用电过载引发汽车电源设计新思考

PowerNet稳定性
　　
随着汽车电子系统的增多和汽车电力供电系统负担的加重，设计工程师如何才能减轻各种各样汽车用电设备的影响？虽然这些用电设备的平均功率需求以每年110W的速度持续增长，实际上这不是一个小数，因为我们已经看到汽车电子系统的用电量已经让供电系统超负荷运行。问题是什么才是让汽车供电系统崩溃的“最后一根稻草”？什么时候会发生这种情况？
　　
当混沌系统行为受到某种压力因素作用的时候，如果该压力因素的增长悄无声息，最终会接近一个崩溃点或倾翻点。随着对汽车PowerNet需求的增加，汽车上正在发生这种情况。从电网稳定度的观点看，这种情况并不是如此严重，因为有汽车蓄电池的稳定作用。
　　
PowerNet瞬间波动所带来的问题
　　
如上所述，21世纪的汽车电子系统高度依赖于软件，因此，越来越易于受到PowerNet可变性的影响，并且拥挤杂乱的电力分配网络对用电量的瞬间变化更为敏感。制造商要在更敏感的电子模块中安装电源线滤波和较大的电容器组，以解决日益恶化的电源分配网络所面临的问题。实际上依然是所有电子模块都具有不同级别的噪声免疫性；有时在已恶化的电源分配网络与模块本身负载开关的共同作用下，可能导致软件故障。造成如此混乱的原因在于：微处理器或一些支持逻辑功能易于受到同时出现的电源线波动、涌动和负载驱动脉冲的影响。
　　
目前，汽车制造商正寻求利用超级电容分布式模块或本地电能储存器件，那就可以向与ECU有关的位置提供平滑和稳定的PowerNet。下图描述分布式电子模块、机电传动装置和超级电容部分储能器件之间实现平衡的分层视图。


在这个高度简化的描述中，超级电容分布模块或双层电容(DLC)紧靠高耗能用电负载，如EPS(1.2KW)、电子机械刹车(1到2KW)和新型照明系统(如最近出现的白光LED头灯)。本地分布式模块为高峰负载供电，避免造成来自交流发电机和电池的14V电源线出现强烈的波动。
　　
高耗能负载的切换，如上图中加亮的那些部分对汽车电力分配网络—14VPowerNet—有重大的干扰。例如，在一些最新提出的EPS设计中，电动助力转向(EPS)系统有130A的电力需求，最高达到160A。过去，人们假设EPS电力需求在85A(1.2KW)到130A(1.8KW)范围内，如果超出那个范围就表示PowerNet处于最坏供电状态，就可能危及EPS的正常运行。当引擎几乎处于怠速且连续负载已经是27A加67A或1.3KW时，把1.2到1.8KW的瞬时负载加在PowerNet上，意味着电力分配系统的电压波动为14.2V到12.8V；这也是电池电位的波动范围。如果电力分配系统电压下降10%，那么，那么从前大灯变暗就显而易见，并且EPS性能也会退化，更不要提PowerNet瞬态波动传导到所有其它相连ECU所引起的问题了。
　　
负载平滑方法
　　
本文前半部分描绘了汽车附件电力瞬态超载的情况，这里将通过仿真对此做进一步的解释。在图解说明的过程中，假设电动助力系统(EPS)工作的过程中，引擎管理和一些气候控制电子系统也在连续地工作。假设EPS从汽车电力线(PowerNet)上持续300ms吸取90A的电流，例如，在坚硬的路面上做变道机动或以低速在停车场驻车。
　　
在如下所示的第一种情况下，当PowerNet相对处于重载时EPS被激活，但是，没有安装超级电容电力分配模块。相连负载代表27A的引擎管理、55A的气候控制和15A的遥控电子控制单元(ECU)。例如，该遥控ECU可能是音响模块，并有意显示为采用本地电解电容器做滤波和平滑。


