汽车充电启动系统电路设计与分析讲解Word文件下载.docx
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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）mm
1480/1485
驱动形式
4×
2前轮驱动
最高车速km/h
150
自重kg
1000
功率（kw/r/min）
76/5600
总重kg
1600
排量L
1.6
整车外形尺寸（长×
宽×
高）mm
4770×
1800×
1450
发动机型号/压缩比
10.0
轴距mm
2700
电源系统电压V
12
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
和发动机的起动阻力矩
决定，即
式中：
的单位为N·
m，
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%。
一般由试验测定，也可用式
来计算，即
=35×
1.6=57.6N·
M
表示系数，取30～40，
为发动机排量。
发动机的最低起动转速
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
=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
为0.72KW。
取0.8W
2.1.2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
与发动机能可靠起动的曲轴转速
之比，即
=120/9=13.3
—表示飞轮齿圈齿数；
—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：
为蓄电池的额定容量（Ah）；
为起动机的额定功率（kW）；
为起动机的额定电压（V）。
则
=700×
0.8/12=47.6Ah取50A.H
2.1.4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/V
驱动齿轮齿数（个）
9
制动电流/A
480
压力角/（°
）
20
起动电流/A
110
模数
2.5
额定功率/KW
0.8
质量/Kg
4.7
2.1.5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
前大灯
2
60W
油压报警灯
1
3W
前雾灯
75W
仪表灯
倒车灯
20W
远光指示灯
牌照灯
5W
开关照明灯
前小灯
制动液位指示灯
前转向灯
暖风/空调设备
200W
后转向灯
刮水电动机
40W
制动灯/尾灯
20/5W
点火系统
50W
室内灯
10W
音响系统
12W
示宽灯
4
发动机电子控制系统
70W
充电指示灯
ABS与其它电子控制系统
150W
制动报警灯
其他设备
2.2.2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（
），和其实际工作电压（即发电机的输出的电压
）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
。
综上所述，整车用电设备负载电流
的计算公式为：
代入上式，得到42.4A
—整车用电设备的数量；
—电压系数；
—第
个用电设备的权值；
个用电设备的额定功率（W）；
—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
长期工作
点火系
1.0
连续工作
空调
0.5
仪表
刮水器
0.3
夜间长期工作
小灯
收音机
前照灯近光
0.2
短时间歇工作
电喇叭
0.1
前照灯远光
转向信号
尾牌照灯
制动灯
辅助前照灯
SRS系统
2.2.3发电机功率的计算
确定的发电机输出电流
即发电机功率只是达到发电机供电系统的电能平衡（即
=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
应为：
=50A
求取
=50A，从而所需发电机功率为：
=50A*14V=700W
2.2.4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%）。
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/V
14
额定输出电流/A
50
额定输出功率/KW
开始充电转速/r/min
1200
最高充电转速/r/min
18000
工作环境温度/℃
-40～+90
调节器形式
集成电路式
调节电压/V
12.5—14.5
单机质量/Kg
5.6
JFZ1524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.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
（1）发电及整流原理
（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—回位弹簧5—起动开关6—电磁开关7—磁极8—蓄电池9—电枢
接通起动开关后，吸拉线圈和保持线圈通电，在电磁力的共同作用下，使活动铁心克服弹簧力右移，活动铁心带动拨叉移动，将驱动齿轮推向飞轮。
当驱动齿轮与飞轮啮合时，接触盘也被活动铁心推至与触点接触位置，使起动机通电运转。
接触盘接通触点后，吸拉线圈被短路，活动铁心靠保持线圈的电磁力保持其啮合位置。
3起动系统电路原理
起动系统的电路原理是有点火开关控制，有蓄电池供电，中间又有启动继电器
其主要工作过程是：
点火开关接通电源，由红/黑色导线从点火开关上“50”接线柱送至中央线路板B8接点，再接通中央线路板C18接点，接至起动机“50”接线柱。
四充电系统、起动系统线路设计与分析
此次设计中通过对发电机、起动机的计算初步选取了华夏HX7180轿车所使用的发电机、起动机和蓄电池等。
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，此发电机是内装电压调节器的整体型发电机，对外只有两个接线柱D+、B+和外壳打铁。
起动机采用长沙汽车电器厂生产的QD1229型起动机，此起动机的启动小齿轮有九个标准齿，对外也是有两个接线柱30端子、50端子和外壳打铁。
由此初步设计华夏HX1780轿车的充电系统、启动系统整体电路如图所示：
发电机D+端子通过充电指示灯与有点火开关控制的15线相连，B+端子接蓄电池正极，蓄电池正极与起动机30端子相连，起动机50端子通过启动继电器与蓄电池正极相连，启动继电器由点火开关控制。
当发电机向用电设备供电并向蓄电池充电时，电流由发电机B+→蓄电池正极→蓄电池负极→发电机负极组成回路。
此时充电指示灯的两侧电压相等，充电指示灯熄灭。
当点火开关接通启动发动机时，点火开关给50线、15线、X线供电，控制电流为
蓄电池正极→点火开关→X线→启动继电器线圈→打铁→蓄电池负极
此时将起动机的控制电路接通
蓄电池正极→点火开关→50线→继电器→起动机50端子→打铁→蓄电池负极
主电路
蓄电池正极→起动机30端子→打铁→蓄电池负极
汽车导线尺寸计算
（1）确定负载电流
I=P/U=U/R起动机66A发电机50A
（2）确定导线标称面积A
A=IρL/U式中ρ=0.0185Ωmm/m起动机导线是指启动开关与蓄电池之间的连线，标称面积一般在25-70平方毫米内，一般为43mm.
发电机50A电流取54A的10mm
（3）将A值化整
表6-1
标成面积
现丝数目
电阻率
导线直径
绝缘层厚度
连续工作电流50度
6
84
3.14
3.4
42
10
80
1.82
4.5
72
（3）计算实际电压降
按公式U=IρL/A计算实际电压降，检查是否满足表6-2的要求
导线类型
整个线路允许电压降
充电电缆
发电机到蓄电池
0.4
控制电路D+D—
起动机
主电缆
控制电缆
1.4
2.0
标成电压
12V
24V
检验实际电压降：
起动机实际电压降为66*0.0185*1/43=0.028小于0.5，可以。
充电机实际电压降为50*0.0185*1=0.154小于0.4可以。
（4）核算电流密度
S=I/S
合格起动机43mm发电机10mm
发电机电路图
起动机电路原理图
参考书目
1吴扬ProtelDXP电子设计教程中国铁道出版社
2舒华，姚国平主编桑塔纳轿车电控与电气系统结构原理检修人民邮电出版社
3娄云汽车电路分析机械工业出版社
4麻友良汽车电器与电子技术机械工业出版社
5林晨桑塔纳2000轿车维修手册机械工业出版社
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