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用電過(guò)載引發(fā)汽車(chē)電源設(shè)計(jì)新思考

發(fā)布時(shí)間:2010-06-01

中心議題:
  • 汽車(chē)電子系統(tǒng)功耗分布
  • 汽車(chē)電子系統(tǒng)PowerNet穩(wěn)定性
  • 負(fù)載平滑方法
解決方案:
  • 安裝電源線濾波和較大的電容器
  • 增加放置在EPS負(fù)載點(diǎn)的超級(jí)分布式模塊
隨著汽車(chē)電子功能的爆炸式增長(zhǎng),越來(lái)越豪華的汽車(chē)是否會(huì)危及乘客安全呢?這就是汽車(chē)過(guò)電氣化問(wèn)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(guò)去(不那么遙遠(yuǎn)以前),駕駛著你爸的老爺車(chē),AM/FM收音機(jī)、磁帶錄放機(jī)和汽車(chē)空調(diào)標(biāo)志著那個(gè)時(shí)代豪華汽車(chē)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(chē)內(nèi)氣候控制、加熱座椅、巡航控制、無(wú)線接入以及提醒駕駛員車(chē)燈一直開(kāi)著的語(yǔ)音提示功能,引擎要持續(xù)為這些電子系統(tǒng)供電,否則,車(chē)上這些設(shè)備將變成華而不實(shí)的擺設(shè)。
  
隨著汽車(chē)電子和電氣附件的增加,制造商如何通過(guò)提供足夠的電源來(lái)滿足其要求呢?一旦出現(xiàn)電壓浪涌或下跌,會(huì)發(fā)生什么情況?更為豪華的汽車(chē)是否會(huì)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(chē)維持足夠的電源?
  
附件功耗呈現(xiàn)上升之勢(shì)
  
汽車(chē)電子和電器設(shè)備以平均每輛車(chē)每年超過(guò)110W的速度遞增,最近,過(guò)去由機(jī)械力和液壓力推動(dòng)的系統(tǒng)都改由電力驅(qū)動(dòng),對(duì)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(chē)系統(tǒng)(ABS)具有存儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)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(chē)的汽車(chē)電氣/電子系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)(和負(fù)載):
  •   發(fā)動(dòng)機(jī)管理
  •   多媒體和加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)
  •   車(chē)身電子
  •   底盤(pán)電子
  •   照明(外部和內(nèi)部)
  •   未來(lái)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(chē)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(lèi)別的汽車(chē)電子系統(tǒng)。[page]
  
表中的兩類(lèi)(引擎管理、多媒體和HVAC)汽車(chē)電子系統(tǒng)需要汽車(chē)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(chē)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(chēng)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(chē)的負(fù)載調(diào)查表中,就有可能輕易地超過(guò)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(chē)上時(shí),PowerNet的電壓就會(huì)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(kāi)始為總的用電負(fù)載提供一部分電能。這種效應(yīng)被稱(chēng)為電池分配(batterycontribution)。
  
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(dòng)溫度控制、旋轉(zhuǎn)方向盤(pán)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(chē)身電子、照明和底盤(pán)電子等子系統(tǒng)的間歇性負(fù)載,對(duì)汽車(chē)充電系統(tǒng)的需求就真的是附件超載(accessoryoverload)。將來(lái)的系統(tǒng)將持續(xù)這種趨勢(shì)。
  
汽車(chē)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(wèn)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(dòng)裝置,例如,對(duì)ABS創(chuàng)新使之能夠以更小、更低的功耗提供預(yù)期的功能。
  
電力需求無(wú)窮無(wú)盡
  
實(shí)際情況依然是:在不遠(yuǎn)的將來(lái),附件超載將繼續(xù)猛烈如初,因?yàn)橄M(fèi)者需要越來(lái)越多的新特色和功能。從下圖可見(jiàn)4代汽車(chē)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(chē)電子系統(tǒng)包括電動(dòng)助力窗、電動(dòng)門(mén)鎖、空調(diào)、電子燃油注入和電子點(diǎn)火,這些系統(tǒng)對(duì)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(dòng)助力轉(zhuǎn)向。
  
從上世紀(jì)80年代到90年代早期,第二代汽車(chē)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(chē)電子系統(tǒng)因采用軟件控制功能和專(zhuān)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(guò)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(dòng)裝置來(lái)管理燃油、火花塞放電和廢氣的再循環(huán)。
  
第三代汽車(chē)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(dòng)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(dòng)的自動(dòng)化,采用了更為先進(jìn)的氣囊。在第三代汽車(chē)電子時(shí)代,車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)采用了數(shù)字信號(hào)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(lèi)多工通信的應(yīng)用。
  
利用更高級(jí)別的分布式汽車(chē)電子系統(tǒng),就有可能從儀表盤(pán)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(shì)的一個(gè)例證,其中,收音機(jī)機(jī)芯和音響放大器級(jí)都安裝到汽車(chē)車(chē)身的后窗臺(tái)區(qū)域之中,儀表盤(pán)面板上僅僅留下顯示器和開(kāi)關(guān)。車(chē)內(nèi)氣候電子控制、導(dǎo)航系統(tǒng)、CD換碟器等等之類(lèi)的系統(tǒng)也出現(xiàn)了類(lèi)似的趨勢(shì)。
  
