汽車電子——整車電氣網絡和混合傳動系統（一）
這是汽車電子的第一篇綜述，本文将圍繞整車電氣網絡、混合傳動系統的相關架構，對各主要部件進行描述。
汽車電子是針對傳統内燃機車型的電子系統而言的，因其仍是市面上最多的架構。本文也會涉及一部分純電動車型的電氣網絡的概念。
一、總覽
1.1 整車電氣網絡的基本元素
内燃機：将化學能轉換為機械能
發電機：将機械能轉換為電能
電池：儲存電能
起動機，用電器：消耗電能，實作特定功能
開關和保險，導線：安全，控制，能量傳遞
如圖1.1所示：
圖1.1 整車電氣網絡基本構成
1.2 電子電氣 VS 機械
電子電氣的優點：
-
良好的分散性
快速，可靠，清潔，低損失
-
很好的可控性
特征值簡單，準确，快速，可測量，可控
-
很好的可用性
能量之間的轉換很友善
-
良好的儲存性
有不同的技術可以儲存電能
電子電氣的缺點：
-
電能自給自足，且傳遞過程的效率較低
許多能量轉換的過程的效率有限
- 電能的産生僅能通過發動機的運轉
-
電能的緩沖是必須的
能量密度較低，品質大，成本高
是以在汽車中，電能往往作為輔助能量形式出現。
1.3 能量傳遞鍊的效率
- 化學能 -> 機械能——内燃機：ηVM = 10~40%
- 機械能 -> 電能——發電機：ηG = 40~75%
- 電能 -> 化學能——電池：ηBat = 60~85%
- 電能傳遞——導線：ηK = 90~98%
1.4 用電器的分類
- 根據通電時間：短時，長時，持續
- 根據功率需求：均勻的功率輸入（峰值功率 ≈ 平均功率），不均勻的功率輸入（峰值功率 >> 平均功率）
- 根據功能：起動機，發動機管理和動力總成，發動機配套器件，安全系統，資訊娛樂系統，駕駛輔助系統，舒适系統
在未來，用電器的功率将越來越高。由于會有與安全相關的功能加入，汽車電氣網絡的穩定性将會加強，系統的安全性将會得到進一步保證。
1.5 常見汽車電氣網絡中的用電器
| 用電器 | 額定功率 | 平均功率 |
|---|---|---|
| 點火器 | 20W | 20W |
| 燃料泵 | 50W | 50W |
| 發動機控制單元 | 200W | 200W |
| 近光燈 | 110W | 90W |
| 尾燈 | 30W | 25W |
| 其他照明 | 22W | 20W |
| 座艙加熱，風扇 | 120W | 50W |
| 後窗加熱 | 200W | 60W |
| 電子空調風扇 | 120W | 30W |
| 雨刮器 | 50W | 10W |
| 擋風玻璃清洗器 | 60W | 5W |
| 制動燈 | 45W | 12W |
| 轉向燈 | 42W | 5W |
| 霧燈（車前） | 42W | 5W |
| 霧燈（車尾） | 21W | 2W |
| 車窗電動升降 | 150W/個 | 10W/個 |
| 座椅加熱 | 120W/個 | 10W/個 |
| 電動座椅調節 | 110W/個 | 5W |
| 電動方向盤調節 | 25W | 2W |
| 總共 | 1625W | 646W |
（資料來源：[BOSCH-02]及其他）
其中，1625W是安裝的所有用電器的功率，646W是權重平均功率，考慮了通電時間，使用頻率和同步性因素。
例：車窗清洗器和雨刮器工作時的電流大小
1.6 12V汽車電氣網絡的電壓
- 直流電
- 電池并聯供電可行
- 許多直流電執行器
- 低電壓保護
- 導體系統，車身作為低電勢端
- 對于中小型用電器具有良好的成本效益
6 V： 發動機啟動的最低電壓
9 V：汽車運轉的最低電壓
11 - 12 V：典型放電電壓
14 - 15 V：典型充電電壓
16 V：最大電壓
34 V：最大動态電壓峰值
（資料來源：[HEN-90]及其他）
例：城區行駛時的汽車電氣網絡表現
二、發電機
2.1 發電機的功能特性
- 通過電磁感應，将内燃機的機械能轉換為電能
- 根據需要為用電器提供電能，為電池充電
- 作為内燃機配套器件的一部分，參與皮帶傳動
- 電壓控制器保證恒壓輸出，不受負載和轉速的影響
2.2 發電機與内燃機的連接配接
- 通過三角筋條皮帶：94…97%效率，1%滑移率
- 三角筋條皮帶除了連接配接發電機的軸外，還連接配接其他的發動機配套器件，如轉向助力泵，水泵，空調壓縮機等
2.3 發電機剖視圖
2.3.1 集電環式
按逆時針順序分别為：集電環端蓋，整流器，功率二極管，勵磁二極管，調節器和握刷器和碳刷，定子，轉子，通風器，皮帶輪，驅動端軸承蓋
