車輛輔助供電系統(tǒng)設(shè)計*

于海征馮國勝姜新民

（1.石家莊鐵道大學(xué)機械工程學(xué)院；2.石家莊核光電子科技有限公司）

電源系統(tǒng)是汽車新產(chǎn)品開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，電源系統(tǒng)的可靠性和合理性是影響汽車運行可靠性和經(jīng)濟性的重要因素[1]?，F(xiàn)有汽車的供電系統(tǒng)主要由交流發(fā)電機、整流橋、調(diào)節(jié)器及蓄電池組成，由于汽車運行工況的復(fù)雜性，在汽車負(fù)荷變化較大時，電流和電壓瞬間跌落幅度較大。由于受到蓄電池特性、發(fā)電機容量及輸出特性的限制，不能瞬間為汽車提供充足的電能補償，進而出現(xiàn)供電不足等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致汽車用電單元工作效率下降。為改善這一問題，文章提出一種應(yīng)用超級電容器作為汽車輔助供電裝置的方法，在汽車處于起步和急加速等不同工況時，應(yīng)用超級電容器為汽車提供瞬時的電能補償，從而保證汽車的電力供應(yīng)，提高汽車的動力性、操控性和燃油經(jīng)濟性。

1 超級電容器及其特點

超級電容又稱電化學(xué)雙層電容，是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件[2]，其比能量和比功率介于電池和傳統(tǒng)電容之間。與傳統(tǒng)電容相比，超級電容具有很高的能量密度，同時能夠以指數(shù)級別更高的密度來存儲能量，特別適用于短時存儲和釋放大量功率的場合。另外，超級電容與普通蓄電池相比具有更高的功率密度，可實現(xiàn)更迅速地釋放能量[3-4]。但是由于超級電容在能量密度方面的限制，單純地采用超級電容器作為汽車的供電系統(tǒng)并不現(xiàn)實，而超級電容與蓄電池在性能上有較強的互補性，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)點可以使系統(tǒng)獲得更好的性能[5-6]，所以文章選用超級電容器作為輔助供電設(shè)備實現(xiàn)電能補償。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

車輛輔助供電系統(tǒng)主要包括主控單元、信號調(diào)理電路模塊、信號采集模塊、驅(qū)動電路模塊及超級電容輔助供電單元模塊，同時該系統(tǒng)應(yīng)用LabVIEW作為上位機軟件，與主控單元DSPF2812之間通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的信號及工作狀態(tài)的監(jiān)測。

車輛輔助供電系統(tǒng)采用6組不同型號的超級電容作為超級電容輔助供電單元模塊，來實現(xiàn)對汽車處于不同運行狀態(tài)下的輔助供電。通過主控單元產(chǎn)生驅(qū)動信號可實現(xiàn)6組超級電容器的充放電控制，以滿足在不同運行工況下的輔助供電需求。車輛輔助供電系統(tǒng)設(shè)計的整體設(shè)計框圖，如圖1所示。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 信號調(diào)理電路設(shè)計

車輛輔助供電系統(tǒng)主要是根據(jù)汽車運行時采集的實時信號來判斷汽車所處的運行狀態(tài)，所以準(zhǔn)確地采集汽車的電壓、電流、轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度等信號是實現(xiàn)準(zhǔn)確控制的關(guān)鍵。圖2示出某車型各路信號的調(diào)理電路圖。

由于主控單元DSPF2812內(nèi)部的ADC模塊能夠輸入的最大電壓范圍為0～3 V，而經(jīng)過測試可得汽車蓄電池及超級電容的電壓范圍在11～14.5 V，為滿足測量要求，需要對輸入電壓信號進行調(diào)理，電壓信號的調(diào)理電路，如圖2a所示。輸出信號依次經(jīng)過電阻分壓、電壓跟隨器及鉗位電路后，接入到AD采集端口。

本設(shè)計中采用霍耳電流傳感器對汽車的電流進行測量。通過測量可得，在汽車正常行駛狀態(tài)下的電流值約為30 A，而啟動瞬間能達到80 A甚至上百安培，綜合考慮，本設(shè)計選用霍耳電流傳感器CS100EK1。該傳感器的量程為100 A，輸出量為電壓值，并且可以實現(xiàn)零點調(diào)節(jié)和幅度調(diào)節(jié)，設(shè)計中電流傳感器的輸出量程調(diào)到0～3 V，使其滿足AD采集模塊的輸入范圍。為了實際測試信號的穩(wěn)定，該電流信號輸入AD前也增加了電壓跟隨器及鉗位電路模塊，具體電路與電壓信號的調(diào)理電路類似，只需去掉信號調(diào)理電路中的分壓電路部分。

