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车辆启动瞬间电压降低的原因及解决方案
来源:本站整理  作者:佚名  2014-03-05 13:43:47



    夜间启动车辆,在发动机的启动瞬间,大家都能够明显感觉到车辆内部灯暗一下,然后又变亮。这是由于汽车起动瞬间,整车电压被拉低造成的。起动瞬间蓄电池电压降低,这个过程不可避免。电压被拉低,会造成内部灯和仪表背光短时变暗、部分电磁阀不能正常工作、ABS报警灯误报警、起停功能被禁止等。本文试图全面分析这个问题并提供多渠道的解决方案。

    1 汽车起动系统的构成
汽车发动机的起动由起动系来完成。起动系包括起动控制子系统(即起动控制电路)和起动能量供应与转换子系统。起动控制电路包括点火开关、起动继电器、起动机电磁开关线圈。起动能量供应与转换子系统包括蓄电池、起动机电磁开关触片、起动机电枢、线束等,这些构成起动主回路。图1为汽车起动电路图。在控制系统的作用下,起动机旋转的小齿轮与发动机飞轮啮合,带动发动机飞轮旋转,实现发动机的起动。

    2 汽车起动瞬间蓄电池电压低的原因
    2.1起动回路蓄电池内阻分压造成整车电压低
起动主回路组成及电流流向是:蓄电池正极→起动机电源接线柱→电磁开关触片→电枢绕阻→搭铁→蓄电池负极。在起动过程中特别是在起动瞬间,由于起动机转速为0,不产生感生电势,故起动电流为I=EB/(RM+RB+RL)式中,EB———蓄电池开路端电压;RM———起动机电枢电阻;RB———蓄电池内阻;RL———起动主回路电缆电阻。乘用车蓄电池标称电压12V,实际车辆蓄电池电压为12~12.7V;按照国家标准,电磁开关触片接触电阻应低于1mΩ;性能优良的蓄电池内阻一般为6~8mΩ;起动机连接电缆一般要求低于1mΩ;起动机内阻也为数毫欧;总电阻为十多毫欧。
    在汽车起动时,蓄电池要带动起动机旋转。在电磁开关接通的瞬间,因起动机电枢没有旋转,没有建立起反电动势,相当于起动机短路,起动主回路总电阻仅为十多毫欧,起动电流很大,极端的情况瞬间起动电流达1000A。不考虑其它因素,根据欧姆定律,理论计算,起动主回路中蓄电池内阻电压降即达到8V,蓄电池输出电压仅有4~4.5V。这样的低电压,整车电器难以正常工作。图2是试验中测试到的某款车起动瞬间整车电压图形,资料表明该款车用12V、45Ah的蓄电池起动1.9L柴油机的汽车,蓄电池的电压在起动瞬间由12.6V降到约3.2V!

    笔者在试验中测得的瞬间电压和电流的波形见图3。

    该测试是在25~30℃的环境条件下进行的。毫伏级电压信号乘以转换系数13.33即为电流信号。在常温下,该款车蓄电池电压由于连续工作低于11.6V时,起动瞬间最低电压低于9V,起动最大电流210A。

    2.2蓄电池大电流放电造成蓄电池输出电压低
    理论上,蓄电池电压由正负极活性物质、电解质的组成决定。在标准条件下,可从自由能数据计算而来。负极氧化电位+正极还原电位=标准蓄电池标称电压。实际蓄电池电压受电解液离子的浓度和温度影响很大。
    铅酸蓄电池负极反应方程:Pb2++SO2-4=PbSO4铅酸蓄电池正极反应方程:PbO2+4H++SO2-4=PbSO4+H2O25℃时,Pb2+的自由能为-0.13V,PbSO4的自由能为-0.36V,PbO2的自由能为+1.69V,铅酸蓄电池理论电压为1.69+0.13+0.36=2.18V。

