汽车电气系统设计的流程和方法

汽车电气系统设计的流程和方法

在过去的十多年里，中国的汽车工业快速发展，工业化进程极其全面。在技术上，这一成就与所有人对汽车事业的忠诚期待和不懈努力是紧密分离的。如何满足产品产业化和艺术化的需要,实现设计周期的缩短和设计品质的提高,这些都是目前大家所关心的问题,合理的设计流程和方法会使工作事半功倍。因此,在汽车设计研发阶段,设计过程必须得到规范和控制,系统化和标准化才是走向成熟的标准。电气系统设计在整车设计过程中是相对独立的设计课题。随着汽车科技不断发展,电气系统设计也将在未来汽车设计中扮演更加重要的角色。汽车电气系统设计一般包括5个步骤:(1)标杆车逆向;(2)电气系统原理图设计;(3)电气系统电能平衡计算;(4)电器件布置和三维线束布线设计;(5)电线束设计。关于汽车电气系统设计的具体过程,本文作了简要叙述,浅见与大家共同探讨。1工作电流的测量每个新的设计课题,在设计初都会有标杆车(参考样车),标杆车逆向过程就是对标杆车进行了解和分析,并作为设计车型的原始积累或设计参考。其主要包括标杆车电器件测量、标杆车电器件功能描述、拆车工艺描述、比对(Benchmark)记录表、标杆车电气系统分析报告等。下面就标杆车电器件测量作详细的描述。在电气系统设计之初,应对各用电设备进行电流值以及其他相关参数的测量,作为正向电气系统设计的参考依据。因为在设计过程中,某些电流参数将会影响整车电流分配。发电机、蓄电池、起动机以及各熔断片容量的确定都将以此为根据。在整车静态、蓄电池电压为12.47V时,点火开关打到OFF档,其静态电流为0.1A;当点火开关打到ACC档时,其电流为0.1A;当点火开关打到ON档时,其电流为1.72A。在整车静态、蓄电池电压为12.47V时,全车各电器件工作电流测量数据如表1所示。对各用电设备进行电流值以及其他相关参数测量,其操作流程及方法如下。1)首先测量整车静态下蓄电池的电压,如果电压不足,要及时充足电后才能进行测量。2)查看燃油表显示的油量,如果缺油,要及时加油后才能进行测量。3)拆卸蓄电池负极桩线束端子,将万用表正极(红表笔)连接到线束端子,负极(黑表笔)连接到蓄电池负极桩头。4)在每次测量电器件电流之前,都要注意核实点火开关的档位,并记下所在档位的静态电流,然后操纵相关开关和按钮,记下此时的电流值。2次的电流值相减才是所测电器件的真实电流。5)测量中表笔会因电流较大而发热,要注意停止测量使之冷却降温,以免影响测量结果,避免烧损表笔。6)对于工作电流较小的电器件,使用万用表电流档适当量程;对于工作电流可能大于万用表电流档量程时,应使用钳形表,并选择适当档位,以保证测量的准确性。7)使用钳形表时应将钳口掐在电线的相对直线段上,并注意校零。2基于原理图的分野最开始的电气系统原理图是对标杆车线束逆向的结果。然而,在正向设计过程中,必须对设计车型电器件原理进行汇总整理,根据配置的需要和各电器件设计容量,进行整车电源合理分配以及熔断片、继电器容量的确定。原理图的画法也各不相同,找到一种合理、清晰、简便的制图方法同样是一种完美的设计革新。为了让图纸简单实用、一目了然,作者采用图1的画法(为了说明原理图的画法,笔者剪切了某微客车的电源起动系统设计原理图以示说明),在我们批产车维修手册中也采用了此类电路原理图,对维修起到了很好的效果。电气系统原理图的设计要求如下。1)设计任务书满足技术协议要求。2)符合设计任务书要求。3)设计按照国标和汽标规定执行。4)对标杆车充分了解,制定沿用件、改制件和新件。5)产品设计采用系列化、通用化、标准化。