汽车充电启动系统电路设计与分析

成绩评定表学生姓名张贺朋班级学号1302060328专业交通运输课程设计题目汽车充电、启动系统电路设计与分析评语组长签字：成绩日期2016年5月27日课程设计任务书学院汽车与交通学院专业交通运输学生姓名张贺朋班级学号1302060328课程设计题目汽车充电、启动系统电路设计与分析实践教学要求与任务:一．设计要求：1.认真分析和领会课程设计题目，查阅和运用相关技术资料，提倡独立思考，培养严谨求实的科学作风。2.认真完成课程设计论文（应包含电路图、计算公式、设计总结等内容）。二．设计任务：1．全面分析和掌握汽车充电、启动系统结构和工作原理。2.完成电路图的绘制及计算。3.掌握汽车电气系统常规电路的设计方法。工作计划与进度安排:第13周周1：下达课程设计任务书。周1-3：领会题目要求，查阅资料，确定设计方案，撰写论文。周4：课程设计检查。周5：答辩。指导教师：张镝2016年5月23日专业负责人：岳峰丽2016年5月23日学院教学副院长：陈克2016年5月23日内容摘要汽车的所有用电设备均是由由蓄电池和发电机组合而成的电源系统供电，在此电源系统中，发动机正常工作时，对用电设备供电并对蓄电池充电。当发电机发出的功率不足以给汽车用电设备所消耗的功率时蓄电池对其供电。发动机工作时必须保证给蓄电池充足的充电时间以防止其亏点。发电机正常工作时，发电机是否给蓄电池进行充电用仪表板上的充电指示灯提示。由于发动机的转速变化范围很大，为保证发电机发出的额定电压不受转速和输出电流的影响，发电机必须装有电压调节器。发动机起动时的电源功率全部由蓄电池供给，所以蓄电池必须保证具有足够的容量才能顺利起动发动机。本文是对华夏HXT180轿车汽车电源系统和启动系统进行了相关的设计和对各主要电器设备的选用，并对其工作原理进行了论述。关键字蓄电池发电机发动机电压调节器起动机充电指示灯一华夏HXT160轿车的相关数据华夏HX7160轿车汽车与电器与电子设备线路设计相关的基本技术数据见表1-1。表1-1线路设计相关的基本技术数据车型华夏HX7160轮距（前/后）mm1480/1485驱动形式4×2前轮驱动最高车速km/h150自重kg1000功率(kw/r/min)76/5600总重kg1600排量L1.6整车外形尺寸（长×宽×高）mm4770×1800×1450发动机型号/压缩比10.0轴距mm2700电源系统电压V12二、起动机和蓄电池的参数选择2.1.1起动机功率的选择起动机的选择应根据发动机的功率、起动机与发动机曲轴的最佳传动比、蓄电池容量这三个参数来确定。起动机必须具有足够的的功率才能保证迅速、可靠地起动发动机。功率的大小由发动机的最低起动转速qn和发动机的起动阻力矩qM决定，即9550qqnMP式中：qM的单位为N·m，qn的单位为r/min发动机的起动阻力矩有摩擦力矩、压缩损失力矩和发动机附件损失力矩三部分组成。其中摩擦力矩是活塞与缸壁的摩擦、曲轴轴承摩擦及搅油阻力等产生，占起动阻力矩的60%。压缩力矩与气缸容积和压缩比有关，约占起动阻力矩的25%。发动机附件阻力矩是发动机用于驱动发电机、分电器、汽油泵、风扇、水泵等所消耗的力矩，约占起动阻力矩的15%。qM一般由试验测定，也可用式CLMq来计算，即CLMq=35×1.6=57.6N·M式中：C表示系数，取30～40，L为发动机排量。发动机的最低起动转速qn是保证发动机可靠起动曲轴的最低转速。汽油机在0～20℃时，根据汽油机的雾化条件，最低起动转速为应30～40r/min。为保证低温起动，通常取起动转速为50～70r/min。即9550qqnMP=57.6×60/9550=0.36KW考虑到要有一定的功率储备，乘以2，合理选取P为0.72KW。取0.8W2.1.2起动机的传动比选择（1）最佳传动比的计算。所谓最佳传动比，即起动机工作在最大功率时，对应的起动机转速sn与发动机能可靠起动的曲轴转速fn之比，即ZsZnniffs=120/9=13.3式中：fZ—表示飞轮齿圈齿数；sZ—表示起动机驱动齿轮齿数。