应性、可靠性、耐久性及输出的电压信号等，对系统的控制稳定性起着至关重要的作用。 传感器按能量关系分为主动型和被动型两大类。汽

17、车上使用的传感器大多是被动型的，这种被动型传感器需要外加电源才能产生电信号。汽车发动机、底盘和车身系统应用着很多种传感器，例如温度传感器、压力传感器、位置传感器、氧传感器、转速传感器等。这些传感器的功能共用，使电子控制单元对发动机的汽油喷射、电子点火提前、自动变速器、自动空调等进行集中控制。第13页/共32页第14页/共32页2 25 5汽车电气设备线路251汽车电系特点1低压汽车电系的电压较低，有6V、12V、24V三种额定电压，重型汽车普遍采用24V电系，有的重型汽车只是其柴油发动机起动系采用24V电源，其它用电设备仍为1 2V电系，通过电源转换开关来改变电源的电压。采用低压的主要优点是安

18、全、电源简单(蓄电池单格数可较少)。2直流汽车采用直流电是因为需要用蓄电池作为发动机电力起动的电源，蓄电池电能消耗后也必须用直流电充电，因此汽车上电气系统一直都是直流电。3单线制汽车上两个电源及所有的用电设备都是并联的，用电设备只用一根导线与电源的正极相连，利用发动机、车身及车架等金属体作为公共回路，与电源的负极相连。单线制具有线路清晰、用线少、安装检修方便等优点。在一些小轿车上，部分采用双线制，这些用电设备的负极是用导线连接到一个公共接地点或连接到一根公共地线上。第15页/共32页4负极搭铁为利用发动机、车身及车架等金属体作为公共回路，蓄电池、发电机及各用电设备的一极必须与其安装位置的发动机

19、、车身及车架等机体相连，此称为“搭铁”。蓄电池的负极与车体连接的为负极搭铁，蓄电池正极连接车体的则为正极搭铁。按00T41 3汽车电气设备基本技术条件的规定，国产汽车电系统一定为负极搭铁。现代汽车电系均采用负极搭铁。第16页/共32页4 4样车电气系统设计41整车电气原理设计411供电系统设计进行供电系统设计主要遵循以下几条原则：1)应将用电器按负载类型进行划分，容易产生较强电磁干扰的电感性负载不宜与带有芯片的电控单元共用同一根电源线；2)不宜将所有的灯光布置在同一根电源线上，这样车辆在黑夜且周围没有照明的情况下，即使有一路灯光线路所在电源线出现故障，仍然能保证提供足够的道路照明让司机进行检修

20、，并且告知其他车辆该车的存在；3)所有的用电负荷应在各条电源线上合理分配，防止有的电源线负荷过重，有第17页/共32页第18页/共32页412灯光系统设计制动灯电路：T08-001有三种缓速装置可以降低车速，分别为：常规脚制动、电涡流缓速器和发动机制动，为防止制动时车轮抱死，还配有ABS。任何一种或几种缓速装置工作时，都需要点亮制动灯以告知后车司机，前车正在减速行驶，请后车保持安全车距。T08-001制动灯电路如图42所示，其工作方式为：1)踩下制动踏板，制动开关的常开触点闭合，制动继电器1控制线圈得电，触点闭合，点亮制动灯；2)在车轮未抱死，即ABS未工作的情况下，ABS继电器常闭触点给缓速

21、器开关供电，这时通过接通缓速开关不同的档位，控制电涡流缓速器工作的线圈个数，得到不同的缓速效果，与此同时，由缓速器的控制单元给制动继电器2控制线圈供电，常开触点闭合，点亮制动灯；3)将缓速开关打至最大档，不但缓速器所有线圈投入工作，同时向整车控制器发送高电平的发动机制动请求信号，整车控制器将这一请求转换为CAN指令发送给发动机控制单元，最后由发动机控制单元驱动发动机制动器工作。这种情况下制动灯的工作情况与2)完全一样。第19页/共32页第20页/共32页413信息显示系统设计整个仪表根据人体视觉原理布置，按照视觉敏感度、信息重要度将整个仪表板作区域划分，将最重要的信息显示在驾驶员视觉最敏感的部

22、位，次重要信息放在驾驶员欠敏感部位显示，这样把整个仪表分为3个区域：中间呈倒三角形的区域称为“驱动三角区”，用来显示与汽车行驶状态密切相关的信息，包括车速、发动机转速、紧急停车维修指示、车辆转向指示及一个液晶显示屏。显示屏所能显示的信息主要有：电压、机油油位压力、时间、日期、当前档位、油耗、车辆故障信息等；“驱动三角区”外侧为“功能指示区”，为一些车辆状态指示及报警灯，包括：充电指示、机油压力过低报警、水温过高报警、水位过低报警、排气制动指示等五十种指示灯：在仪表的最外侧还有一磐小表：电压表、气压表等。具体布置如图45所示。第21页/共32页4.22灯光为了保障汽车在夜间和视线不良的条件下行驶

23、安全和使用可靠，提高汽车平均运行速度汽车装有各种照明设备。照明系统的设计主要考虑如下几个方面：1)灯具造型与整车造型相适应。2)灯光的数量，部位和技术要求要符合法规的要求。3)电路布置：为获得最大的照明度及可靠性车灯线路都采用并联电路。这种布置的优点是：当一个支路出现断路时，将不致引起其它支路的故障，其它灯具仍能正常工作。第22页/共32页第23页/共32页43线束布置设计431电气系统布线设计电线柬在汽车上布置的一般原则是按照GB7258机动车运行安全技术条件有关规定，将电线束整齐牢固地布置在汽车上。电线束布置在仪表下梁或仪表板上，向上伸向顶棚，向下伸向底盘。电线束穿越孔洞时需装设绝缘护套。

