用電過載引發(fā)汽車電源設(shè)計(jì)新思考
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隨著汽車電子系統(tǒng)的增多和汽車電力供電系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的加重，設(shè)計(jì)工程師如何才能減輕各種各樣汽車用電設(shè)備的影響？雖然這些用電設(shè)備的平均功率需求以每年110W的速度持續(xù)增長(zhǎng)，實(shí)際上這不是一個(gè)小數(shù)，因?yàn)槲覀円呀?jīng)看到汽車電子系統(tǒng)的用電量已經(jīng)讓供電系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行。問題是什么才是讓汽車供電系統(tǒng)崩潰的“最后一根稻草”？什么時(shí)候會(huì)發(fā)生這種情況？
當(dāng)混沌系統(tǒng)行為受到某種壓力因素作用的時(shí)候，如果該壓力因素的增長(zhǎng)悄無聲息，最終會(huì)接近一個(gè)崩潰點(diǎn)或傾翻點(diǎn)。隨著對(duì)汽車PowerNet需求的增加，汽車上正在發(fā)生這種情況。從電網(wǎng)穩(wěn)定度的觀點(diǎn)看，這種情況并不是如此嚴(yán)重，因?yàn)橛衅囆铍姵氐姆€(wěn)定作用。
PowerNet瞬間波動(dòng)所帶來的問題
如上所述，21世紀(jì)的汽車電子系統(tǒng)高度依賴于軟件，因此，越來越易于受到PowerNet可變性的影響，并且擁擠雜亂的電力分配網(wǎng)絡(luò)對(duì)用電量的瞬間變化更為敏感。制造商要在更敏感的電子模塊中安裝電源線濾波和較大的電容器組，以解決日益惡化的電源分配網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題。實(shí)際上依然是所有電子模塊都具有不同級(jí)別的噪聲免疫性；有時(shí)在已惡化的電源分配網(wǎng)絡(luò)與模塊本身負(fù)載開關(guān)的共同作用下，可能導(dǎo)致軟件故障。造成如此混亂的原因在于：微處理器或一些支持邏輯功能易于受到同時(shí)出現(xiàn)的電源線波動(dòng)、涌動(dòng)和負(fù)載驅(qū)動(dòng)脈沖的影響。
目前，汽車制造商正尋求利用超級(jí)電容分布式模塊或本地電能儲(chǔ)存器件，那就可以向與ECU有關(guān)的位置提供平滑和穩(wěn)定的PowerNet。下圖描述分布式電子模塊、機(jī)電傳動(dòng)裝置和超級(jí)電容部分儲(chǔ)能器件之間實(shí)現(xiàn)平衡的分層視圖。
在這個(gè)高度簡(jiǎn)化的描述中，超級(jí)電容分布模塊或雙層電容(DLC)緊靠高耗能用電負(fù)載，如EPS(1.2KW)、電子機(jī)械剎車(1到2KW)和新型照明系統(tǒng)(如最近出現(xiàn)的白光LED頭燈)。本地分布式模塊為高峰負(fù)載供電，避免造成來自交流發(fā)電機(jī)和電池的14V電源線出現(xiàn)強(qiáng)烈的波動(dòng)。
高耗能負(fù)載的切換，如上圖中加亮的那些部分對(duì)汽車電力分配網(wǎng)絡(luò)—14VPowerNet—有重大的干擾。例如，在一些最新提出的EPS設(shè)計(jì)中，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)有130A的電力需求，最高達(dá)到160A。過去，人們假設(shè)EPS電力需求在85A(1.2KW)到130A(1.8KW)范圍內(nèi)，如果超出那個(gè)范圍就表示PowerNet處于最壞供電狀態(tài)，就可能危及EPS的正常運(yùn)行。當(dāng)引擎幾乎處于怠速且連續(xù)負(fù)載已經(jīng)是27A加67A或1.3KW時(shí)，把1.2到1.8KW的瞬時(shí)負(fù)載加在PowerNet上，意味著電力分配系統(tǒng)的電壓波動(dòng)為14.2V到12.8V；這也是電池電位的波動(dòng)范圍。如果電力分配系統(tǒng)電壓下降10%，那么，那么從前大燈變暗就顯而易見，并且EPS性能也會(huì)退化，更不要提PowerNet瞬態(tài)波動(dòng)傳導(dǎo)到所有其它相連ECU所引起的問題了。
負(fù)載平滑方法
本文前半部分描繪了汽車附件電力瞬態(tài)超載的情況，這里將通過仿真對(duì)此做進(jìn)一步的解釋。在圖解說明的過程中，假設(shè)電動(dòng)助力系統(tǒng)(EPS)工作的過程中，引擎管理和一些氣候控制電子系統(tǒng)也在連續(xù)地工作。假設(shè)EPS從汽車電力線(PowerNet)上持續(xù)300ms吸取90A的電流，例如，在堅(jiān)硬的路面上做變道機(jī)動(dòng)或以低速在停車場(chǎng)駐車。
在如下所示的第一種情況下，當(dāng)PowerNet相對(duì)處于重載時(shí)EPS被激活，但是，沒有安裝超級(jí)電容電力分配模塊。相連負(fù)載代表27A的引擎管理、55A的氣候控制和15A的遙控電子控制單元(ECU)。例如，該遙控ECU可能是音響模塊，并有意顯示為采用本地電解電容器做濾波和平滑。
圖：該P(yáng)owerNet為處于工作狀態(tài)的EPS供電，但是，沒有安裝超級(jí)電容分配模塊。
在上圖中，汽車充電系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)和鉛酸電池來表示。在這種情況下，要利用Ansoft公司的汽車工具箱之中的Simplorer電化學(xué)建模工具對(duì)電池進(jìn)行比較詳細(xì)的建模。PowerNet被高度簡(jiǎn)化為由線規(guī)電阻建模的四個(gè)分支電路，包括引擎控制、車箱氣候控制、本地ECU和EPS(最右邊)。PowerNet分配點(diǎn)被標(biāo)注為PDB或電力分配箱。
評(píng)論