用電附件過載引發(fā)汽車電源設(shè)計(jì)的新思考

在第四代汽車電子系統(tǒng)階段，微處理器和數(shù)字信號處理器在汽車中的應(yīng)用更為普及。這些21世紀(jì)的系統(tǒng)中，每輛車的汽車電子系統(tǒng)采用了40到80個以上的微處理器和35到100個以上的電機(jī)。新的系統(tǒng)由軟件控制，并廣泛地依賴于廉價和魯棒的存儲器硬件的可用性。

　　將來汽車中電子系統(tǒng)的數(shù)量可能不會像二代時增長那么快，但是，軟件系統(tǒng)將呈指數(shù)增長。例如，目前正呈現(xiàn)的一個趨勢就是通過免疫系統(tǒng)工程把在線診斷(OBD)升級為下一代的OBD1。之所以出現(xiàn)這種趨勢是因?yàn)椋耗壳暗南到y(tǒng)復(fù)雜性如此之高，以至于接近2/3的故障模式根本無法解讀，并且將繼續(xù)惡化。

　　要診斷未來的汽車電子系統(tǒng)，將需要擴(kuò)充在線計(jì)算軟件以執(zhí)行診斷，因?yàn)閷淼南到y(tǒng)所包含的電氣化高安全性子系統(tǒng)比現(xiàn)有的系統(tǒng)要多一個數(shù)量級以上，這些高安全性子系統(tǒng)包含在此已討論過的電氣化子系統(tǒng)及更多的子系統(tǒng)。目前，電子節(jié)氣門控制(ETC)和電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)已經(jīng)被延伸到電子穩(wěn)定程序(ESP)系統(tǒng)，以管理汽車縱向運(yùn)動控制到電子受控剎車(ECB)系統(tǒng)等等功能。這些子系統(tǒng)成為表中所列的第6類?！?P>PowerNet穩(wěn)定性

　　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，實(shí)際上這不是一個小數(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”？什么時候會發(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候，如果該壓力因素的增長悄無聲息，最終會接近一個崩潰點(diǎn)或傾翻點(diǎn)。隨著對汽車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?NOBR id=nobr141 style="CURSOR: pointer; COLOR: #cb4bfc; BORDER-BOTTOM: rgb(102,0,255) 1px dotted; BACKGROUND-COLOR: transparent; TEXT-DECORATION: underline" jQuery1276431751921="56">電池的穩(wěn)定作用。

PowerNet瞬間波動所帶來的問題

　　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別的噪聲免疫性；有時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出現(xiàn)的電源線波動、涌動和負(fù)載驅(qū)動脈沖的影響。

　　目前，汽車制造商正尋求利用超級電容分布式模塊或本地電能儲存器件，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)電傳動裝置和超級電容部分儲能器件之間實(shí)現(xiàn)平衡的分層視圖。

　　在這個高度簡化的描述中，超級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。

　　高耗能負(fù)載的切換，如上圖中加亮的那些部分對汽車電力分配網(wǎng)絡(luò)—14V PowerNet—有重大的干擾。例如，在一些最新提出的EPS設(shè)計(jì)中，電動助力轉(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，把1.2到1.8KW的瞬時負(fù)載加在PowerNet上，意味著電力分配系統(tǒng)的電壓波動為14.2V到12.8V；這也是電池電位的波動范圍。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性能也會退化，更不要提PowerNet瞬態(tài)波動傳導(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 過仿真對此做進(jìn)一步的解釋。在圖解說明的過程中，假設(shè)電動助力系統(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)動或以低速在停車場駐車。

　　在如下所示的第一種情況下，當(dāng)PowerNet相對處于重載時EPS被激活，但是，沒有安裝超級電容電力分配模塊。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)建模工具對電池進(jìn)行比較詳細(xì)的建模。PowerNet被高度簡化為由線規(guī)電阻建模的四個分支電路，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。

　　當(dāng)EPS工作時，下圖描繪了上述電路引起的PowerNet瞬態(tài)波動。注意：當(dāng)電力分配網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時，交流發(fā)電機(jī)提供給電池的最初充電電流。

圖：當(dāng)EPS被激活時，造成PowerNet的瞬態(tài)波動。