现代房车的电源分配系统创新设计研究

现代房车的电源分配系统创新设计研究

摘要：本文针对房车电源设计中最重要的电源分配系统进行研究，并从房车电源供电系统、中央电气盒的选择、断路器与漏电保护器的选择及保险丝与导线匹配设计等四个方面展开。

关键词：现代房车；电源分配；系统创新；设计研究

一、房车电源供电系统

1、直流供电

多年来房车的发电和用电都采用直流电。在供电系统中设有蓄电池，供给所需要的电量。房车运行时经皮带带动电压被控制为一定数值的发电机，以确保蓄电池正常充电。蓄电池电压常为24V或110V，充电电压则分别控制在28V和135V，因此控制好发电机电压很关键。常用的控制发电机输出电压的方法是发电机磁场外部控制法，此法能严格控制发电机的输出电压和蓄电池的充电。

12个铅-酸蓄电池（额定电压24V）要求充电电压为28V，而55个蓄电池（额定电压是110V）大约用135V的充电电压来保持良好的充电状态。当汽车自带的蓄电池（电瓶）发出电压低于蓄电池电压时，需要有一个自动开闭器切断发电机与蓄电池的连接，否则会从蓄电池上产生倒流，使发电机成为电动机。电灯电压是采用蓄电池的额定电压，为防止蓄电池充电时电灯过压，在电灯电路和蓄电池之间串入灯电阻。这个电阻当电灯由蓄电池供电时被短接，而当蓄电池充电时接入在开闭器上的一个触点就是起这种作用的。在变换的过程中在灯上能看到闪烁，灯电阻的阻值根据车上照明负载而定。如果照明负载的变化很大，则该系统很不理想[1]。

2、逆变器

考虑蓄电池在充电时和放电后的正常电压变化，逆变器能在很宽的输入电压范围内工作。逆变器电路能降低由于蓄电池电压的变化引起的照度波动。为防止在输出侧短路和过压时造成损坏，逆变器需有必要的保护，最好在任何数目的电灯坏了或切断时也能工作。为防止房车运行在最高环境温度的地区和最大负载下发生过热，又要保证房车运行在最低环境温度的地区元件不发生问题或其参数在允许偏差之内，逆变器要装在车上的适当位置并配有散热装置。

逆变器按类型可分为三种：一是集中式逆变器，一般采用可控硅输出级，并具有晶体管的控制电路，可装在车内的一个防尘箱内或装在车下的防水箱内。二是半集中式逆变器，常是晶体管逆变器，分装在车上防尘箱内或集装在车上或车下共用箱子里。三是单独逆变器，是种晶体管逆变器，常装在车上尽可能靠近灯管的地方，箱体起散热器作用，周围空气必须流通。

二、中央电气盒的选择

中央电气盒是全车电源分配的总枢纽。内部主要是保险丝和继电器，智能型的电气盒内部还包含电子控制元器件。中央电气盒按照连接方式可分为硬线型和PCB型，两者区别在于前者是导线通过端子直接连接到电气盒，后者是通过接插件连接到电气盒；如果按照是否含有电子控制单元划分的话，中央电气盒又可分为普通型与智能型。一般在房车电源设计中根据以下三点综合考量最优中央电器盒：

第一，成本。通常PCB型比硬线型成本高，但并不意味着PCB型就比硬线型有更多优点。从电气性能角度讲恰恰相反，硬线型有着更优表现，因为中央电气盒内部有许多保险丝继电器，它们在工作时会散发出很多热量，而热量的聚集会使温度升高从而降低保险丝继电器的性能。相比之下，硬线型的中央电气盒有更多的散热通道且上下贯通，这就大大减少了热量的聚集使保险丝继电器有一个更优的工作环境。

第二，环境及空间。通常不同的车辆提供给电气盒使用的空间形状相异性很大。而PCB 型的电器盒由于其制造工艺性通常会设计成较规则的长方体型或正方体型，它对空间的需求相对来说会是一个比较规则的矩形体；而硬线型的电器盒却没有这方面要求，它可以根据复杂的车身环境空间，因地制宜设计成异形，因而其适应性也就相对较好些。

