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：ηVM = 10~40%

  2. 机械能 -> 电能——发电机：ηG = 40~75%

  3. 电能 -> 化学能——电池：ηBat = 60~85%

  4. 电能传递——导线：ηK = 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