汽车电路的电压降要求及其控制方法研究

汽车电路的电压降要求及其控制方法研究　赵根宝，胡定辉，张百山　（奇瑞汽车股份有限公司技术中心，安徽芜湖２４１００６）　摘要：首先分析汽车电路中主要系统或者部件对电压降的要求，并结合这些要求提出对电压降的控制方法，最　后总结出电压降的测试内容、方法、判定标准等，提　了一整套有效控制汽车电路电压降的方案。　关键词：电压降；接触电阻；测试验证；汽车电路　中图分类号：Ｕ４６３．６２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００３—８６３９（２０１４）ｌ１—０００１—０５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｄｒｏｐ　Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　ＺＨＡＯ　Ｇｅｎ—ｂａｏ，ＨＵ　Ｄｉｎｇ—ｈｕｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｂａｉ—ｓｈａｎ　（Ｔｅｅｈｎｏｌｏ￣Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｃｈｅｒｖ　Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈｕ　２４１００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｍａｉｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　ｐａｒｔｓ　ｉｎ　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｆｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐ，ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐ　ｉｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｉｔｅｍｓ，ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｊｕｄｇｉｎｇ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ｆｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ　ａｎｄ　ａ　ｗｈｏｌｅ　ｓｅｔ　ｏｆ　ｐｒｏｉｅｅｔ　ｔｏ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｒｏｐ；ｃｏｎｔａｃｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｔｅｓｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　电压降是因电流在电路中流动时受到　器件上的阻力而产生的。导体或用电器的　电阻越大，电压的下降程度越大。电压降　就越大。一般用电器都有额定的工作电压　Ａ　和电流．不能有过大的偏差，否则容易引　起电器设备和电路损坏或功能丧失。例如　蓄电池　当车辆起动时．起动机工作电流较大，此　ＩＧＮ　继电Ｉ器ＩＦ　调节器　ＳＷ　　Ｉ时如果电压降设计不合理，可能导致起动　Ｉ（挖ｌ　ｓｒ　机两端电压过低，起动机运转无力：车身　控制器或者发动机ＥＣＵ工作电压过低，失　去对起动继电器的控制。