第三，电气架构。智能型电气盒是将普通型的电气盒与车身控制器集成起来更节省空间。在中高端房车中，由于车身结构复杂、电气设备多，所以空间更为紧张，在这种情况下智能电气盒节省下来的空间就弥足珍贵。智能型电气盒可通过CAN Bus与其他电器设备，如组合开关进行通信，大大减少信号线的数量；与其他电气盒通信，可以很大程度上缩短电源线的长度。

三、断路器与漏电保护器的选择

断路器是控制电气回路的分盒开关，若以空气为灭弧介质的成空气断路器，若以六氟化硫气体为灭弧气质的称六氟化硫断路器。断路器一般以额定电流选择作为电气回路的总开关使用，可同时断开相线和中性线并具备短路、过载及过电压的保护功能。漏电保护器是指用于漏电保护的电气装置，主要用于对有致命危险的人身触电提供间接接触保护，以及防止电气设备或线路因绝缘损坏发生接地故障由接地电流引起的火灾事故，从而避免车辆发生火灾。因此，断路器与漏电保护器的选择相当关键。

大多数的房车上有很多的电器负载，通常可分为阻性负载和感性负载。阻性负载在工作过程中，电流相对稳定，很少出现长时间的电流大幅波动，所以通常为这类负载选择快熔型断路器与漏电保护器，以期在回路发生短路时断路器与漏电保护器尽快断开。但感性负载则与此不同，它们在工作过程中会出现较长时间的超出额定电流一倍甚至数倍的电流，这时候慢熔型断路器与漏电保护器的开断特性恰好满足这类感性负载的工作要求。但在实际设计中，还要灵活运用，结合断路器与漏电保护器的容量综合考虑[2]。

漏电保护器作为接地故障保护电器具有很高的灵敏度，当人体不慎直接触及绝缘外壳破损的设备内的相线时，能在数十毫秒的瞬间切断仅以毫安计的故障电流，避免发生电击致死事故，但这种高灵敏度也容易造成误动，影响供电的可靠性和稳定性。造成漏电断路器误动和拒动的因素很多，如供电回路的操作过电压和感应雷电过电压，电子设备产生的对地电容电流，电视机、变频空调、电子镇流器等产生的高次谐波，电流直流分量过大等都会造成漏电保护器的误动和拒动。

四、导线线径的选取原则

一般将房车上的空间根据工作温度的不同将其划为几个温区，如排气管附近温度最高，发动机本体上次之，发动机舱内再次之，最后是乘客舱。导线线型的选取主要根据温度来为不同的温区选择不同温度等级的线型。选择好线型后要为每根回路选择线径。根据导线所传输的内容不同，可将导线分为：电源线、接地线和信号线。顾名思义，电源线主要作用是给负载供电；接地线主要作用是给负载提供电流回流到蓄电池负极的通路；信号线主要作用是在不同的模块器件之间传输信号。

1、电源线

导线与保险丝的匹配主要体现在短路时。当短路发生时，保险丝和导线同时通以同样大小的电流，这个电流比正常工作电流大很多倍，比如温度等级为80℃的0.5的导线在环境温度为40℃时的极限工作电流为10多A，但在短路时可达到100多A，此时导线和保险丝电阻虽然很小，但在短路电流通过时会在瞬间发出大量的热量，当热量达到一定时，保险丝会因温升而熔断，导线就会因芯线的温升而导致绝缘层熔毁，如果这时保险丝先熔断，而此时导线绝缘层完好，则导线和保险丝是匹配的；如果导线的绝缘层已经开始熔毁但保险丝却没有熔断，则导线和保险丝是不匹配的，而且存在发生火灾的隐患。

2、接地线

接地线线径的选择与电源线有所不同。电源线是根据保险丝容量来选取的，而接地线则可以根据负载直接选择，这是由接地线的主要作用决定的。所以在房车电源设计中常常可以看到在负载的两端，电源线和接地线的线径并不一致。如给两个前雾灯共用1 个15A的保险丝，其电源线需选择法标的0.75或日标的0.85，或更大一级的线径来匹配15A的保险丝，但其接地线却可根据负载的大小直接选择0.5。如果将接地线使用与电源线一样大的线径，反而是一种浪费，有违绿色设计理念。

随着国人对房车的需求和认知水平不断地提高，房车的电气安全性能已经作为一项决定房车品质的重要内容越来越多的引起汽车产品制造商的关注。如何建立一套完整的房车电源分配系统计算方法和过程已成为所有汽车产品制造商的一项共同课题。