（來源：[BOSCH-87]）
2.3.2 齒形電極式
下圖為博世緊湊型發電機 Li-E 爆炸圖：
（來源：www.bosch.de）
2.4 帶調節器的三相電流發電機電路圖
從左到右5個紅框分别為：整流器，勵磁二極管，定子線圈，勵磁線圈（轉子），調節器（混合式）
2.5 交流發電機的電磁感應公式
-
定子線圈中交變電流的頻率：𝒇 = 𝒏 ∙ 𝒑
其中：𝒏是轉子的轉速，𝒑是極對數（典型值有6，8）
-
定子中的感應電動勢：𝑼𝒒 = 𝒄 ∙ 𝜱 ∙ 𝒇
其中：𝒄是與結構有關的常數，𝜱是磁通量
磁場由勵磁線圈加強（勵磁線圈中的電流最大值為4…6A）。
感應電流将通過導流環傳遞。
2.6 電壓穩定控制圖
（來源：[BOSCH-02]）
占空比 DF = Tein / (Tein+Taus)
平均感應電流 = Imax∙ DF = (UNetz / RL)∙ DF
2.7 電子半導體式控制器
紅框從左到右依次為：終級（達林頓管），控制級，分壓器
2.8 多功能接口控制器
多功能接口控制器的優點：
- 可識别轉速
- 可擷取溫度，保護電器元件
- 負載響應控制，不會對曲軸産生扭矩跳躍
- 預激勵可控，抵抗扭矩在起動階段被抑制
- 可與發動機控制器通信，內建到電能管理系統中
2.9 星形連接配接
UNetz = Upos - Uneg
- 相連的支路電壓（每個周期6次換向）
- 變化部分有高的基頻和小的幅度： fBrumm = 6f
（來源：[HEN-90]）
2.10 幾個重要的轉速點 汽車電子——整車電氣網絡和混合傳動系統（一）汽車電子——整車電氣網絡和混合傳動系統（一）
- 最低轉速n0：在空轉情況下達到額定電壓的轉速（又稱0A轉速）
- 發動機怠速時轉速nL：發動機的怠速轉速1500…1800 min-1
- 額定轉速nN：固定為6000 min-1（額定電流下）
- 最高轉速nmax：18000…22000 min-1，取決于發電機種類和大小
2.11 交流發電機的功率損失分布
其中：
P1：輸入功率
P2：輸出功率
Vmech：空氣和軸承摩擦
VCu_Stand：定子中的銅損
VFe+ZuS：鐵損及其他損失
VDioden：整流器損失
VCu_Feld：勵磁損失
三、電池和儲能技術
3.1 電池在汽車電氣網絡中的作用
- 支援，直接接入電氣網絡中。
- 在發動機未啟動時為用電器供電，尤其是發動機起動器。
- 能量輸出，在發電機功率不足時
- 電壓平整（考慮發電機輸出的波浪性，以及負載切換時的補償過程）
3.2 技術要求
- 起動：具有短時間（1…5秒）大電流放電特性（至300…1000A），最低電壓應大于7.5V，可在低溫時（至-30℃）保持特性。
- 供電：在數月不用時，自損耗較小（至10mA），在使用階段的幾分鐘到幾小時内，可保持中等放電電流（1…10A）
- 緩沖：可以緩沖汽車電氣網絡中的電壓波動，如殘餘波動，負載或發電機的瞬态變化
- 充電：良好的載流子承接能力，可低溫充電
- 保養：盡可能少，壽命應長久
- 使用範圍：盡可能大（溫度範圍，電池電量）
- 重量&體積：盡可能小，但标準化
- 成本：保證安全和品質要求下盡可能低成本
- 環保：無排放，完全可回收
- 循環：更少的老化效應，即使在高的充電吞吐量和深度放電的使用條件下
- 深度放電：即使有深度放電，也具備良好的再充電能力，并能降低深度放電對電池的損害
- 貯存：良好的物流倉儲性，安裝在車上能很好地儲存——很小的自放電
- 不需要定期充滿電：在電池電量中等的情況下進行運轉，可以自由容納制動回收得到的電能——低成本充電
- 高充電電流：以适應功率更大的發電機
- 更好的充放電循環：适應混合動力系統的要求，如自動啟停。
3.3 簡單電池模型
- 靜态電壓U0：在電夾處測量到的，未工作的電池電壓
- 内阻Ri：所有電阻的集合（電極與電解液之間，電解液本身，電極與電池連接配接器之間），實際上不是固定值，而是随時間變化
- 電夾電壓Ukl：在電夾處測量到的，工作時的電池電壓
- 電夾電流Ikl：流過電池的電流，當電池充電時，定義Ikl > 0
- 容量C：從充滿電的電池中可以取走的電量
- 剩餘電量Q：電池目前可以取走的電量
- SOC：電量飽滿度，SOC = Q / C
- SOH：老化程度，電池目前的容量 / 全新電池的标稱容量
- 标稱容量K20：在25°C的恒定放電電流下可以連續20小時從電池中放電的電荷量，而電夾電壓不低于10.5V
- ICC或冷檢查電流：完全充滿電的電池在-18℃下放電10秒鐘的電流大小，而電夾電壓不低于7.5V
