用電過載引發(fā)汽車電源設(shè)計新思考
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隨著汽車電子系統(tǒng)的增多和汽車電力供電系統(tǒng)負擔的加重，設(shè)計工程師如何才能減輕各種各樣汽車用電設(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，實際上這不是一個小數(shù)，因為我們已經(jīng)看到汽車電子系統(tǒng)的用電量已經(jīng)讓供電系統(tǒng)超負荷運行。問題是什么才是讓汽車供電系統(tǒng)崩潰的“最后一根稻草”？什么時候會發(fā)生這種情況？
當混沌系統(tǒng)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(fā)生這種情況。從電網(wǎng)穩(wěn)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(wěn)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(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡與模塊本身負載開關(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出現(xiàn)的電源線波動、涌動和負載驅(qū)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(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、機電傳動裝置和超級電容部分儲能器件之間實現(xiàn)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(tǒng)(如最近出現(xiàn)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(fā)電機和電池的14V電源線出現(xiàn)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(wǎng)絡—14VPowerNet—有重大的干擾。例如，在一些最新提出的EPS設(shè)計中，電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)有130A的電力需求，最高達到160A。過去，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(xù)負載已經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)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(tài)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(tài)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(shè)電動助力系統(tǒng)(EPS)工作的過程中，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從汽車電力線(PowerNet)上持續(xù)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(tài)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(tǒng)由交流發(fā)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(guī)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。
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