从而导致车辆无　ＯＮ　起动　发电　机　机　ＧＮＤ　ＳＴ　法起动。所以在车辆设计阶段时，要特别　注意起动、ＥＣＵ等相关功能和部件的电压　图１奇瑞公司某车型电源系统原理图　降设计、控制，并对样车进行充分的测试　验证。以确保电压降设计合理和汽车电路的安全工　两端工作电流高达２００～６００Ａ，此时要求起动机电　作。图１是奇瑞公司某车型电源系统原理图。从图１　路电压降非常小，以降低起动机功率损失，减少能　中可以看出。为保证发动机顺利起动，除了蓄电　量损耗．保证发动机顺利起动和保护起动机。结合　池、起动机、发动机本身性能外，还应考虑蓄电池　企业标准提出对起动电路电压降的要求，见表１。　到起动机线束的长度、线径、材料及熔断丝盒的端　表１起动电路电压降　子压降、蓄电池和起动机搭铁压降，对于有线束对　端子　电器参数　接的回路。还应该保证对接端子的压降在合适的范　３０　任何时候，（　１３．２Ｖ；平稳起动，　≥９Ｖ　围，以满足性能要求。　５０　ＳＴ档，　≥１０．８Ｖ；堵转，Ｕｓｏ≥５Ｖ　、线６－５ｍｎ≤　１　汽车电路的电压降要求　阻　ｍＱ　１．１　用电器对回路电压降的要求　注：３０、５０端子见图１，匹配是否合理最终还需要由整车　１）起动电路的电压降　车辆起动时，起动机　起动试验验证…。　收稿日期：２０１４—０６—２０：修回日期：２０１４—０７—１４　作者简介：赵根宝（１９５６一），男，高级工程师，奇瑞公司电子电器技术研究院总工，主要从事汽车电子系统集成控制研发。　《汽车电器》２ｏ１４年第１　１期　２）照明电路的电压降对于汽车照明单元尤　其是外部照明单元，普通卤素灯泡功率越大，照明　效果和寿命与电压的关系越紧密。以图２某品牌Ｈ７　灯泡为例［２］，就功率前照灯（包括前雾灯）的电压　环境需求进行匹配。　寿命／ｈ　４ＯＯＯ’　３５ｏｏ’　／　３Ｏ００　功率　２５Ｏ０・　，／　、　●　２０ＯＯ．　｝　，，　ｌ　１５ＯＯ．　！　／　．　光　通量　ｒ－　　。ｊ　ｉ　１００Ｏ．　．．　ｊ　５０Ｏ．　＼　寿命　、＇、＿～　～　Ｏ．　图２某品牌Ｈ７灯泡光通量、寿命与电压关系　由图２不难看出，在持续１４Ｖ以上的电压环境　下，该标称功率为５５　ｗ，寿命为７５０　ｈ的Ｈ７灯泡，　实际功率大于６０Ｗ，寿命低于５００ｈ。所以一般对汽　车照明回路电压降的要求比较严格，参数见表２。　表２汽车照明回路电压降参数　导线电压降整个电路电压降等效回路电阻　备注　１．２信号回路对电压降的要求　１）模拟信号电路电压降要求一般车用蓄电　池额定电压为ｌ２Ｖ，模拟信号电路电阻一般在几欧　姆到几千欧姆之间，如果信号有效电阻较大。回　路中的电阻就很小，此时，回路电压降对回路影　响很小，只需考虑回路的安全性即可。相反，若　回路等效电阻较小，则此时需要重点考虑回路电　阻和电压降的影响。例如，巡航信号是通过检测　开关输人到模块的电流大小判断巡航的档位，巡　航开关与模块间电阻范围在２．２～２２　ｋＱ。此时巡航　功能对回路、插接件电阻要求降低，电压降满足　开关有效信号的要求，设计时只需重点考虑涉及　功能安全的问题。　２）数字信号回路电压降要求结合相关国际　标准和行业标准，一般对网络信号的总线电压要求　为　ＡＮ｝Ｉ＝２．７５－４．５Ｖ、Ｕｃ　Ｆ０．５－２．２５Ｖ、ＵＤ，ｈ￣－１．５－３Ｖ、　ｂ　＝一０．５～０．０５Ｖ，数字回路电压具体定义见图３、　图４和表３。　ｊ　毒　《汽车电器》２０１４年第１　１期　＞　裔２　翘　图３总线电压范围　３　２　＼　趟１　羽　０　—１　图４网络信号电压差　表３网络信号的电压要求　Ｖ　注：Ｄ＝Ｄｏｍｉｎａｎｔ（显性），Ｒ＝Ｒｅｃｅｓｓｉｖｅ（隐性）。　