用電附件過載引發汽車電源設計新思考

　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，設計工程師要采取什么舉措才能避免潛在的危險呢？

　　回憶過去(不那么遙遠以前)，駕駛著你爸的老爺車，AM/FM收音機、磁帶錄放機和汽車空調標志著那個時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星導航GPS、每一個乘客單獨的DVD播放機、車內氣候控制、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，引擎要持續為這些電子系統供電，否則，車上這些設備將變成華而不實的擺設。

　　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？一旦出現電壓浪涌或下跌，會發生什么情況？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？

　　附件功耗呈現上升之勢

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

　　下表總結了現代汽車的汽車電氣/電子系統的主要子系統(和負載)：

　　發動機管理

　　多媒體和加熱、通風和空調(HVAC)

　　車身電子

　　底盤電子

　　照明(外部和內部)

　　未來的系統

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

　　表中的兩類(引擎管理、多媒體和HVAC)汽車電子系統需要汽車電力系統提供102A的電流。這一點很重要，為了描述附件超載的電流狀態，要注意：為了在不增加電池的條件下支持102A的負載，交流發電機必須具備大約兩倍的額定電流—204A。原因在于：當引擎低速運行且怠速時，汽車交流發電機僅僅可以產生一半的電能。這就需要大型的交流發電機，在標稱系統電壓為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子系統的用電負載包含在汽車的負載調查表中，就有可能輕易地超過交流發電機的供電能力。當這種情況出現于現在的汽車上時，PowerNet的電壓就會下降，直到系統電壓與電池內部12.8V的電壓匹配，此時，蓄電池開始為總的用電負載提供一部分電能。這種效應被稱為電池分配(battery contribution)。

　　電池分配是一種周期性的事件，它隨機地為不定期工作的用電負載供電，如乘員室的自動溫度控制、旋轉方向盤的事件；或為消費者所選擇的確定性負載供電，如音響或導航助手。這些周期性事件就是電池耗盡的原因，并最終導致需要更換電池。

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

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

　　電力需求無窮無盡

　　實際情況依然是：在不遠的將來，附件超載將繼續猛烈如初，因為消費者需要越來越多的新特色和功能。從下圖可見4代汽車電子系統的演變進程。

　　從1968年到上世紀70年代，第一代汽車電子系統包括電動助力窗、電動門鎖、空調、電子燃油注入和電子點火，這些系統對于滿足那個時代的排放規則的要求是必需的，并演變到采用電動助力轉向。

　　從上世紀80年代到90年代早期，第二代汽車電子系統包括ABS、防盜系統和更為先進的電子引擎控制系統，以滿足限制尾氣排放的法規的要求。第二代汽車電子系統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控制及取代了老式機械系統的電子機械傳動裝置來管理燃油、火花塞放電和廢氣的再循環。

　　第三代汽車電子功能因引入更為強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的功能，如多工通信和分布式計算功能、巡航控制、導航功 能以及自動化程度更高的空調系統，并改善了變速箱，實現了人力操縱傳動的自動化，采用了更為先進的氣囊。在第三代汽車電子時代，車載娛樂系統采用了數字信號處理器(DSP)，提高了分布式電子系統架構的性能，擴展了諸如控制器局域網(CAN)之類多工通信的應用。

　　利用更高級別的分布式汽車電子系統，就有可能從儀表盤面板中騰出新的空間，因為只有控制信息是需要讀取的。上世紀90年代的音響系統就是這種趨勢的一個例證，其中，收音機機芯和音響放大器級都安裝到汽車車身的后窗臺區域之中，儀表盤面板上僅僅留下顯示器和開關。車內氣候電子控制、導航系統、CD換碟器等等之類的系統也出現了類似的趨勢。

　　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。

　　PowerNet穩定性

　　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，因為有汽車蓄電池的穩定作用。

　　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(PowerNet)上持續300ms吸取90A的電流，例如，在堅硬的路面上做變道機動或以低速在停車場駐車。

　　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電化學建模工具對電池進行比較詳細的建模。PowerNet被高度簡化為由線規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分配點被標注為PDB或電力分配箱。

　　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

　　在上圖的曲線中，從左到右、從頂向下依次為：交流發電機輸出電流、電池電流、電池電壓、EPS電流和本地ECU端的電壓。注意，在EPS瞬時被激活前，電池需要20A的連續充電電流。在此仿真中，假設電池充電狀態為低，需要充電。關鍵點是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。

　　在汽車電力分配網絡上會出現許多此類瞬時波動現象，以至于汽車電力環境充滿了此類噪聲，讓各種ECU受到電源線上寬范圍的上下波動的影響。

???? 圖：該PowerNet電路為已激活的EPS供電并包含一個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負載點的超級分布式模塊。這個超級模塊是一個標準的汽車設計產品，它在大的用電負載附近像電池一樣提供穩定和平滑的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EPS被激活時，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行為。注意：顯示的刻度發生了變化，電源的變化范圍比沒有采用超級電容器模塊時要小得多。重要的一點是：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的分布式模塊或本地儲能的好處在于：穩定PowerNet的效率很高，即使在汽車的遠端分支電路中也有助于平滑和穩定電源線。

　　在不遠的將來，汽車電子功能和特色內容將持續增長，隨之而來的是日益增加的附件導致電力分配系統超載。大的連續電力加載正把汽車充電系統推向超載，越來越多和越來越大的耗電設備所產生的負載瞬時電壓波動，讓非常復雜和高度分布的計算網絡很可能受到破壞。

　　為了看清楚這一點，考察一下典型汽車上的空調壓縮機以及中等美國家庭中安裝的空調機的制冷能力，就可以看到車內送風電機實際上比家用中央加熱系統的耗電要大得多。其它許多車內用電設備也類似。所有這些用電設備都安裝在非常有限的空間內，因而常常“擁抱”熱量和振動。

　　超級電容器分布式模塊可以取代兩到三個鉛酸蓄電池，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。對于汽車制造商來說，要重新安排PowerNet并把電力分配系統的電壓增加3倍以達到所提議的42V標準，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，一些過渡性系統已經向著這個方向發展，利用超級電容器分布式模塊技術把本地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(與怠速停車系統有關)是在汽車中提供更高電壓的另一個例子。