用電附件過載引發(fā)汽車電源設(shè)計(jì)新思考

　隨著汽車電子功能的爆炸式增長，越來越豪華的汽車是否會危及乘客安全呢？這就是汽車過電氣化問題的起源，設(shè)計(jì)工程師要采取什么舉措才能避免潛在的危險(xiǎn)呢？

　　回憶過去(不那么遙遠(yuǎn)以前)，駕駛著你爸的老爺車，AM/FM收音機(jī)、磁帶錄放機(jī)和汽車空調(diào)標(biāo)志著那個(gè)時(shí)代豪華汽車的最高水平了。如今，許多人難以想象，全家人的公路之旅幾乎都配備了衛(wèi)星導(dǎo)航GPS、每一個(gè)乘客單獨(dú)的DVD播放機(jī)、車內(nèi)氣候控制、加熱座椅、巡航控制、無線接入以及提醒駕駛員車燈一直開著的語音提示功能，引擎要持續(xù)為這些電子系統(tǒng)供電，否則，車上這些設(shè)備將變成華而不實(shí)的擺設(shè)。

　　隨著汽車電子和電氣附件的增加，制造商如何通過提供足夠的電源來滿足其要求呢？一旦出現(xiàn)電壓浪涌或下跌，會發(fā)生什么情況？更為豪華的汽車是否會危及乘客的安全？要采取什么解決方案才能確保高度電氣化的汽車維持足夠的電源？

　　附件功耗呈現(xiàn)上升之勢

　　汽車電子和電器設(shè)備以平均每輛車每年超過110W的速度遞增，最近，過去由機(jī)械力和液壓力推動的系統(tǒng)都改由電力驅(qū)動，對電能的大部分需求都源于此。上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)具有存儲容量大約為8KB電子控制單元；而現(xiàn)代的第五代ABS硬件配備128KB的存儲器，大小僅僅為早期系統(tǒng)的40%。由于設(shè)計(jì)精巧和創(chuàng)新，現(xiàn)代電氣/電子系統(tǒng)對功率的要求通常比最初推出的系統(tǒng)要小。

　　下表總結(jié)了現(xiàn)代汽車的汽車電氣/電子系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)(和負(fù)載)：

　　發(fā)動機(jī)管理

　　多媒體和加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)

　　車身電子

　　底盤電子

　　照明(外部和內(nèi)部)

　　未來的系統(tǒng)

 
　　表中所列的用電負(fù)載是連續(xù)和間歇運(yùn)行的部件的混合體。然而，汽車電力充電系統(tǒng)的組成部分至少要包括交流發(fā)電機(jī)、蓄電池和電力配線系統(tǒng)(也就是PowerNet)，它必須完全持續(xù)地支持引擎管理功能以及大部分的多媒體和HVAC功能，并根據(jù)駕駛條件和消費(fèi)者的用途支持其余類別的汽車電子系統(tǒng)。

　　表中的兩類(引擎管理、多媒體和HVAC)汽車電子系統(tǒng)需要汽車電力系統(tǒng)提供102A的電流。這一點(diǎn)很重要，為了描述附件超載的電流狀態(tài)，要注意：為了在不增加電池的條件下支持102A的負(fù)載，交流發(fā)電機(jī)必須具備大約兩倍的額定電流—204A。原因在于：當(dāng)引擎低速運(yùn)行且怠速時(shí)，汽車交流發(fā)電機(jī)僅僅可以產(chǎn)生一半的電能。這就需要大型的交流發(fā)電機(jī)，在標(biāo)稱系統(tǒng)電壓為14.2V的PowerNet上，它必須提供2,840W的功率。

　　如果以不同的占空周期把其余的四個(gè)子系統(tǒng)的用電負(fù)載包含在汽車的負(fù)載調(diào)查表中，就有可能輕易地超過交流發(fā)電機(jī)的供電能力。當(dāng)這種情況出現(xiàn)于現(xiàn)在的汽車上時(shí)，PowerNet的電壓就會下降，直到系統(tǒng)電壓與電池內(nèi)部12.8V的電壓匹配，此時(shí)，蓄電池開始為總的用電負(fù)載提供一部分電能。這種效應(yīng)被稱為電池分配(battery contribution)。

