用電附件過載引發汽車電源設計的新思考
加入技術交流群
在第四代汽車電子系統階段，微處理器和數字信號處理器在汽車中的應用更為普及。這些21世紀的系統中，每輛車的汽車電子系統采用了40到80個以上的微處理器和35到100個以上的電機。新的系統由軟件控制，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的數量可能不會像二代時增長那么快，但是，軟件系統將呈指數增長。例如，目前正呈現的一個趨勢就是通過免疫系統工程把在線診斷(OBD)升級為下一代的OBD1。之所以出現這種趨勢是因為：目前的系統復雜性如此之高，以至于接近2/3的故障模式根本無法解讀，并且將繼續惡化。
要診斷未來的汽車電子系統，將需要擴充在線計算軟件以執行診斷，因為將來的系統所包含的電氣化高安全性子系統比現有的系統要多一個數量級以上，這些高安全性子系統包含在此已討論過的電氣化子系統及更多的子系統。目前，電子節氣門控制(ETC)和電子助力轉向系統(EPS)已經被延伸到電子穩定程序(ESP)系統，以管理汽車縱向運動控制到電子受控剎車(ECB)系統等等功能。這些子系統成為表中所列的第6類。
隨著汽車電子系統的增多和汽車電力供電系統負擔的加重，設計工程師如何才能減輕各種各樣汽車用電設備的影響？雖然這些用電設備的平均功率需求以每年 110W的速度持續增長，實際上這不是一個小數，因為我們已經看到汽車電子系統的用電量已經讓供電系統超負荷運行。問題是什么才是讓汽車供電系統崩潰的“ 最后一根稻草”？什么時候會發生這種情況？
當混沌系統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或傾翻點。隨著對汽車PowerNet需求的增加，汽車上正在發生這種情況。從電網穩定度的觀點看，這種情況并不是如此嚴重，因為有汽車蓄
PowerNet瞬間波動所帶來的問題
如上所述，21世紀的汽車電子系統高度依賴于軟件，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絡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絡所面臨的問題。實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絡與模塊本身負載開關的共同作用下，可能導致軟件故障。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的電源線波動、涌動和負載驅動脈沖的影響。
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有關的位置提供平滑和穩定的PowerNet。下圖描述分布式電子模塊、機電傳動裝置和超級電容部分儲能器件之間實現平衡的分層視圖。
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)緊靠高耗能用電負載，如EPS(1.2KW)、電子機械剎車(1到2KW)和新型照明系統 (如最近出現的白光LED頭燈)。本地分布式模塊為高峰負載供電，避免造成來自交流發電機和電池的14V電源線出現強烈的波動。
高耗能負載的切換，如上圖中加亮的那些部分對汽車電力分配網絡—14V PowerNet—有重大的干擾。例如，在一些最新提出的EPS設計中，電動助力轉向(EPS)系統有130A的電力需求，最高達到160A。過去，人們假設EPS電力需求在85A(1.2KW)到130A(1.8KW)范圍內，如果超出那個范圍就表示PowerNet處于最壞供電狀態，就可能危及EPS 的正常運行。當引擎幾乎處于怠速且連續負載已經是27A加67A或1.3KW時，把1.2到1.8KW的瞬時負載加在PowerNet上，意味著電力分配系統的電壓波動為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瞬態波動傳導到所有其它相連ECU所引起的問題了。
負載平滑方法
本文前半部分描繪了汽車附件電力瞬態超載的情況，這里將通 過仿真對此做進一步的解釋。在圖解說明的過程中，假設電動助力系統(EPS)工作的過程中，引擎管理和一些氣候控制電子系統也在連續地工作。假設EPS從汽車電力線(
在如下所示的第一種情況下，當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PowerNet為處于工作狀態的EPS供電，但是，沒有安裝超級電容分配模塊。
在上圖中，汽車充電系統由交流發電機和鉛酸
當EPS工作時，下圖描繪了上述電路引起的PowerNet瞬態波動。注意：當電力分配網絡穩定時，交流發電機提供給電池的最初充電電流。
圖：當EPS被激活時，造成PowerNet的瞬態波動。
評論