（2）传动比的实际选择根据计算的最佳传动比，结合飞轮齿圈的节圆直径和齿轮模数(m)，确定实际传动比为13.3。2.1.3蓄电池容量的选择汽车蓄电池的容量主要由起动机的功率确定，一般可按下式来选择蓄电池的额定容量：UPQ)810~610(式中：Q为蓄电池的额定容量（Ah）；P为起动机的额定功率（kW）；U为起动机的额定电压(V)。则UPQ)810~610(=700×0.8/12=47.6Ah取50A.H2.1.4起动机的选用起动机采用长沙汽车电器厂生产的QD115A型起动机。QD1229型起动机的主要性能指标型号QD1229最大输出转矩/NM不小于13额定电压/V12驱动齿轮齿数(个)9制动电流/A480压力角/(°)20起动电流/A110模数2.5额定功率/KW0.8质量/Kg4.72.1.5蓄电池的选用蓄电池选用6-Q-60D。其含义为六格电池，启动型蓄电池，20小时放电率时的额定容量为60Ah，低温起动性能好。2.2充电系统、启动系统的计算充电系统的计算2.2.1汽车用电设备及其功率汽车上的用电设备数量较多,大致可分为起动装置、点火装置、照明信号装置、仪表和辅助装置以及电子控制装置等。汽车上的各用电设备及其功率见表2-1。表2-1汽车上的各用电设备及其功率灯泡名称数量功率灯泡名称数量功率前大灯260W油压报警灯13W前雾灯275W仪表灯13W倒车灯220W远光指示灯13W牌照灯15W开关照明灯13W前小灯25W制动液位指示灯13W前转向灯220W暖风/空调设备1200W后转向灯220W刮水电动机140W制动灯/尾灯220/5W点火系统150W室内灯110W音响系统112W示宽灯45W发动机电子控制系统170W充电指示灯13WABS与其它电子控制系统150W制动报警灯13W其他设备110W2.2.2整车用电设备负载电流的计算汽车用电设备按其工作性质不同可分为长期用电负荷、连续工作用电负荷和短时间歇用电负荷；按其运行条件不同可分为冬季和夏季，白天和夜间，晴天和雨天等情况。因此计算整车用电设备负载电流时，应根据各个用电设备的工作性质确定其权值K（即用电设备的工作时间与发动机工作时间之比），然后再进行加权计算。表2-2列出了部分汽车用电设备的权值。另外，用电设备标定的额定电压（U），和其实际工作电压（即发电机的输出的电压eU）还有差别，所以要计算每个用电设备的负载电流时应考虑其电压系数UUKev。综上所述，整车用电设备负载电流fI的计算公式为：miiivfUPKKI1代入上式，得到42.4A式中：m—整车用电设备的数量；vK—电压系数；iK—第i个用电设备的权值；iP—第i个用电设备的额定功率（W）；U—用电设备的额定电压（V）。表2-2部分汽车用电设备的权值负荷类型部件名称权值负荷类型部件名称权值长期工作点火系1.0连续工作空调0.5仪表1.0刮水器0.3发动机电子控制系统1.0ABS与其它电子控制系统0.5夜间长期工作小灯1.0收音机0.5前照灯近光0.2短时间歇工作电喇叭0.1前照灯远光0.8转向信号0.1尾牌照灯1.0制动灯0.1辅助前照灯0.3SRS系统0.12.2.3发电机功率的计算确定的发电机输出电流eI即发电机功率只是达到发电机供电系统的电能平衡（即feII=0）但是，为了保证蓄电池可靠地充电，使蓄电池的充、放电达到平衡，通常取一个蓄电池的充电系数τ，τ一般取0.15左右。于是发电机的输出电流eI应为：1feII=50A求取eI=50A，从而所需发电机功率为：eeeUIP=50A*14V=700W2.2.4发动机与发电机传动比的计算通过合理确定发动机与发电机之间的传动比，使汽车处于怠速时发电机的转速要大于发电机的空载转速，并且发动机在最高转速工作时，发电机不允许超过其最高转速。取发动机怠速时的转速为800r/min，发电机的最低转速为2000r/min（2000r/min时发电机发出的电流已经超过额定电流的60%）。