　　電池分配是一種周期性的事件，它隨機(jī)地為不定期工作的用電負(fù)載供電，如乘員室的自動溫度控制、旋轉(zhuǎn)方向盤的事件；或?yàn)橄M(fèi)者所選擇的確定性負(fù)載供電，如音響或?qū)Ш街?。這些周期性事件就是電池耗盡的原因，并最終導(dǎo)致需要更換電池。

　　關(guān)于該表要注意的最后一點(diǎn)是：如果考慮車身電子、照明和底盤電子等子系統(tǒng)的間歇性負(fù)載，對汽車充電系統(tǒng)的需求就真的是附件超載(accessory overload)。將來的系統(tǒng)將持續(xù)這種趨勢。

　　汽車制造商因此正采取步驟降低因電子系統(tǒng)泛濫所造成的電氣系統(tǒng)超載問題。這些措施包括：提高現(xiàn)有用電附件的效率；功能集成以消除重復(fù)的控制電子系統(tǒng)，從而降低控制系統(tǒng)的耗電；縮小機(jī)械傳動裝置，例如，對ABS創(chuàng)新使之能夠以更小、更低的功耗提供預(yù)期的功能。(改寫)

　　電力需求無窮無盡

　　實(shí)際情況依然是：在不遠(yuǎn)的將來，附件超載將繼續(xù)猛烈如初，因?yàn)橄M(fèi)者需要越來越多的新特色和功能。從下圖可見4代汽車電子系統(tǒng)的演變進(jìn)程。

　　從1968年到上世紀(jì)70年代，第一代汽車電子系統(tǒng)包括電動助力窗、電動門鎖、空調(diào)、電子燃油注入和電子點(diǎn)火，這些系統(tǒng)對于滿足那個(gè)時(shí)代的排放規(guī)則的要求是必需的，并演變到采用電動助力轉(zhuǎn)向。

　　從上世紀(jì)80年代到90年代早期，第二代汽車電子系統(tǒng)包括ABS、防盜系統(tǒng)和更為先進(jìn)的電子引擎控制系統(tǒng)，以滿足限制尾氣排放的法規(guī)的要求。第二代汽車電子系統(tǒng)因采用軟件控制功能和專用電子控制單元而成為可能，如早期的引擎控制單元(ECU)通過基于傳感器的閉環(huán)控制及取代了老式機(jī)械系統(tǒng)的電子機(jī)械傳動裝置來管理燃油、火花塞放電和廢氣的再循環(huán)。

　　第三代汽車電子功能因引入更為強(qiáng)大的微處理器而成為可能，例如以80186取代8080，并能夠處理更多的控制功能。這就引出了更為先進(jìn)的功能，如多工通信和分布式計(jì)算功能、巡航控制、導(dǎo)航功 能以及自動化程度更高的空調(diào)系統(tǒng)，并改善了變速箱，實(shí)現(xiàn)了人力操縱傳動的自動化，采用了更為先進(jìn)的氣囊。在第三代汽車電子時(shí)代，車載娛樂系統(tǒng)采用了數(shù)字信號處理器(DSP)，提高了分布式電子系統(tǒng)架構(gòu)的性能，擴(kuò)展了諸如控制器局域網(wǎng)(CAN)之類多工通信的應(yīng)用。

　　利用更高級別的分布式汽車電子系統(tǒng)，就有可能從儀表盤面板中騰出新的空間，因?yàn)橹挥锌刂菩畔⑹切枰x取的。上世紀(jì)90年代的音響系統(tǒng)就是這種趨勢的一個(gè)例證，其中，收音機(jī)機(jī)芯和音響放大器級都安裝到汽車車身的后窗臺區(qū)域之中，儀表盤面板上僅僅留下顯示器和開關(guān)。車內(nèi)氣候電子控制、導(dǎo)航系統(tǒng)、CD換碟器等等之類的系統(tǒng)也出現(xiàn)了類似的趨勢。

　　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(gè)以上的微處理器和35到100個(gè)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(jià)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(shí)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(gè)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(gè)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。

　　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(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悄無聲息，最終會接近一個(gè)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囆铍姵氐姆€(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(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、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(gè)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(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(shí)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(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。

　　當(dāng)EPS工作時(shí)，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(shí)，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(shí)，造成PowerNet的瞬態(tài)波動