    电解质离子数决定着电极反应的速度,而电极反应的速度决定着放电电流的大小。放电电流大,蓄电池内阻的压降大,蓄电池输出电压低;当蓄电池大电流放电的时候,一方面:电解液中的离子数被消耗迅速减少,电离和化学反应速度相对于电是缓慢的,活性物质总自由能变小,相当于蓄电池容量变小;另一方面,大电流放电,电解质与活性物质之间的电化学反应更多的是在蓄电池极板表面进行,生成的PbSO4形成结晶,在活性物质表面产生阻塞,使反应无法深入活性物质内部,蓄电池内阻升高,又造成蓄电池输出电压变低。蓄电池极板内部结构示意图如图4所示。图4的右图,极板表面布满了硫酸铅晶体,内部的活性物质难以发挥作用,造成起动瞬间蓄电池输出电压低。

   3 整车电压低的影响
    由于众多因素的共同作用,在起动瞬间,蓄电池输出电压即整车电压降低。标称12V的蓄电池,降低20%即降低到9.6V是可以接受的。国家标准规定整车电器在9~16V之间应能正常工作。现代汽车电器基本也能做到在9~16V之间正常工作。但是,由于蓄电池老化,蓄电池的电压会降低到8V以下,在寒冷的冬天,电压可能会瞬间降到6V左右,对整车功能造成重大影响。

    在低电压的情况下,整车最常见的故障是报警灯亮。汽车ECU均有检测供电电压的功能,ECU检测到整车电压低于8V,就记录1个故障,发出信号,使仪表点亮报警灯;危害最大的是一些电磁阀不能可靠吸合,造成整车功能故障;现代汽车起停功能正在成为标配的功能,起停控制器检测到整车电压低于8V后,会禁止起停功能;另外,整车电压低,整车电器功能有瘫痪的风险。因为整车ECU中的逻辑运算单元需要稳压才能正常工作,而稳压模块的输入电压不能低于特性值,例如最常见的ECU稳压模块7805,它要求输入电压为7~35V,才能输出稳定的+5V供给逻辑运算单元。否则各ECU中的逻辑运算单元不能可靠工作。整车电器功能也就无法正常运转。

    4 稳定整车电压的措施
    4.1传统车
    采取的是通过点火开关分时供电的方法,来避开起动瞬间整车电压低的时间段。点火开关分LOCK(KL30)、ACC(KLR)、ON(KL15)、START(START)4个触点档位位置。在起动的START位置,KLR断开,刮水器、点烟器、内部灯、仪表背光灯、空调鼓风机、CD、DVD等接在KLR,在起动瞬间不给这些舒适系统的单元供电,以便保证起动所需要的电流,同时避免这些部件非正常工作。点火开关外形图见图5,点火开关档位图见图6。

    4.2停车怠速熄火功能车
在低油耗、低CO2排放指标的推动下,各大汽车厂争相开发停车怠速时具有自动控制熄火功能的汽车,或称具有起停功能的汽车。停车怠速熄火汽车与传统燃油汽车相比,具有更多的起动发动机的次数,是传统燃油车的10倍多。起动瞬间,电压降低对系统影响的概率更大。为了解决起动瞬间电压降低影响电器功能的问题,BOSCH公司开发了DC-DC模块,为在起动瞬间需要正常工作的汽车电器件提供稳定的12V电压。

    DC-DC电压输入输出波形及控制逻辑见图7。蓄电池的输出即DC-DC的输入(POWERIN),在蓄电池的输出低至4V的情况下,DC-DC依然能够保持12±0.5V的电压输出(POWEROUT),确保部分电器在起动瞬间也能正常工作。这些电器包括仪表、导航、收音机、内部背光灯等。

    这种方案的优点是对整车电器改变较小,能够快速构建汽车起停系统。但这种方案属于修补式的方案,给整车布置带来了麻烦。而且DC-DC价格比较高,约占整车电器总价的6%。目前除奔驰、宝马、奥迪、大众和上海通用以外,与博世合作搭载起停系统,即使用DC-DC的整车厂家还有长安、长城、吉利、一汽、东风、海马、华晨、比亚迪以及江淮等。

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关键词:电压降低

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