6)产品设计考虑电流、电压、功率、工作条件、系统间信号传输方式及要求。3便捷便捷的计算电气系统电能平衡就是通常进行的起动机和发电机的功率匹配以及蓄电池的电容量确定。在以前的很多资料中,对三者的匹配已作过论述,分析相当细致。考虑到影响三者关系的因素众多,一直以来计算都存在经验估值,因此,在设计过程中,可以通过简便快捷的方法进行计算。在进行电气系统分析前,必须对整车的电气配置了解,对供电系统的主要参数进行确定,如整车电气系统的电压、搭铁极性、蓄电池容量及起动机的功率等。3.1用电设备工作性质分析根据汽车行驶中用电设备的工作时间长短及频率,并结合当地气候环境所区别于其他地域的电能配需情况,对用电设备实行3种工作性质划分:连续工作制、短时工作制和随机使用的设备。工作制的区别是通俗的比喻,是笔者根据经验给予的分类。如此划分可充分考虑满足车辆正常行驶的用电量,并准确表达各设备主次关系(整车所有用电设备都将参加工作制的编排)。3.1.1连续安装设备连续工作制设备指在汽车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、组合仪表等。3.1.2断性用电设备短时工作制设备指汽车行驶中常使用的间断性用电设备,包括前照灯、夜间灯、转向灯、雾灯、牌照灯、空调压缩机、鼓风机、喇叭、制动灯、前刮水器和后刮水器等。3.1.3随机使用的用电设备随机使用的设备指汽车行驶中使用时间不确定、随机使用的用电设备,包括车内灯、散热器电风扇、电动门窗、前洗涤、后洗涤、倒车灯、制动灯、点烟器、音响系统、安全气囊和其他用电设备。3.2整车用电设备用电电气系统负荷与用电设备的使用和工作状态相关,用电设备的工作状态决定于季节、环境、交通状态和个人的使用爱好,复杂的使用条件使电气系统负荷计算变得困难,为了分析计算的方便,引入用电设备使用频度(或者负荷计算权值),用μ来表示,即加权求和。整车用电设备用电量如表2所示。根据用电设备使用频度计算电器设备的用电量,公式如下式中:I总计功率P3.3蓄电池容量计算方法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起动机电源及发电机不工作或低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,蓄电池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式中:Q——蓄电池容量,Ah;μ——经验系数,范围630~810;P例如,某设计车型发动机配用的起动机额定功率1.0kW,标称电压为12V,μ取630~810,则蓄电池电容量为:Q根据GB/T5008.2表3中的蓄电池规格,考虑冷起动特性,本应选用蓄电池额定容量为60Ah,但显然有些浪费,加之空间无法满足60Ah蓄电池布置尺寸,最终选用了已成熟搭载其他车型的55Ah非标电池,并得到了良好的效果。4设备配置和三维线束布的设计4.1汽车内装式机械系统的确定电器件的布置是为所有的电气连接、功能实现、造型、结构等服务的。在整车设计的内外造型定下来后,经过油泥和扫描工作,由总布置确定各电器件在整车坐标中的具体坐标位置,满足人机工程学、装配工艺性以及各电器件自身的特性等原则。4.2三维线束设计4.2.1线束安装要求1)凡穿越金属件孔或金属棱角时,线束必须有弹性护套管保护。2)金属孔设计时,必须有橡胶护套。3)线束布线应沿边、沿槽,防止线束直接承受压力。4)线束必须在车身上可靠固定,不允许有大于300mm的悬空布线。