圖2b示出發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號的調(diào)理電路。本設(shè)計中汽車的轉(zhuǎn)速信號通過測量發(fā)動機的噴油脈沖信號來獲得。其中，輸入端1接發(fā)動機信號地，輸入端2接發(fā)動機的噴油脈沖信號。該電路可實現(xiàn)當(dāng)輸入端為高電平時，輸出端為0，當(dāng)輸入端為低電平時，輸出端為3.3 V，經(jīng)調(diào)理后的信號直接輸入到DSP的捕獲單元接線端。

節(jié)氣門開度能夠判別發(fā)動機怠速、部分負(fù)荷及大負(fù)荷等工況，是判斷汽車運行狀況的一個重要參數(shù)。本設(shè)計中通過采集節(jié)氣門位置傳感器信號來判斷節(jié)氣門開度的大小。圖2c示出節(jié)氣門開度信號的調(diào)理電路。其中節(jié)氣門信號由輸入端輸入，為了準(zhǔn)確測量節(jié)氣門開度，本設(shè)計對節(jié)氣門的輸出電壓進行分壓后再分段放大，同時用2個AD端口采集2路電壓值，在軟件中實現(xiàn)計算真實的節(jié)氣門信號值。

3.2 驅(qū)動電路設(shè)計

本設(shè)計采用蓄電池與超級電容器進行并聯(lián)，通過PWM信號控制MOSFET開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實現(xiàn)對超級電容器的充放電控制。驅(qū)動電路設(shè)計包括三部分，如圖3所示。

DSP的引腳輸出電平為3.3 V，未能達到開關(guān)管的開啟電壓，需要對輸出電壓進行升壓處理，文章選用GS3662升壓芯片，電路采用該芯片的典型應(yīng)用電路進行設(shè)計，如圖3a所示。GS3662芯片的輸入引腳2接電瓶電壓，在輸出端可實現(xiàn)輸出電壓20 V。為提高輸出信號的驅(qū)動能力，本設(shè)計增加了推挽電路模塊，PWM驅(qū)動信號在升壓電路及推挽電路的作用下，電壓值由3.3 V升高到20 V。升壓電路及推挽電路的設(shè)計，如圖2b所示。

超級電容的充放電控制主電路模塊，如圖2c所示。驅(qū)動信號PWM1，PWM2分別控制2個MOSFET開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實現(xiàn)超級電容的充電和放電。其中PWM2信號控制超級電容的充電，當(dāng)PWM2為高電平時，MOSFET2導(dǎo)通，電瓶給超級電容器充電，為低電平時充電停止；當(dāng)PWM1為高電平時，超級電容給負(fù)載放電，為低電平時放電停止。

本設(shè)計中的超級電容器供電模塊采用6組不同型號的超級電容分別對應(yīng)于不同的運行工況，每組對應(yīng)的驅(qū)動電路相同，但采用的超級電容器型號不同，6組超級電容器的充放電應(yīng)用驅(qū)動信號PWM3～PWM12分別控制。

4 軟件設(shè)計及控制方法

4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計采用DSPF2812作為主控單元。DSPF2812處理器主頻達150 MHz，時鐘周期6.67 ns，具有高性能的32位中央處理器[7]，同時具有2個相同的EVA和EVB事件管理器模塊，每個模塊具有2個通用定時器、3個全比較單元及3個捕獲單元，同時具有16個通道的AD轉(zhuǎn)換器模塊，能夠完成多達16路模擬信號的采集。根據(jù)車輛輔助供電系統(tǒng)的整體設(shè)計，主要應(yīng)用了DSPF2812的事件管理器模塊、ADC信號采集模塊及SCI串口發(fā)送模塊。