１．３　电路安全对电压降的要求　在车用电器盒中，为了避免电路烧蚀等安全隐　患．对电压降和温升有着严格的要求．主要影响因　素包括连接方式、材料、端子类型、回路设计等　方面。片式、插入式、平板、旋紧、螺栓紧固式　等熔断器回路在不同工作电流条件下。对电压降　的要求也不尽相同。发电机、继电器等对电路安　全有较大影响的回路对电压降也有较高的要求，　见表４　表４安全回路电压降　项目　鍪置备注　２汽车电路的电压降控制方法　汽车电路电压降会对车辆功能和性能产生很大　影响，下面分别从设计、材料、工艺等方面分析电　压降的控制方法。　２．１　从设计方面对电压降控制　１）电器件内阻的电压降控制对于图２示例，　通常实车对整车照明效果的评价是基于发动机转速　ｌ　５００　ｒ／ｍｉｎ左右的整车电压环境．由于大功率灯泡　电阻较小，可以看出回路电阻及蓄电池内阻对其端　电压的影响较为明显。起动时，蓄电池为起动机和　其他电器件供电，起动机工作电流非常大，所以设　计开发阶段，应提出对蓄电池和起动机内阻的要　求，降低回路电压降。　２）端子接触的电压降控制　端子接触电阻是　车用电线束插接器的主要电气性能之一，直接影响　汽车电路信号的可靠性和稳定性。接触电阻设计过　大会导致插接件温升。此温升也是电器盒温升产生　的主要原因，降低插接件的寿命和可靠性，所以设　计时要注意优化线束回路，减少对接。在发动机舱　的端子要考虑其密封性．否则容易出现锈蚀现象，　影响端子电压降，一般有效的做法是加密封塞。　３）压接点的电压降控制　压接点的位置选择　影响线束的长度，不同的压接方式．成本和接触电　阻也不同，所以设计开发时可选择合适的压接点位　置和压接方式降低回路的电压降。　４）导线线径及长度的电压降控制　导线的线　径越大，载流能力越强，电阻越小。电压降越小。　在满足功率要求的前提下，安全等级要求较高的系　统，可适当放大导线线径，满足回路压降要求。例　如，从电器盒到尾灯的电源线可采用一条大线径导　线代替几条小线径导线连接到后尾灯。同样在高温　区的导线要适当放大余量，满足导线属性变化的要　求。例如，发动机舱线束经过防火墙时。除采用必　要的线束保护措施外。还可以适当增加线径以满足　电压降要求。　５）线束搭铁的电压降控制　设计时，所有搭　铁点位置应便于维护，为防止雨水沿导线流至搭铁　端子搭铁点处，在有雨水流经的地方．该处搭铁端子　连接导线最低弯曲点在垂直方向应低于搭铁点。对　湿区搭铁端子需考虑用带胶热缩管防水和浸锡处理。　搭铁端子压接处剖面积应大于或等于线径最大　导线的截面积。搭铁端子可接触面积应大于或等于　所压接导线截面积总和。搭铁点应足够平坦，以保　证整个面积大于或等于搭铁端子可接触面积。若采　用金属平垫片，其应放置于螺栓头与搭铁端子之间，　并要求平垫片外径约大于或等于环行端子外径。　考虑搭铁片的选择和搭铁点特殊要求时需采取　特殊手段。例如。在震动较大的区域。采用有定位　功能的搭铁片：在整车电器中，可根据负载特性共　用同一个搭铁，对于重要件，要考虑复式搭铁。　由于金属支架和车门铰链接触电阻难以保证，所　以一般不允许在金属支架上或者通过车门铰链搭铁。　车身表面无油漆时，搭铁效果最好，但在工程　实践中并不可取。设计时，可根据成本、性能等因　素结合车身喷漆情况。选择适合的搭铁螺栓或螺　母，如面漆（普通漆），选择搭铁螺母，电泳漆则　选择搭铁螺栓。　２．２　从材料选型方面对电压降控制　端子材料硬度不同会影响端子接触界面的附加　电阻，不同的电导率则直接影响端子接触区域的电　阻聆］。