汽车电子——整车电气网络和混合传动系统（一）

汽车电子——整车电气网络和混合传动系统（一）

这是汽车电子的第一篇综述，本文将围绕整车电气网络、混合传动系统的相关框架，对各主要部件进行描述。
汽车电子是针对传统内燃机车型的电子系统而言的，因其仍是市面上最多的架构。本文也会涉及一部分纯电动车型的电气网络的概念。

一、总览

1.1 整车电气网络的基本元素

内燃机：将化学能转换为机械能
发电机：将机械能转换为电能
电池：储存电能
起动机，用电器：消耗电能，实现特定功能
开关和保险，导线：安全，控制，能量传递

如图1.1所示：
图1.1 整车电气网络基本构成

1.2 电子电气 VS 机械

电子电气的优点：

1. 良好的分散性
   快速，可靠，清洁，低损失

2. 很好的可控性
   特征值简单，准确，快速，可测量，可控

3. 很好的可用性
   能量之间的转换很方便

4. 良好的储存性
   有不同的技术可以储存电能

电子电气的缺点：

1. 电能自给自足，且传递过程的效率较低
   许多能量转换的过程的效率有限

2. 电能的产生仅能通过发动机的运转

3. 电能的缓冲是必须的
   能量密度较低，质量大，成本高

因此在汽车中，电能往往作为辅助能量形式出现。

1.3 能量传递链的效率

1. 化学能 -> 机械能——内燃机：η_VM = 10~40%

2. 机械能 -> 电能——发电机：η_G = 40~75%

3. 电能 -> 化学能——电池：η_Bat = 60~85%

4. 电能传递——导线：η_K = 90~98%

1.4 用电器的分类

1. 根据通电时间：短时，长时，持续
2. 根据功率需求：均匀的功率输入（峰值功率 ≈ 平均功率），不均匀的功率输入（峰值功率 >> 平均功率）
3. 根据功能：起动机，发动机管理和动力总成，发动机配套器件，安全系统，信息娱乐系统，驾驶辅助系统，舒适系统

在未来，用电器的功率将越来越高。由于会有与安全相关的功能加入，汽车电气网络的稳定性将会加强，系统的安全性将会得到进一步保证。

1.5 常见汽车电气网络中的用电器

用电器	额定功率	平均功率
点火器	20W	20W
燃料泵	50W	50W
发动机控制单元	200W	200W
近光灯	110W	90W
尾灯	30W	25W
其他照明	22W	20W
座舱加热，风扇	120W	50W
后窗加热	200W	60W
电子空调风扇	120W	30W
雨刮器	50W	10W
挡风玻璃清洗器	60W	5W
制动灯	45W	12W
转向灯	42W	5W
雾灯（车前）	42W	5W
雾灯（车尾）	21W	2W
车窗电动升降	150W/个	10W/个
座椅加热	120W/个	10W/个
电动座椅调节	110W/个	5W
电动方向盘调节	25W	2W
总共	1625W	646W

（数据来源：[BOSCH-02]及其他）

其中，1625W是安装的所有用电器的功率，646W是加权平均功率，考虑了通电时间，使用频率和同步性因素。

例：车窗清洗器和雨刮器工作时的电流大小

1.6 12V汽车电气网络的电压

1. 直流电
2. 电池并联供电可行
3. 许多直流电执行器
4. 低电压保护
5. 导体系统，车身作为低电势端
6. 对于中小型用电器具有良好的性价比

6 V： 发动机启动的最低电压
9 V：汽车运转的最低电压
11 - 12 V：典型放电电压
14 - 15 V：典型充电电压
16 V：最大电压
34 V：最大动态电压峰值
（数据来源：[HEN-90]及其他）

例：城区行驶时的汽车电气网络表现

二、发电机

2.1 发电机的功能特性

1. 通过电磁感应，将内燃机的机械能转换为电能
2. 根据需要为用电器提供电能，为电池充电
3. 作为内燃机配套器件的一部分，参与皮带传动
4. 电压控制器保证恒压输出，不受负载和转速的影响

2.2 发电机与内燃机的连接

• 通过三角筋条皮带：94…97%效率，1%滑移率
• 三角筋条皮带除了连接发电机的轴外，还连接其他的发动机配套器件，如转向助力泵，水泵，空调压缩机等

2.3 发电机剖视图

2.3.1 集电环式

按逆时针顺序分别为：集电环端盖，整流器，功率二极管，励磁二极管，调节器和握刷器和碳刷，定子，转子，通风器，皮带轮，驱动端轴承盖

（来源：[BOSCH-87]）

2.3.2 齿形电极式

下图为博世紧凑型发电机 Li-E 爆炸图：

（来源：www.bosch.de）

2.4 带调节器的三相电流发电机电路图

从左到右5个红框分别为：整流器，励磁二极管，定子线圈，励磁线圈（转子），调节器（混合式）

2.5 交流发电机的电磁感应公式

• 定子线圈中交变电流的频率： = ∙
  其中：是转子的转速，是极对数（典型值有6，8）
• 定子中的感应电动势： = ∙ ∙
  其中：是与结构有关的常数，是磁通量