　　在上圖的曲線中，從左到右、從頂向下依次為：交流發(fā)電機(jī)輸出電流、電池電流、電池電壓、EPS電流和本地ECU端的電壓。注意，在EPS瞬時(shí)被激活前，電池需要20A的連續(xù)充電電流。在此仿真中，假設(shè)電池充電狀態(tài)為低，需要充電。關(guān)鍵點(diǎn)是ECU終端電壓的高可變性：13.8V到13.2V，再到 12.2V，然后，回到13.2V。這是非常具有破壞性的瞬時(shí)電壓波動，其波動范圍超過了大型電解濾波電容器的平滑能力。

　　在汽車電力分配網(wǎng)絡(luò)上會出現(xiàn)許多此類瞬時(shí)波動現(xiàn)象，以至于汽車電力環(huán)境充滿了此類噪聲，讓各種ECU受到電源線上寬范圍的上下波動的影響。

     圖：該P(yáng)owerNet電路為已激活的EPS供電并包含一個(gè)超級電容分布式模塊(右上)

　　上圖與前一張PowerNet電路圖相同，但是，增加了放置在EPS負(fù)載點(diǎn)的超級分布式模塊。這個(gè)超級模塊是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車設(shè)計(jì)產(chǎn)品，它在大的用電負(fù)載附近像電池一樣提供穩(wěn)定和平滑的PowerNet。所有其它地方一樣，存在超級分布式模塊的地方，就可以容易地在PowerNet和ECU電壓上觀察到平滑作用。

　　圖：當(dāng)EPS被激活時(shí)，超級電容器分布式模塊平滑了PowerNet上的電源波動

　　在上圖中可見，配備超級電容器分布式模塊的PowerNet顯示了好得多的響應(yīng)行為。注意：顯示的刻度發(fā)生了變化，電源的變化范圍比沒有采用超級電容器模塊時(shí)要小得多。重要的一點(diǎn)是：EPS電流不變，所以，其功能保持不變。超級電容器分布式模塊的突出特征在于：極大地降低了為本地ECU供電的 PowerNet的另外一個(gè)分支電路的終端電壓上的電源線干擾(右下線跡)。

　　基于碳超級電容器技術(shù)的分布式模塊或本地儲能的好處在于：穩(wěn)定PowerNet的效率很高，即使在汽車的遠(yuǎn)端分支電路中也有助于平滑和穩(wěn)定電源線。

　　在不遠(yuǎn)的將來，汽車電子功能和特色內(nèi)容將持續(xù)增長，隨之而來的是日益增加的附件導(dǎo)致電力分配系統(tǒng)超載。大的連續(xù)電力加載正把汽車充電系統(tǒng)推向超載，越來越多和越來越大的耗電設(shè)備所產(chǎn)生的負(fù)載瞬時(shí)電壓波動，讓非常復(fù)雜和高度分布的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)很可能受到破壞。

　　為了看清楚這一點(diǎn)，考察一下典型汽車上的空調(diào)壓縮機(jī)以及中等美國家庭中安裝的空調(diào)機(jī)的制冷能力，就可以看到車內(nèi)送風(fēng)電機(jī)實(shí)際上比家用中央加熱系統(tǒng)的耗電要大得多。其它許多車內(nèi)用電設(shè)備也類似。所有這些用電設(shè)備都安裝在非常有限的空間內(nèi)，因而常?！皳肀А睙崃亢驼駝?。

　　超級電容器分布式模塊可以取代兩到三個(gè)鉛酸蓄電池，從而為乘用車提供供電解決方案，并且它為電力系統(tǒng)提供了足夠的濾波。在某種程度上說，可以稱之為迫近傾翻點(diǎn)。對于汽車制造商來說，要重新安排PowerNet并把電力分配系統(tǒng)的電壓增加3倍以達(dá)到所提議的42V標(biāo)準(zhǔn)，超級電容器分布式模塊將是必不可少的。單單依靠它的作用就能把本文討論的電力分配系統(tǒng)的電流減少1/3。

　　此外，為了滿足特定功能的要求，一些過渡性系統(tǒng)已經(jīng)向著這個(gè)方向發(fā)展，利用超級電容器分布式模塊技術(shù)把本地12V電池供電電壓提升到30V甚至更高；EPS就是這樣一種功能，微型混合動力(與怠速停車系統(tǒng)有關(guān))是在汽車中提供更高電壓的另一個(gè)例子。