汽车电子与电器课程设计说明书

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HX7160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 导线

正文

1、华夏HX7160 轿车汽车的相关技术数据

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 发动机压缩比 10.0 轴距mm 2700 电源系统电压V 12 2、起动系统、充电系统计算、线路设计和分析

2.1 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nq和发动机的起动阻力矩Mq决定，即 PMqnq

9550式中：Mq的单位为N·m，nq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%。Mq一般由试验测定，也可用式MqCL来计算，即

1

MqCL401.6 N·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nq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

PMqnq9550=×60/9550=0.402 KW

考虑到要有一定的功率储备，合理选取P为0.80 KW。

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ns与发动机能可靠起动的曲轴转速nf之比，即

nsZf=136/9=15.1 infZs式中：Zf—表示飞轮齿圈齿数； Zs—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15.1。

2.1.3 起动机的选用

起动机采用长沙汽车电器厂生产的QD1229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 12 驱动齿轮齿数(个) 9 制动电流 /A 480 压力角 /(°) 12 起动电流 /A 110 模数 2.1167 额定功率 /KW 0.95 质量 /Kg 4.7 2.1.4 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：

Q(610~810)P

UU为起动机的额定电压(V)。式中：Q为蓄电池的额定容量（Ah）；P为起动机的额定功率（kW）；

则

Q(610~810)P=762×0.95/12=Ah

U2.1.5蓄电池的选用

蓄电池选用6-QA-D。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Ah，低温起动性能好。

2.2 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

2

灯泡名称 前大灯 前雾灯 倒车灯 牌照灯 前小灯 前转向灯 后转向灯 制动灯/尾灯 室内灯 示宽灯 充电指示灯 制动报警灯 数量 2 2 2 1 2 2 2 2 1 4 1 1 功 率 60W 75W 20W 5W 5W 20W 20W 20/5W 10W 5W 3W 3W 灯泡名称 油压报警灯 仪表灯 远光指示灯 开关照明灯 制动液位指示灯 暖风/空调设备 刮水电动机 点火系统 音响系统 发动机电子控制系统 ABS与其它电子控制系统 其他设备 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 功 率 3W 3W 3W 3W 3W 200W 40W 50W 12W 70W 150 W 100W 2.2.2 发电机的计算

(1)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Ue）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KvUe综上所述，整车用电设备负载电流If的计算公式为：

mU=14/12=1.17。

KvKiPi=62.3A

Ui1式中：m—整车用电设备的数量；Kv—电压系数；Ki—第i个用电设备的权值；Pi—第i个

If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 点火系 1.0 连续工作 空调 0.5 长期工作 仪表 1.0 刮水器 0.3 发动机电子控制系统 1.0 ABS与其它电子控制系统 0.5 夜间长期小灯 1.0 收音机 0.5 工作 前照灯近光 0.2 短时间歇电喇叭 0.1 工作 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 0.3 SRS系统 0.1 (2)发电机功率的计算 确定的发电机输出电流Ie即发电机功率只是达到发电机供电系统的电能平衡（即

IeIf=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

3

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Ie应为：

IeIf1=62.3/0.85=73.3 A

求取Ie=73.3A，从而所需发电机功率为：

PeIeUe=1.03 KW

(3)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ie ，使汽车常用车速与发电机的额定转速ne相对应。即取该车型的常用车速v，求出对应的发动机转速n。取发动机怠速时的转速为800r/min发电机的最低转速为2000r/min。则发动机与发电机之间的传动比ie为：

iene20002.5 n800对照所选发电机的电流——转速特性，满足发动机怠速时发电机电流达到额定电流的60%～

80%的设计要求，另外还应校对在发动机最高转速 nmax=5600r/min 时，发电机对应转速

nemaxienmax=5600*2.5=14000r/min

不可超过发电机的最高许可转速。 现选择发电机型号。 2.2.3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。SA13VI型发电机是内装调节器、外打铁、整体式发电机。