24、电线束穿越有悬曼连接的汽车总成上的电器设备接口时，应考虑由于紧急刹车等原因而引起总成之间的相对位移量，电线束的长度要按位移量增长。仪表下梁上的电线束，由于直径较粗，分叉头多，应间隔小于250n砷左右设置电线束固定卡子。通过顶棚和地板上的电线束可不设置电线束卡子。通过发动机与车架的电线束，可以固定按照不使电线束晃动的原则设置电线束卡子，使用这些卡子，将电线束整齐、服贴、牢固地固定在汽车上。分叉多的电线束总成。为了方便整车装配，电线束上至少设计一处装配工艺标记。电线束装配时，该标记处电线束，必须装置在标记指定的汽车坐标位置上。第24页/共32页432电线束的分段为满足装车和修车的要求。电线束一般分

25、段设置，通过端子连接起来布置在汽车上。为了使线路电压降满足技术条件的要求，电线柬分段数应尽量少。电线束一般分成如下几段：1)驾驶室电线束总成；2)车架电线束总成；3)顶棚电线柬总成；4)发动机电线束总成：5)地板电线束总成等。为了安全，电线束分段接口设置在汽车上不易磕碰的地方，为了美观，电线束分段接口设置在汽车较为隐蔽的地方；为了方便整车装配和维修，电线束其他段接口应设置在人员可以接近的地方。433电线束的设计根据使用环境选择电线，既保证功能又降低成本。随着汽车功能的增多，发动机仓里用于敷设线束的空间越来越小，温度越来越高。电线要长时间承受连续机械磨擦、高温，污染及震动，这就必须选择特殊电线。

26、起动机电线柬离排气管很近，虽有隔热措旋一般电线也不能再胜任了。要采用耐高温的电线及硅橡胶护管。电喷车几个主要传感器要采用屏蔽线防止电机等电感器件产生感应电动势对ECU的影响。第25页/共32页44电磁兼容设计一般来说电磁噪声是难以消除的，但可采取各种措施，把电磁噪声抑制到不致产生电磁干扰的程度。通常单用一种简单的办法来解决电磁噪声问题往往难以奏效，所以最好采用几种不同的组合方法。441一般要求汽车电磁噪声的抑制，可以在接受器方面进行，但由于接受频率、干扰电波的传播方式及其它种种实际情况，在接受器端采取措施是较为困难的。由于汽车电器设备的电磁噪声能干扰其他通讯设备和各种电子设备，所以应考虑抑制汽

27、车电器设备本身产生的电磁噪声。汽车上各种电器产生的电磁干扰电波特性与电平是各不相同的，所以干扰的抑制办法也应符合其特性和电平。抑制干扰电波设计可采用阻尼、屏蔽、滤波和连接等基本措施，且必须满足4个条件：有良好的抑制效果。不妨碍汽车电器设备本身的性能。可靠性高，使用方便。价格合理。442电磁噪声抑制器目前国内外汽车使用的抑制器基本是由电阻体、电感、电容即所谓R、L、C单个或组装而成，例如电阻体、屏蔽导线、电容器、抑制干扰电感线圈及抑制干扰滤波器等。第26页/共32页4431屏蔽屏蔽是在两个区域之间建立电磁屏障保护系统中的电路不受电磁环境损坏的最直接方法。屏蔽的形式多种多样，可以是隔板、盒式封闭体

28、，也可以是电缆或连接器式的屏蔽。屏蔽的效能用屏蔽有效度表示，它不仅与屏蔽材料有关，而且与材料的厚度、应用频率、辐射源到屏蔽层的距离以及屏蔽层不连续的形状和数量有关。屏蔽有两个主要目的：一是使辐射电磁能限制在特定区域之内(称主动屏蔽)。主动屏蔽是指干扰源处于内部，并防止干扰波泄漏到外部空间的结构，必须进行接地，且接地电阻越小越好。二是防止辐射电磁能进入特定区域(称被动屏蔽)。被动屏蔽是指干扰源处于外部，并防止干扰波进入屏蔽空间的结构。屏蔽设计的步骤是：确定待屏蔽的干扰电平和能量密度；估算屏蔽层另一侧的允许信号电平；结合产品的结构和外壳设计，选择详细的屏蔽设计方案。屏蔽的设计原则是：高频电场屏蔽应

29、用铜、铝和镁等良导电材料，以得到最大的反射效率。低频磁场屏蔽应用磁性材料，如铁和镍铁高导磁合金，以碍到最大的吸收效率。足够厚度的屏蔽层可屏蔽任何频率的电场，且有很高的屏蔽效能。多层屏蔽(包括机壳与电缆)能在宽频带上提供高屏蔽有效度，但需考虑成本和其他性能要求(如电缆可挠度)。用来密封缝隙的各种结合面必须清洁，不能有不导电的涂层。为了保持外壳的屏蔽效能，对必不可少的穿线孔应加导电衬层、弹簧垫圈、波导衰减器和栅网等。第27页/共32页4432连接连接是在两个金属面之间建立低阻抗通路。这个通路可在接地基准与元件、电路、屏蔽物和结构件之间建立。连接的目的在于建立均匀的电气结构，即在结构上设法使射频电流的通路均匀，避免在金属件间产生电位，从而造成干扰。4433接地接地就是在两点之间建立导电通路，其中的一点通常是系统的电气元件，而另一点则是参考点。一个接地系统的有效性取决于在多大程度上减小接地系统的电位差和减小地电流。4434滤波屏蔽主要是为了解决辐射干扰，而