- 标稱電壓：電池單元的數量乘以标準電池單元電壓。對應于小電流放電時的平均電夾電壓。
注：此簡單模型隻适用于一個特定的驅動點。所有的參數都與電池電量和電解液溫度強相關。
電池效率
- 放電效率：ηent = Eent / (Eent+WRi)
- 充電效率：ηlade = Elade / (Elade + WRi)
- 總效率：ηGEsamt = ηladeηent
- 效率隻和電池電流大小，内阻大小有關！
- 充放電電流越小，效率越高（因熱損失越少）。
3.4 Ragone曲線：
3.5 鉛酸電池
3.5.1 技術名額：
- 能量密度：25 Wh/kg或40 kg/kWh
- 壽命：3-12年
- 循環壽命：50-2000（7000）次循環
- 典型充電溫度區間：-20℃至+50℃
- 典型放電溫度區間：-25℃至+60℃
- 成本：50 - 250 € / kWH
- 基本可以完全回收
- 材料：稀硫酸
- 外殼：塑膠
- 電極栅：鉛合金
- 正極：多孔氧化鉛，多孔度約為50%，活躍表面約0.5m2/g
- 負極：多孔海綿狀鉛，多孔度約為50%，活躍表面約0.5m2/g
- 放電後産物：硫酸鉛
3.5.2 稀硫酸的缺點：
- 相鄰電極之間需要有足夠多的酸，是以存在一個電極之間最小距離和最小電解液電阻。
- 酸度的變化會導緻酸的分層，進而導緻不均勻。
- 由于放電期間會消耗硫酸，是以電池電壓會随着放電的進行而下降，并在充電期間會增加。
- 随着硫酸濃度的降低（一階近似與酸密度成正比），酸的凝固點從在充滿電的情況下的-45°C升高至0至-10°C之間。 是以，當環境溫度低且電量低時，鉛電池電解液有結冰危險。
3.5.3 鉛酸電池的凝固點：
- 凝固點與硫酸濃度強相關
- 深度放電會降低硫酸濃度
- 硫酸濃度越低，凝固點越高
橫坐标：硫酸濃度，正比于SOC
縱坐标：電解液溫度
（來源：[BOSCH-02]）
3.5.4 容量與放電速率的相關性：
經驗公式：溫度每降低1攝氏度，容量降低6%。
3.5.5 電壓與電流量和放電時間的相關性：
3.5.6 溫度對鉛酸電池的影響：
溫度越高，電池的容量越低，發動機的大電流需求越大。
3.6 鉛酸電池的老化
3.6.1 老化原因
| 機理 | 原因 | 結果 |
|---|---|---|
| 排污：活性物質從電極闆上脫落并掉入底部的泥漿室 | 高充電電壓（充氣），機械沖擊，放電電流大，深層放電 | 活性物質丢失：容量減少，短路危險 |
| 覆層：從負極闆上沖洗散布劑 | 高電荷通過量（循環負載） | 有效表面減少：容量減少，内阻增大 |
| 腐蝕：稀硫酸對格栅闆造成電化學氧化 | 高充電電壓，高溫，不佳的合金（銻），電解液中的酸度過高（酸分層） | 網格和導體的分解：内阻增大，斷路，短路 |
| 硫酸化：電池放電時，在栅闆上形成鉛晶體 | 深層放電，充電不足，在（部分）放電狀态下貯存，使用較久，電解液中的高酸度（酸分層） | 有效表面減少：容量減少，内阻增大，短路危險，酸密度降低 |
3.6.2 延長電池使用壽命的措施
- 保持長期的高電量狀态
- 避免深度放電
- 避免在部分電量狀态下貯存電池
- 避免不必要的充放電循環
- 避免高溫
- 避免充電電壓過高
3.7 新的鉛酸電池技術
密封，免維護的複合型鉛蓄電池VRLA（閥門調節的鉛酸）
- 自放電效應最小
- 充放電循環次數高
- 不存在酸洩漏
- 出色的性能
鉛膠
- 電解質用大表面二氧化矽固定
- 極長的使用壽命和循環穩定性
AGM（吸收式玻璃墊）
- 電解質用高孔隙率玻璃纖維隔闆固定
- 充放電循環鐘，表現出極佳的性能
- 軌道構造（圓形電池技術），可實作極高的功率密度 （來源：Exide）
汽車電子——整車電氣網絡和混合傳動系統（一）汽車電子——整車電氣網絡和混合傳動系統（一） - 使用纏繞的圓形電池和AGM隔闆
- 由于電極層的高壓是可能有大表面的薄層
- 極低的内阻，極高的循環穩定性
- 放電時内阻小，充電時内阻大
3.8 鎳金屬氫化物電池（NiMH）
3.8.1 基礎：
- 陽極：可以可逆地儲氫的金屬合金
- 陰極：傳統鎳氧化物
- 對于深度放電和過充相對來說不那麼敏感
- 高比能量密度
- 工作溫度：-30℃ - 45℃
- 相對昂貴
- 高自放電效應
3.8.2 電池單元的設計：
電池單元的設計對鎳氫電池的影響很大。
- 圓柱狀單體：更高的系統級别的設計靈活性
- 棱柱狀模組：更高的封裝效率，更高的比能量