用電附件過(guò)載引發(fā)汽車(chē)電源設計的新思考
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在第四代汽車(chē)電子系統階段，微處理器和數字信號處理器在汽車(chē)中的應用更為普及。這些21世紀的系統中，每輛車(chē)的汽車(chē)電子系統采用了40到80個(gè)以上的微處理器和35到100個(gè)以上的電機。新的系統由軟件控制，并廣泛地依賴(lài)于廉價(jià)和魯棒的存儲器硬件的可用性。
將來(lái)汽車(chē)中電子系統的數量可能不會(huì )像二代時(shí)增長(cháng)那么快，但是，軟件系統將呈指數增長(cháng)。例如，目前正呈現的一個(gè)趨勢就是通過(guò)免疫系統工程把在線(xiàn)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(wú)法解讀，并且將繼續惡化。
要診斷未來(lái)的汽車(chē)電子系統，將需要擴充在線(xiàn)計算軟件以執行診斷，因為將來(lái)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(gè)數量級以上，這些高安全性子系統包含在此已討論過(guò)的電氣化子系統及更多的子系統。目前，電子節氣門(mén)控制(ETC)和電子助力轉向系統(EPS)已經(jīng)被延伸到電子穩定程序(ESP)系統，以管理汽車(chē)縱向運動(dòng)控制到電子受控剎車(chē)(ECB)系統等等功能。這些子系統成為表中所列的第6類(lèi)?！?P>
隨著(zhù)汽車(chē)電子系統的增多和汽車(chē)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(chē)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(cháng)，實(shí)際上這不是一個(gè)小數，因為我們已經(jīng)看到汽車(chē)電子系統的用電量已經(jīng)讓供電系統超負荷運行。問(wèn)題是什么才是讓汽車(chē)供電系統崩潰的“ 最后一根稻草”？什么時(shí)候會(huì )發(fā)生這種情況？
當混沌系統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(cháng)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(zhù)對汽車(chē)PowerNet需求的增加，汽車(chē)上正在發(fā)生這種情況。從電網(wǎng)穩定度的觀(guān)點(diǎn)看，這種情況并不是如此嚴重，因為有汽車(chē)蓄
PowerNet瞬間波動(dòng)所帶來(lái)的問(wèn)題
如上所述，21世紀的汽車(chē)電子系統高度依賴(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(xiàn)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 )與模塊本身負載開(kāi)關(guān)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(shí)出現的電源線(xiàn)波動(dòng)、涌動(dòng)和負載驅動(dòng)脈沖的影響。
目前，汽車(chē)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定的PowerNet。下圖描述分布式電子模塊、機電傳動(dòng)裝置和超級電容部分儲能器件之間實(shí)現平衡的分層視圖。
在這個(gè)高度簡(jiǎn)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(chē)(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(lái)自交流發(fā)電機和電池的14V電源線(xiàn)出現強烈的波動(dòng)。
高耗能負載的切換，如上圖中加亮的那些部分對汽車(chē)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設計中，電動(dòng)助力轉向(EPS)系統有130A的電力需求，最高達到160A。過(guò)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(gè)范圍就表示PowerNet處于最壞供電狀態(tài)，就可能危及EPS 的正常運行。當引擎幾乎處于怠速且連續負載已經(jīng)是27A加67A或1.3KW時(shí)，把1.2到1.8KW的瞬時(shí)負載加在PowerNet上，意味著(zhù)電力分配系統的電壓波動(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)傳導到所有其它相連ECU所引起的問(wèn)題了。
負載平滑方法
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)仿真對此做進(jìn)一步的解釋。在圖解說(shuō)明的過(guò)程中，假設電動(dòng)助力系統(EPS)工作的過(guò)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(chē)電力線(xiàn)(
在如下所示的第一種情況下，當PowerNet相對處于重載時(shí)EPS被激活，但是，沒(méi)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(tài)的EPS供電，但是，沒(méi)有安裝超級電容分配模塊。
在上圖中，汽車(chē)充電系統由交流發(fā)電機和鉛酸
當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：當電力分配網(wǎng)絡(luò )穩定時(shí)，交流發(fā)電機提供給電池的最初充電電流。
圖：當EPS被激活時(shí)，造成PowerNet的瞬態(tài)波動(dòng)。
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