选择端子材料时，应根据设计目标要求选择　合适电导率和硬度的材料．同时应考虑选择电导率和　机械性能稳定的材料，才能保证接触电阻的稳定。　导线的压降通常为回路压降中最主要的部分，　而导线的线径和电阻率直接决定了导线压降的大　小。铜导线可分为镀层导线和不镀层导线，同规格　普通导线或镀银导线电阻率略低于镍、锡等镀层导　线：同材料同规格导线，多芯导线电阻率略高于单　芯导线，绞合导线电阻率略高于普通导线。导线连　接端子及镀层通常采用材料见表５。　表５导线连接端子及镀层采用材料　普通金属镀层，以镀锡层为例，因其价格低，　工艺简单，抗氧化性能好，与硫化物不发生作用，　不受导线绝缘层中硫的作用，因而在汽车线束中被　广泛使用。但是锡镀层接触件通常不用于接通或断　开电流，不推荐使用在高温环境下，可用于干电路　或低电平状态。　若采用镀银工艺，能较大地降低接触电阻，从　而达到降低温升，提高母线连接处的导电性，节省　了大量的电能损耗，还可避免接触面产生电化腐　蚀。但电镀银的费用比电镀锡费用高达数倍，常用　在继电器触点、氧化银电池电极等方面。　《汽车电器》２０１４年第１１期　２．３从工艺方面对电压降控制　汽车线束生产时。对于需要并线的导线一般采　用超声波焊接、Ｕ型端子打卡连接、端子双线、多　线共压连接等工艺方法。不同的压接工艺对电压降　也产生较大的影响，表６ｙＩＪ出两种常用压接工艺的　对比结果，超声波焊接比Ｕ型端子压接电阻略低。　设计时．选择合适的压接工艺能有效控制回路的电　压降　表６不同压接工艺的压接电阻对比　栓紧固方式进行电路连接，不允许采用铆接方式，　防止震动时铆接接触面积减小甚至脱落。　在搭铁端子连接前，搭铁点金属表面应是明　亮、抛光的，应无底漆、涂料、锈迹和腐蚀等情　况。搭铁必须采用专用的螺栓、螺帽，焊接面必须　比车身钣金高．表面钢材镀锡．避免过涂装时影　响，搭铁端子采用防跟转、防脱结构，搭铁片尺寸　必须与电流大小匹配。装配时，装配力矩合适，过　大或者过小，可能导致刺破保护层或者松动。　装配时应减少不必要的插拔次数，以免破坏簧　片的强度和镀层。为装配便利，在设计时还要考虑　搭铁端子装配角度和出线方向。　３汽车电路电压降的测试与验证　注：样件截面积０．８５ｍｍ　，长度６００ｍｍ，环境温度２４℃，　环境湿度７０％。　公端子和母端子接触表面并垂直于接触表面产　生的力形成端子正向力，随着端子正向力增加，端　子接触面积也逐渐增加。因此，在保证插接件机械　性能的前提下，通过增大端子的正向力，增加端子　接触面积　降低插接件的接触电阻　保证电压降满　足要求，提高信号传递的稳定性。　应用于湿区的搭铁压接部分用带胶热缩管或者　做浸锡处理，带胶热缩管必须满足可抗Ｏ．７～１．０个标　准大气压。对于搭铁片的选择，对应搭铁螺栓及搭　铁螺母，使用Ｍ６和Ｍ８或者更大的搭铁片，其中蓄　电池负极的搭铁片厚度不小于１．８　ｍｍ．其余搭铁片　的厚度应满足表７的要求，且保证在装配时端子在　规定紧固力矩下不变形。　表７搭铁片厚度与线径关系　２．４从装配方面对电压降的控制　在线束的整车装配过程中，环形端子需采用螺　汽车电路的电压降控制不仅要有完整的控制方　法，还需要完善的测试内容、测试方法、判定方　法，以验证测试方法的准确性．确保电路电压降满　足功能、性能需求。只要存在电路连接的地方都需　要进行电压降的控制．电路电压降的测试是识别电　路连接是否健康的有效手段，包括端子与导线之　间、端子与端子之间、电器盒内部、导线回路都存　在电压降。以下从几项典型测试项目分析电压降测　试的方法。　３．１　端子压降测试　端子压接压降和接触压降通常采用电阻法间接　测量：　压接＝　压接／Ｉ试验电　，通常在低电流（电压　２０ｍＶ．