5)电线束尺寸应符合QC/T29106的规定,其中电线束基本尺寸极限偏差取值如表3所示。6)线束走向应尽量远离高温发热物体,避免传导热和辐射热的伤害。7)运动件、开闭件间的线束要留足最大开度的长度,并考虑最小开度时的堆积空间和固定方式。8)需要在外面连接电器件插接件且需再塞回固定的线束,要留足拉出操作时需要的长度,并考虑固定后的堆积空间和固定方式。9)线束布线考虑工艺装配顺序和装配的方便性。12)较长距离穿过狭窄孔洞,应要求结构件中间加开便于中转线束的沉孔。13)尽可能考虑大总成模块化装配,提高生产线装配速度。4.2.2汽车面及家庭线束的安装1)线束的固定孔要尽可能开在结构件的平面区域。曲面上固定时,最好在结构件上做出小平面。2)线束过孔的密封保护要考虑橡胶扩大处在应力变形的状态及装配方向。3)钣金结构件不允许开孔时,可考虑熔焊卡条或焊接凸起支架及凸焊螺栓(卡柱)。4)线束与钣金凸起或棱角过渡时,可将钣金件做凹槽,以保护线束免于挤压损坏。5)线束及电器件的固定安装能采用卡接等徒手操作的,尽量避免使用工具。6)布线结束,应该测出线束上各个卡扣、胶套、电器件间的线束长度,作为二维线束图上的线长标注的依据,测量精度达到±5mm即可。电器件布置和三维线束设计不仅是线束长度的模拟和线束包扎方式的依据,同时也是对衍生标准件的确定。5家庭成员在车辆驾驶中的应用,有利于汽车理性执法电线束是电气原理图的产品反映,是电气系统电源信号或数据信号进行传递或交换,实现电器部件功能,满足车辆行驶安全、可靠、娱乐实时控制的载体。随着电器配置在汽车研发中投入百分比的不断增加,此载体的稳定性和安全性将尤为重要。怎样来提高电线束的稳定性和安全性?笔者认为:应该从导线规格、熔断丝规格以及插接件的选择上进行加强。5.1起动机电缆系统保护设计在确定导线截面积时要考虑电压降和发热。用电设备的电流强度为式中:I——电流强度,A;P——用电设备所需功率,W;U在绝缘导线允许的电压降下,导线的截面积由表4查出(铜的比电阻ρ=0.0185Ω·mm式中:U在新型汽车上,大多数的用电设备都有保护。然而起动机电缆由于其起动电流特性,故不采用常规的熔断丝保护。起动机电缆要么不保护,要么采用高温分离元件,在临界安全点时切断电流。此外,起动机电缆的连接特别重要,因为在电缆上的电压降对发动机的冷起动特性比正常连接后达到的峰值电流和持续电流有更重大影响。除起动机外,其他用电设备大都采用熔断丝保护,或者在电控系统中采用电子保护装置。设计标准供电导线的尺寸时就应考虑保护方式。采用熔断丝保护方式时,用电设备的最大持续电流应小于熔断丝额定电流的80%。为便于汽车电系的连接和维修,汽车用低压线的颜色必须符合国家的有关标准。单色线和双色线的颜色规定可以参考QC/T414—1999《汽车用低压电线的颜色》。各系统设计规定主色和辅助色的搭配,尽量做到辅助色服从主色,注意同一插接件同一线径问题。汽车电系一般分为9个系统,系统主色选择可参考表5。5.2导电部分的安全性能电气插接连接必须保证各系统部件间的可靠连接,以保证系统在各种使用条件下的可靠工作。选择上可遵循以下原则。1)导电部分的接触电阻很小。2)不同电压的导电部分之间的高绝缘性。3)防水、防湿气、防盐雾。4)特殊工作环境下的选择,如振动加速度、湿度和浸水、高温和低温、侵蚀性液体和有害气体等。5)根据三维线束布置情况,便于装配,满足空间要求。6)方便且无误地装到汽车上,安全的极性保护。7)安全的、可感觉到的闭锁紧装置,并易于释放。6汽车电气设计设计层面在以往的电气设计中,大多数设计人员针对自身所负责的单独的系统进行设计,专业性很强