图：该PowerNet为处于工作状态的EPS供电，但是，没有安装超级电容分配模块。
　　
在上图中，汽车充电系统由交流发电机和铅酸电池来表示。在这种情况下，要利用Ansoft公司的汽车工具箱之中的Simplorer电化学建模工具对电池进行比较详细的建模。PowerNet被高度简化为由线规电阻建模的四个分支电路，包括引擎控制、车箱气候控制、本地ECU和EPS(最右边)。PowerNet分配点被标注为PDB或电力分配箱。

当EPS工作时，下图描绘了上述电路引起的PowerNet瞬态波动。注意：当电力分配网络稳定时，交流发电机提供给电池的最初充电电流。



图：当EPS被激活时，造成PowerNet的瞬态波动。
　　
在上图的曲线中，从左到右、从顶向下依次为：交流发电机输出电流、电池电流、电池电压、EPS电流和本地ECU端的电压。注意，在EPS瞬时被激活前，电池需要20A的连续充电电流。在此仿真中，假设电池充电状态为低，需要充电。关键点是ECU终端电压的高可变性：13.8V到13.2V，再到12.2V，然后，回到13.2V。这是非常具有破坏性的瞬时电压波动，其波动范围超过了大型电解滤波电容器的平滑能力。
　　
在汽车电力分配网络上会出现许多此类瞬时波动现象，以至于汽车电力环境充满了此类噪声，让各种ECU受到电源线上宽范围的上下波动的影响。


图：该PowerNet电路为已激活的EPS供电并包含一个超级电容分布式模块(右上)。
　　
上图与前一张PowerNet电路图相同，但是，增加了放置在EPS负载点的超级分布式模块。这个超级模块是一个标准的汽车设计产品，它在大的用电负载附近像电池一样提供稳定和平滑的PowerNet。所有其它地方一样，存在超级分布式模块的地方，就可以容易地在PowerNet和ECU电压上观察到平滑作用。


图：当EPS被激活时，超级电容器分布式模块平滑了PowerNet上的电源波动。
　　
在上图中可见，配备超级电容器分布式模块的PowerNet显示了好得多的响应行为。注意：显示的刻度发生了变化，电源的变化范围比没有采用超级电容器模块时要小得多。重要的一点是：EPS电流不变，所以，其功能保持不变。超级电容器分布式模块的突出特征在于：极大地降低了为本地ECU供电的PowerNet的另外一个分支电路的终端电压上的电源线干扰(右下线迹)。
　　
基于碳超级电容器技术的分布式模块或本地储能的好处在于：稳定PowerNet的效率很高，即使在汽车的远端分支电路中也有助于平滑和稳定电源线。
　　
在不远的将来，汽车电子功能和特色内容将持续增长，随之而来的是日益增加的附件导致电力分配系统超载。大的连续电力加载正把汽车充电系统推向超载，越来越多和越来越大的耗电设备所产生的负载瞬时电压波动，让非常复杂和高度分布的计算网络很可能受到破坏。
　　
为了看清楚这一点，考察一下典型汽车上的空调压缩机以及中等美国家庭中安装的空调机的制冷能力，就可以看到车内送风电机实际上比家用中央加热系统的耗电要大得多。其它许多车内用电设备也类似。所有这些用电设备都安装在非常有限的空间内，因而常常“拥抱”热量和振动。
　　
超级电容器分布式模块可以取代两到三个铅酸蓄电池，从而为乘用车提供供电解决方案，并且它为电力系统提供了足够的滤波。在某种程度上说，可以称之为迫近倾翻点。对于汽车制造商来说，要重新安排PowerNet并把电力分配系统的电压增加3倍以达到所提议的42V标准，超级电容器分布式模块将是必不可少的。单单依靠它的作用就能把本文讨论的电力分配系统的电流减少1/3。
　　
此外，为了满足特定功能的要求，一些过渡性系统已经向着这个方向发展，利用超级电容器分布式模块技术把本地12V电池供电电压提升到30V甚至更高；EPS就是这样一种功能，微型混合动力(与怠速停车系统有关)是在汽车中提供更高电压的另一个例子。