發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信號測量以T型法測速為原理，通過采集發(fā)動機的噴油脈沖信號并經(jīng)過轉(zhuǎn)速信號調(diào)理電路進行調(diào)理，得到可測的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號傳輸給DSPF2812的輸入捕獲單元，運用DSPF2812事件管理器EVA模塊的通用計數(shù)器T1在發(fā)動機噴油脈沖信號的1個周期內(nèi)對已知頻率的高頻時鐘脈沖進行計數(shù)，最后通過計算得到轉(zhuǎn)速值。轉(zhuǎn)速測量中斷流程圖，如圖4所示。

由于汽車的電壓信號、電流及節(jié)氣門開度信號輸出的都為模擬信號，可直接應(yīng)用DSP的ADC轉(zhuǎn)換模塊進行采集。為實現(xiàn)對汽車實時信號及驅(qū)動信號的全面監(jiān)測，設(shè)計中使用了多路AD信號采集，分別實現(xiàn)總電壓、總電流、節(jié)氣門開度、超級電容電壓及驅(qū)動信號的采集，AD信號采集流程，如圖5所示。

本設(shè)計應(yīng)用LabVIEW作為上位機軟件實現(xiàn)監(jiān)測功能，在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了多路模擬信號的實時監(jiān)測[8]。圖6示出某一路超級電容單體的充放電監(jiān)測前面板，包括對總電壓、電流、節(jié)氣門開度、超級電容單體電壓及充放電驅(qū)動信號的監(jiān)測。

4.2 控制方法及控制策略

為滿足車輛輔助供電系統(tǒng)的實現(xiàn)，本設(shè)計采用6組超級電容器作為超級電容輔助供電單元，分別為起步單元、急加速單元及其他單元，其中，其他單元中又包含滿足不同轉(zhuǎn)速區(qū)間下的4組超級電容。6組超級電容器的充放電控制都根據(jù)主控單元采集的實時信號進行控制。超級電容單體充放電控制方法由本設(shè)計初期的控制策略確定，如表1所示。由于不同車型的差異，不同的使用車型上需要對控制策略進行調(diào)整。

表1 超級電容單體充放電控制方法

5 試驗測試

在完成車輛輔助供電系統(tǒng)整體設(shè)計的基礎(chǔ)上，在試驗車上完成了車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的調(diào)試，實現(xiàn)了對試驗車的實時電壓、電流、轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度的信號采集。為進一步測試輔助供電系統(tǒng)驅(qū)動電路及充放電控制，在實驗室通過模擬車輛的幾個實時信號從而實現(xiàn)超級電容器的輔助供電系統(tǒng)的整體測試。

測試過程中，應(yīng)用實驗室可調(diào)穩(wěn)壓電源模擬蓄電池電壓和節(jié)氣門開度信號，應(yīng)用信號發(fā)生器來模擬發(fā)動機噴油脈寬信號，同時為方便調(diào)試和監(jiān)測，采用超級電容器作為負(fù)載，測試現(xiàn)場，如圖7所示。通過測量超級電容單體及負(fù)載電容的電壓來驗證本設(shè)計的工作過程。試驗過程中根據(jù)制定的充放電策略進行了實際測試，模擬充放電試驗測試結(jié)果，如圖8所示，圖8中電壓1為超級電容單體電壓值，電壓2為負(fù)載超級電容的電壓值，MOSFET1，MOSFET2 分別表示 PWM1，PWM2當(dāng)前的狀態(tài)。當(dāng)滿足充電條件時，MOSFET1管打開，電瓶給超級電容器充電；當(dāng)滿足放電條件時，MOSFET2管打開，超級電容器給負(fù)載放電。

6 結(jié)論

1）通過測試可得，根據(jù)蓄電池電壓、超級電容單體電壓、轉(zhuǎn)速及節(jié)氣門開度等信號的變化，能夠按照制定的控制方法和策略分別實現(xiàn)各組超級電容單體的充放電控制；

2）超級電容的充放電時間很短，經(jīng)測試，所選用的不同型號的超級電容充放電時間在幾十毫秒到幾百毫秒之間，能夠保證在最短時間內(nèi)進行電量補償，從而實現(xiàn)超級電容器輔助供電系統(tǒng)的功能；

3）超級電容作為一種新型的儲能元件，如果與現(xiàn)有的車輛匹配得當(dāng)，能夠在一定程度上改善汽車的動力性、操控性能及燃油經(jīng)濟性，具有廣闊的應(yīng)用前景。