电流上限为１００ｍＡ）的情况下检测端子的　接触性能。　压接压降测定应在接头夹住到下中央与其后面　７５　ｍｍ的导线处（剥去绝缘后用锡焊住）的两点间测　量，扣除７５　ｍｍ长的导　线电压降后即为端子压　接的压降，如图５所示。　不同截面积导线与压接　电阻关系见表８。　图５端子压接压降测试示意　表８不同截面积导线与压接电阻关系　端子的接触压降测定应在一定插拔次数后．在　端子的夹住导线处之间或在夹住导线处与固定端子　片宽与连接电阻关系见表９。　指定处的两点间进行测量，如图６所示。不同端子　图６端子接触压降测试示意　３．２电器盒压降测试　电器盒的压降具体测试点如图７所示。试验过　程中必须用桥接片来代替熔断器或继电器，通常通　过额定电流测试回路电压降。　３．３整车电路短路测试　在整车电路设计中，电路安全尤其重要，如果　《汽车电器》２０１４年第１１期　囡固　图７　电器盒的压降具体测试点　３．４其他测试　有很多传感器都是将其他类型的信号转换成阻　值、电压信号进行传递，如一些温度信号、位置信号、　光敏信号、开关控制信号，最终体现出接人ＭＣＵ端　设计不当．在一些特殊情况下可能会发生线路烧蚀　乃至整车烧蚀的严重事故．故所有与电源相关的回　路都会设置熔断丝，预防过载、短路或一些故障出　现的时候，可以在瞬间熔断熔断丝，切断电流通　路。达到预防事故的作用。然而，在熔断丝匹配　时．回路的实际压降以及短路情况下，瞬时的电流　特性是很难计算得精准，熔断丝的熔断时间是否能　控制在电路的安全承受时间内也就无法判断准确。　因此在整车测试验证时。通常需要进行电路的短路　测试，来检验电路设计是否足够安全，其中电路压　降就是决定性的因素。　电压越低．对于处于临界状态的电路保护越难　瞬间断开，故通常试验电压选择１２Ｖ或者更小，且　需要严格保障电路中的端子压接、连接以及关联系　统的连接压降都处于标准范围之内，确保压降不会　因为不良的制造过程而产生。一般要求在电路最远　处短路．熔断丝熔断时间需小于２００ｍｓ，具体数据　可参考表１Ｏ。根据不同熔断丝类型的熔断特性，可　以总结出短路电阻的要求。也可以通过大量试验测　试的数据总结，反向指导理论设计参数。　表ｌ０熔断丝测试标准　口的电压值有所区别。随着信号种类的增加，对控　制精度要求的增加．对信号的准确性也提出更高的　要求．同时对回路的压降要求也更加严格，这需要　我们进行一些实车的测试标定，将回路、元器件等　功能实现方案中各个组件综合起来一起确认，如油　量阻值标定、前照灯调节开关标定等。　４结语　汽车电路电压降的研究和控制将是整车电路系　统开发中长期的话题，在人们长期的探索和积累　中，总结出一系列电压降控制的理论和方法。原则　上，希望回路中的压降尽可能小，以满足性能的更　高要求，也需要材料、工艺等多方面的支撑，同时　也需要更多成本的投入。只有掌握了各个回路的压　降要求．进行合理分解和设计，才能在性能和成本　之间找到平衡点。随着通信技术、网络技术的发　展。一些动态电压降的研究显得格外重要。混动、　电动车的逐步推广，电压降更多地回归到能量传输　和安全控制的层面上。然而，有电气连接就存在电　压降的研究，关联的标准和规范还需要不断完善和　补充　参考文献：　［１］Ｑ／ＳＱＲ　Ｓ３—８—２Ｏ１２，起动机（总成）技术条件［Ｓ］．奇　瑞汽车股份有限公司．２０１２．　［２］ＧＢ１５７６６—２０ｏ０，机动车机动车辆灯丝灯泡性能要求［Ｓ］．　［３］王荣喜．浅析车用电线束插接器接触电阻的测试［Ｊ］．汽　车电器，２０１３（４）：５６—５７．　（编辑杨　景）　《汽车电器》２ｏ１４年第１１期