则5.28002000nniee当发动机以最高转速5600r/min运转时，发电机的转速14000r/min在发电机最高转速范围内故取2.5时合理的。2.2.5发电机的选用发电机采用上海法雷奥汽车电器系统有限公司生产的SA13VI型发电机。JFZ1524型发电机的主要性能指标发电机型号JFZ1524额定输出电压/V14额定输出电流/A50额定输出功率/KW0.8开始充电转速/r/min1200最高充电转速/r/min18000工作环境温度/℃-40～+90调节器形式集成电路式调节电压/V12.5—14.5单机质量/Kg5.6JFZ1524型发电机是内装JFT143调节器、外打铁、双挂角式发电机。三充电系统、启动系统的工作原理（一）充电系统1充电系统的组成汽车电源系统又称汽车充电系统，由蓄电池、发电机、电压调节器和充电指示灯等组成。蓄电池和发电机并联于汽车电路之中。2充电系统工作原理（1）发电及整流原理1.在发电机内部有一个由发动机带动转子（旋转磁场）2.磁场外有一个定子绕组,绕组有3组线圈(3相绕组)，3相绕组彼此相隔120度3.当转子旋转时，旋转的磁场使固定的电枢绕组切割磁力线（或者说使电枢绕组中通过的磁通量发生变化）而产生电动势。4t＝0时，uA＝0，uB为负值，uC为正值，二极管VD5、VD4获得正向电压而导通，电流由C相流出→VD5→RL→VD4→B相→C相，形成电流回路；5t1～t2时间内，A相电压最高，B相电压最低，VD1、VD4管获得正向电压而导通，形成电流回路；这样电流从A相绕组出发，经VD1，负载电阻RL,VD4，回到B相绕组组成回路，A、B相之间的线电压加在负载RL上6t2～t3时间内，A相电压最高，C相电压最低，VD1、VD6管获得正向电压而导通，形成电流回路；7t3～t4时间内，B相电压最高，C相电压最低，VD3、VD6管获得正向电压而导通，形成电流回路；依此循环导通(2)充电系统原理VD1、VD2、VD3、VD4、VD5、VD6六只整流二极管组成全波桥式整流电路，VD10、VD11组成中性点整流输出电路，VD2、VD4、VD6三只负二极管和VD1、VD3、VD5三只正二极管组成励磁整流电路。蓄电池、发电机还有负载是并联连接的，发动机正常工时发电机向用电设备供电并向蓄电池充电，充电指示灯熄灭。当用电设备总功率大于发电机发出的功率时蓄电池辅助发电机供电，当发电机不发电时充电指示灯点亮。(3)电压调节器的基本原理电子电压调节器利用三极管的开关特性，将大功率三极管作为一只开关串联在发电机的励磁电路中，根据发电机输出电压的高低，控制三极管导通与截止来调节发电机的励磁电流，使发电机输出电压稳定在一定范围内。发电机电子电压调节器工作过程如下：接通点火开关S，发电机电压U低于蓄电池电压时，蓄电池电压经过点火开关S加在分压电阻R1、R2两端。由于发电机电压低于调节电压上限值，稳压管VS处于截止状态，V1基极无电流流过，也处于截止状态。此时，蓄电池经点火开关、电阻向三极管V1提供基极电流，V2导通并接通励磁电流，其电路为：蓄电池正极→点火开关→熔断器→发电机端子→发电机磁场绕组→发电机磁场端子→调节器磁场端子→三极管→调节器搭铁端子→发电机搭铁端子→发电机负极管→蓄电池负极发电机电压随转速的升高而升高。当发电机电压达到额定值时，电阻R2的分压加在V1、VS、R5上，时V1导通，此时V2截止并使V3截止，励磁电流为零，发电机电压降低。（二）启动系统1启动系统组成起动系主要由：(1)直流电动机：用于将蓄电池输入的电能转换为驱动发动机转动的机械动力（电磁转矩）。(2)传动机构：用于将电动机的动力（电磁转矩）传递给发动机飞轮，并在发动机起动后自动断开发动机向起动机的逆向动力传递。(3)电磁开关：控制起动机驱动齿轮与发动机飞轮的啮合与分离以及电动机电路的通断；2启动系统控制原理1—驱动齿轮2—滚柱式单向离合器3—传动叉4—