磁场由励磁线圈加强（励磁线圈中的电流最大值为4…6A）。
感应电流将通过导流环传递。

2.6 电压稳定控制图

（来源：[BOSCH-02]）

占空比 DF = T_ein / (T_ein+T_aus)
平均感应电流 = I_max∙ DF = (U_Netz / R_L)∙ DF

2.7 电子晶体管式控制器

红框从左到右依次为：终级（达林顿管），控制级，分压器

2.8 多功能接口控制器

多功能接口控制器的优点：

1. 可识别转速
2. 可获取温度，保护电器组件
3. 负载响应控制，不会对曲轴产生扭矩跳跃
4. 预激励可控，抵抗扭矩在起动阶段被抑制
5. 可与发动机控制器通信，集成到电能管理系统中

2.9 星形连接

U_Netz = U_pos - U_neg

• 相连的支路电压（每个周期6次换向）
• 变化部分有高的基频和小的幅度： f_Brumm = 6f

（来源：[HEN-90]）

2.10 几个重要的转速点

• 最低转速n₀：在空转情况下达到额定电压的转速（又称0A转速）
• 发动机怠速时转速n_L：发动机的怠速转速1500…1800 min-1
• 额定转速n_N：固定为6000 min-1（额定电流下）
• 最高转速n_max：18000…22000 min-1，取决于发电机种类和大小

2.11 交流发电机的功率损失分布

其中：
P₁：输入功率
P₂：输出功率
V_mech：空气和轴承摩擦
V_{Cu_Stand}：定子中的铜损
V_Fe+ZuS：铁损及其他损失
V_Dioden：整流器损失
V_{Cu_Feld}：励磁损失

三、电池和储能技术

3.1 电池在汽车电气网络中的作用

1. 支持，直接接入电气网络中。
2. 在发动机未启动时为用电器供电，尤其是发动机起动器。
3. 能量输出，在发电机功率不足时
4. 电压平整（考虑发电机输出的波浪性，以及负载切换时的补偿过程）

3.2 技术要求

1. 起动：具有短时间（1…5秒）大电流放电特性（至300…1000A），最低电压应大于7.5V，可在低温时（至-30℃）保持特性。
2. 供电：在数月不用时，自损耗较小（至10mA），在使用阶段的几分钟到几小时内，可保持中等放电电流（1…10A）
3. 缓冲：可以缓冲汽车电气网络中的电压波动，如残余波动，负载或发电机的瞬态变化
4. 充电：良好的载流子承接能力，可低温充电
5. 保养：尽可能少，寿命应长久
6. 使用范围：尽可能大（温度范围，电池电量）
7. 重量&体积：尽可能小，但标准化
8. 成本：保证安全和质量要求下尽可能低成本
9. 环保：无排放，完全可回收
10. 循环：更少的老化效应，即使在高的充电吞吐量和深度放电的使用条件下
11. 深度放电：即使有深度放电，也具备良好的再充电能力，并能降低深度放电对电池的损害
12. 贮存：良好的物流仓储性，安装在车上能很好地保存——很小的自放电
13. 不需要定期充满电：在电池电量中等的情况下进行运转，可以自由容纳制动回收得到的电能——低成本充电
14. 高充电电流：以适应功率更大的发电机
15. 更好的充放电循环：适应混合动力系统的要求，如自动启停。

3.3 简单电池模型

• 静态电压U₀：在电夹处测量到的，未工作的电池电压
• 内阻R_i：所有电阻的集合（电极与电解液之间，电解液本身，电极与电池连接器之间），实际上不是固定值，而是随时间变化
• 电夹电压U_kl：在电夹处测量到的，工作时的电池电压
• 电夹电流I_kl：流过电池的电流，当电池充电时，定义I_kl > 0
• 容量C：从充满电的电池中可以取走的电量
• 剩余电量Q：电池目前可以取走的电量
• SOC：电量饱满度，SOC = Q / C
• SOH：老化程度，电池目前的容量 / 全新电池的标称容量
• 标称容量K₂₀：在25°C的恒定放电电流下可以连续20小时从电池中放电的电荷量，而电夹电压不低于10.5V
• I_CC或冷检查电流：完全充满电的电池在-18℃下放电10秒钟的电流大小，而电夹电压不低于7.5V
• 标称电压：电池单元的数量乘以标准电池单元电压。对应于小电流放电时的平均电夹电压。