SA13VI型发电机的主要性能指标 发电机型号 SA13VI 额定输出电压 /V 14 额定输出电流 /A 90 额定输出功率 /KW 1.2 开始充电转速 /r/min 1900 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 2.3汽车线路的导线、导线的线色、标称面积

2.3.1 线路导线

汽车用导线均为绝缘包层多股铜质软线，通常分为低压导线和高压导线。低压导线又分为普通低压导线与低压电源导线。

普通低压导线是除起动机用电源导线以外的所有低压导线。根据各用电设备的工作电流选择相应标称截面规格的低压导线，选用1、1.5、2.5、3、4mm 五种，其线芯均有多股细铜丝绞制而成。低压电源导线包括蓄电池连接线、起动机导线、蓄电池搭铁线。起动机导线是指起动开关主接线柱与蓄电池之间的连接线，其标称截面一般在25～70mm范围内，允许电流达200～1000A，国产常用的起动机导线标称截面为43mm。 2.3.2导线标称面积计算

(1) 确定负载电流

222IP/UU/R

4

(2) 确定导线面积S

AIl/UVI 0.0185mm2/m

表3-1 导线面积经验值 信号线、电钟、水温表、4.0-6.0电喇叭、刮水电0.5mm2 1.0mm2 预热塞等 燃油表、油压表等 机、雾灯等 mm2 尾灯、牌照灯、指示灯、0.5mm2 前照灯 1.5mm2 主电源 8.0-25mm2 仪表灯等 转向灯、3V以下电喇叭0.752.0-4.0起动线、主搭电源线 16-75mm2 22等 铁线 mm mm 2.3.3导线的线色

表3-2 国产汽车各电路系统规定的导线颜色（色码） 电气系统 主色 代号 电气系统 主色 代号 充电系统 红 R 仪表、报警信号、电喇叭线路 棕 N 起动和点火系统 白 W 收音机等辅助电器线路 紫 P 外部照明电路 蓝 U 辅助电动机及电器控制线路 灰 S 转向指示灯及灯光线路 绿 G 搭铁线 黑 B 防空灯和车内照明线路 黄 Y 3、分析充电系统、启动系统的电路的组成、电路原理和工作过程

3.1充电系统

3.1.1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。 3.1.2充电系统工作过程 (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。 4. t＝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； 5. t1～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。 6. t2～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； 7. t3～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 。

图1-1 三相桥式电路及整流原理

(a)整流电路 (b)三相交流电动势波形 (c)整流电压波形

5

3.1.3充电系统电路原理

图1-2 带磁场二极管和中性点整流输出的发电机基本电路

6

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。 3.1.4 电压调节器的基本原理

图1-3 满足实际使用要求的电子式调压器

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。

3.2启动系统

3.2.1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；

3.2.2启动系统工作过程

7

图2-1 永磁起动机控制原理

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。

3.2.3 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”接线柱送至线路板B8接点，再接通线路板C18接点，接至起动机 “50”接线柱。 图2-2 轿车起动系统电路

1.点火开关 2.红色线 3.红/黑线 4.红色线 5.蓄电池 6.红黑线 7.黑色线 8.电磁开关 9.定子 10.转子 11.起动机 12.小齿轮 13.单向离合器 14.拨叉 15.回位弹簧 16.线路板

4、绘制充电系统、启动系统的线路图

此次设计中通过对发电机、起动机的计算初步选取了华夏HX7160轿车所使用的发电机、起

8

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HX1760轿车的充电系统、启动系统整体电路如图（附加）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为：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。

主电路为：蓄电池正极→ 起动机30端子→ 打铁→ 蓄电池负极。

主要参考文献

1. 吴扬主编. Protel DXP 电设计教程.北京：中国铁道出版社，2004 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.北京：人民邮电出版社，2003 3. 肖东主编. 捷达轿车电气与电控系统维修实例. 北京:电子工业出版社,2002 4. 曲金玉主编. 汽车电器与电子控制技术. 北京：北京大学出版社，2012.1 5. QC/T417.1-2001 QC/T 417.1-2001 车用电线束插接器标准

9