在第四代汽車(chē)電子系統(tǒng)階段,微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器在汽車(chē)中的應(yīng)用更為普及。這些21世紀(jì)的系統(tǒng)中,每輛車(chē)的汽車(chē)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(lài)于廉價(jià)和魯棒的存儲(chǔ)器硬件的可用性。
  
將來(lái)汽車(chē)中電子系統(tǒng)的數(shù)量可能不會(huì)像二代時(shí)增長(zhǎng)那么快,但是,軟件系統(tǒng)將呈指數(shù)增長(zhǎng)。例如,目前正呈現(xiàn)的一個(gè)趨勢(shì)就是通過(guò)免疫系統(tǒng)工程把在線診斷(OBD)升級(jí)為下一代的OBD1。之所以出現(xiàn)這種趨勢(shì)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(wú)法解讀,并且將繼續(xù)惡化。
  
要診斷未來(lái)的汽車(chē)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?lái)的系統(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(jí)以上,這些高安全性子系統(tǒng)包含在此已討論過(guò)的電氣化子系統(tǒng)及更多的子系統(tǒng)。目前,電子節(jié)氣門(mén)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(chē)縱向運(yùn)動(dòng)控制到電子受控剎車(chē)(ECB)系統(tǒng)等等功能。這些子系統(tǒng)成為表中所列的第6類(lèi)。
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PowerNet穩(wěn)定性
  
隨著汽車(chē)電子系統(tǒng)的增多和汽車(chē)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(chē)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(chē)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(wèn)題是什么才是讓汽車(chē)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(wú)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(chē)PowerNet需求的增加,汽車(chē)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?chē)蓄電池的穩(wěn)定作用。
  
PowerNet瞬間波動(dòng)所帶來(lái)的問(wèn)題
  
如上所述,21世紀(jì)的汽車(chē)電子系統(tǒng)高度依賴(lài)于軟件,因此,越來(lái)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(wèn)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(kāi)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(chē)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(chē)(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(lái)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(chē)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(guò)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(jiàn),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(wèn)題了。
  
負(fù)載平滑方法
  
本文前半部分描繪了汽車(chē)附件電力瞬態(tài)超載的情況,這里將通過(guò)仿真對(duì)此做進(jìn)一步的解釋。在圖解說(shuō)明的過(guò)程中,假設(shè)電動(dòng)助力系統(tǒng)(EPS)工作的過(guò)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(chē)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(chē)場(chǎng)駐車(chē)。
  
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(méi)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(méi)有安裝超級(jí)電容分配模塊。
  
在上圖中,汽車(chē)充電系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)和鉛酸電池來(lái)表示。在這種情況下,要利用Ansoft公司的汽車(chē)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(chē)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(dòng)。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。[page]


圖:當(dāng)EPS被激活時(shí),造成PowerNet的瞬態(tài)波動(dòng)。
  
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(dòng),其波動(dòng)范圍超過(guò)了大型電解濾波電容器的平滑能力。
  
在汽車(chē)電力分配網(wǎng)絡(luò)上會(huì)出現(xiàn)許多此類(lèi)瞬時(shí)波動(dòng)現(xiàn)象,以至于汽車(chē)電力環(huán)境充滿了此類(lèi)噪聲,讓各種ECU受到電源線上寬范圍的上下波動(dòng)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(jí)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(jí)分布式模塊。這個(gè)超級(jí)模塊是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車(chē)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(jí)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(jí)電容器分布式模塊平滑了PowerNet上的電源波動(dòng)。
  
在上圖中可見(jiàn),配備超級(jí)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(méi)有采用超級(jí)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(jí)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(jí)電容器技術(shù)的分布式模塊或本地儲(chǔ)能的好處在于:穩(wěn)定PowerNet的效率很高,即使在汽車(chē)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(lái),汽車(chē)電子功能和特色內(nèi)容將持續(xù)增長(zhǎng),隨之而來(lái)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(chē)充電系統(tǒng)推向超載,越來(lái)越多和越來(lái)越大的耗電設(shè)備所產(chǎn)生的負(fù)載瞬時(shí)電壓波動(dòng),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(chē)上的空調(diào)壓縮機(jī)以及中等美國(guó)家庭中安裝的空調(diào)機(jī)的制冷能力,就可以看到車(chē)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(chē)內(nèi)用電設(shè)備也類(lèi)似。所有這些用電設(shè)備都安裝在非常有限的空間內(nèi),因而常常“擁抱”熱量和振動(dòng)。
  
超級(jí)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(chē)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(shuō),可以稱(chēng)之為迫近傾翻點(diǎn)。對(duì)于汽車(chē)制造商來(lái)說(shuō),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(jí)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(guò)渡性系統(tǒng)已經(jīng)向著這個(gè)方向發(fā)展,利用超級(jí)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(dòng)力(與怠速停車(chē)系統(tǒng)有關(guān))是在汽車(chē)中提供更高電壓的另一個(gè)例子。
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