注：此简单模型只适用于一个特定的驱动点。所有的参数都与电池电量和电解液温度强相关。

电池效率

1. 放电效率：η_ent = E_ent / (E_ent+W_Ri)
2. 充电效率：η_lade = E_lade / (E_lade + W_Ri)
3. 总效率：η_GEsamt = η_ladeη_ent

• 效率只和电池电流大小，内阻大小有关！
• 充放电电流越小，效率越高（因热损失越少）。

3.4 Ragone曲线：

3.5 铅酸电池

3.5.1 技术指标：

• 能量密度：25 Wh/kg或40 kg/kWh
• 寿命：3-12年
• 循环寿命：50-2000（7000）次循环
• 典型充电温度区间：-20℃至+50℃
• 典型放电温度区间：-25℃至+60℃
• 成本：50 - 250 € / kWH
• 基本可以完全回收
• 材料：稀硫酸
• 外壳：塑料
• 电极栅：铅合金
• 正极：多孔氧化铅，多孔度约为50%，活跃表面约0.5m2/g
• 负极：多孔海绵状铅，多孔度约为50%，活跃表面约0.5m2/g
• 放电后产物：硫酸铅

3.5.2 稀硫酸的缺点：

• 相邻电极之间需要有足够多的酸，所以存在一个电极之间最小距离和最小电解液电阻。
• 酸度的变化会导致酸的分层，进而导致不均匀。
• 由于放电期间会消耗硫酸，因此电池电压会随着放电的进行而下降，并在充电期间会增加。
• 随着硫酸浓度的降低（一阶近似与酸密度成正比），酸的凝固点从在充满电的情况下的-45°C升高至0至-10°C之间。 因此，当环境温度低且电量低时，铅电池电解液有结冰危险。

3.5.3 铅酸电池的凝固点：

• 凝固点与硫酸浓度强相关
• 深度放电会降低硫酸浓度
• 硫酸浓度越低，凝固点越高

横坐标：硫酸浓度，正比于SOC
纵坐标：电解液温度

（来源：[BOSCH-02]）

3.5.4 容量与放电速率的相关性：

经验公式：温度每降低1摄氏度，容量降低6%。

3.5.5 电压与电流量和放电时间的相关性：

3.5.6 温度对铅酸电池的影响：

温度越高，电池的容量越低，发动机的大电流需求越大。

3.6 铅酸电池的老化

3.6.1 老化原因

机理	原因	结果
排污：活性物质从电极板上脱落并掉入底部的泥浆室	高充电电压（充气），机械冲击，放电电流大，深层放电	活性物质丢失：容量减少，短路危险
覆层：从负极板上冲洗散布剂	高电荷通过量（循环负载）	有效表面减少：容量减少，内阻增大
腐蚀：稀硫酸对格栅板造成电化学氧化	高充电电压，高温，不佳的合金（锑），电解液中的酸度过高（酸分层）	网格和导体的分解：内阻增大，断路，短路
硫酸化：电池放电时，在栅板上形成铅晶体	深层放电，充电不足，在（部分）放电状态下贮存，使用较久，电解液中的高酸度（酸分层）	有效表面减少：容量减少，内阻增大，短路危险，酸密度降低

3.6.2 延长电池使用寿命的措施

• 保持长期的高电量状态
• 避免深度放电
• 避免在部分电量状态下贮存电池
• 避免不必要的充放电循环
• 避免高温
• 避免充电电压过高

3.7 新的铅酸电池技术

密封，免维护的复合型铅蓄电池VRLA（阀门调节的铅酸）

• 自放电效应最小
• 充放电循环次数高
• 不存在酸泄漏
• 出色的性能

铅胶

• 电解质用大表面二氧化硅固定
• 极长的使用寿命和循环稳定性

AGM（吸收式玻璃垫）

• 电解质用高孔隙率玻璃纤维隔板固定
• 充放电循环钟，表现出极佳的性能
• 轨道构造（圆形电池技术），可实现极高的功率密度
  
  （来源：Exide）
• 使用缠绕的圆形电池和AGM隔板
• 由于电极层的高压是可能有大表面的薄层
• 极低的内阻，极高的循环稳定性
• 放电时内阻小，充电时内阻大

3.8 镍金属氢化物电池（NiMH）

3.8.1 基础：

• 阳极：可以可逆地储氢的金属合金
• 阴极：传统镍氧化物
• 对于深度放电和过充相对来说不那么敏感
• 高比能量密度
• 工作温度：-30℃ - 45℃
• 相对昂贵
• 高自放电效应

3.8.2 电池单元的设计：
电池单元的设计对镍氢电池的影响很大。

• 圆柱状单体：更高的系统级别的设计灵活性
• 棱柱状模组：更高的封装效率，更高的比能量

四、起动机

五、能量传动和分流

六、电能管理

七、混合传动概念