電源系統(tǒng)在車載中的運(yùn)用和設(shè)計(jì)研究

趙 剛，王中洋，秦益鵬

（65370部隊(duì)，吉林 長(zhǎng)春 130103）

0 引 言

汽車行業(yè)快速發(fā)展中，高效節(jié)能的車載終端系統(tǒng)直接決定汽車的整體性能水平。車載終端系統(tǒng)以電源系統(tǒng)為運(yùn)行基礎(chǔ)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)節(jié)約電能，提高車載終端的高效性和節(jié)能性。在汽車設(shè)計(jì)與制造中，要加強(qiáng)車載電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用，優(yōu)化車載終端體系，保證電源系統(tǒng)的使用性能，為多功能車載終端提供穩(wěn)定的供電電源，提高汽車供電使用的整體效能。因此，本文將重點(diǎn)探究電源系統(tǒng)在車載中的運(yùn)用和設(shè)計(jì)[1]。

1 車載電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

在車載電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求電源輸入必須具備檢測(cè)功能和分配功能，為車載用電設(shè)備提供穩(wěn)定的供電電能，使得車載設(shè)備可以穩(wěn)定高效運(yùn)行。設(shè)計(jì)方案中，實(shí)時(shí)監(jiān)控綜合電源具備自動(dòng)報(bào)警功能和自動(dòng)保護(hù)功能，可以達(dá)到用電安全的效果，通過各種輸入方式的切換實(shí)現(xiàn)持續(xù)性直流輸出。此外，歷史查詢模塊可以查看歷史故障相關(guān)信息[2]。車載電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)車輛供電系統(tǒng)智能化控制，準(zhǔn)確控制輸入源、電源電壓轉(zhuǎn)換、蓄電池充放電以及上位機(jī)通信等各個(gè)子系統(tǒng)，且需實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）車輛電源各個(gè)線路的交流電和直流電的輸出電壓必須要穩(wěn)定且安全，各路電源輸出需具備符合設(shè)計(jì)要求的負(fù)載能力，保證車載終端設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）識(shí)別和判斷各個(gè)電源輸入接口，設(shè)定供電邏輯，根據(jù)車輛行駛要求和使用需求自動(dòng)控制優(yōu)先供電。上電邏輯設(shè)計(jì)中，要求具備電源輸入自動(dòng)切換功能，一旦市電、油機(jī)以及硅發(fā)等輸入口出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可自動(dòng)切斷故障點(diǎn)，由蓄電池對(duì)輸入口供電，保證不間斷的直流供電。根據(jù)使用情況自動(dòng)識(shí)別需要優(yōu)先供電的輸入口，優(yōu)化供電選擇。駕駛?cè)藛T可自行選擇蓄電池供電以外的供電方式，提高控制效果。

（3）設(shè)置移動(dòng)智能終端接入口，以網(wǎng)口通信的方式連接車載綜合電源和移動(dòng)端，借助上位機(jī)GUI和箱體顯示面板，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)電源輸入端和輸出端的接入情況，顯示電源輸入/出的異常情況，提示駕駛?cè)藛T檢查和處理。

（4）必須及時(shí)識(shí)別車載電源系統(tǒng)交、直流電的輸出情況，保證穩(wěn)定輸出，及時(shí)診斷出欠壓和過流等故障，做好保護(hù)處理，及時(shí)在GUI和箱體顯示板中提示。

（5）充電控制交流輸入、直流輸出以及24 V電池組等系統(tǒng)，使系統(tǒng)具備電池荷電狀態(tài)的監(jiān)測(cè)功能和電池保護(hù)功能。

2 車載電源系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)方案

圖1 某車載電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

通過分析車載電源，合理規(guī)劃控制板，盡量用最低的成本消耗得到最大的供電效果。以下面以實(shí)例為參考，介紹如何實(shí)現(xiàn)車載電源控制的設(shè)計(jì)[3]。車載電源系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電源功率切換和控制管理功能，某車載電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

2.1 上位機(jī)

上位機(jī)GUI設(shè)計(jì)中，借助TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和電源箱控制板的通信，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控車載系統(tǒng)中用電模塊運(yùn)行的電壓和電流，及時(shí)判斷異常電流值和電壓值作以警報(bào)提示處理。上位機(jī)中具備歷史數(shù)據(jù)查詢功能，上位機(jī)GUI可以借助控制板控制配電箱中用電模塊供電，實(shí)現(xiàn)用電模塊的通電或斷電處理。系統(tǒng)運(yùn)行中，控制面板可將數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)GUI顯示出來，而上位機(jī)也可以控制控制板。上位機(jī)界面設(shè)計(jì)中，以QT框架為主，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)GUI的設(shè)計(jì)開發(fā)，提高界面設(shè)計(jì)的完整性和友好性，語(yǔ)言簡(jiǎn)單[4]。在通信方面，設(shè)置端口號(hào)和IP地址，用戶首次登錄必須注冊(cè)賬號(hào)，后期登錄注冊(cè)賬號(hào)即可。

某上位機(jī)GUI顯示界面如圖2所示。仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)，通過地址和端口號(hào)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與控制板的通信連接，設(shè)置輸入選擇、電池狀態(tài)提示以及系統(tǒng)狀態(tài)提示等模塊。其中，輸入選擇模塊與電池狀態(tài)提示模塊不具備控制控制板的功能，只顯示各個(gè)用電模塊的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)狀態(tài)提示可對(duì)用電模塊進(jìn)行開關(guān)控制和狀態(tài)監(jiān)控，不同的顏色顯示具有不同的含義：黑色為不可操作；深綠色為可操作未啟動(dòng)；亮綠色為工作狀態(tài)；紅色為異常報(bào)警狀態(tài)。在主界面中顯示各個(gè)用電設(shè)備的電壓值、電流值以及系統(tǒng)狀態(tài)。

圖2 某上位機(jī)GUI顯示界面

2.2 電源箱

某電源箱控制面板示意圖如圖3所示，通過觀察可發(fā)現(xiàn)，控制面板中囊括了電池電量信息、5路輸入電源開關(guān)和相關(guān)提示燈、4路輸出電源開關(guān)和相關(guān)提示燈、充電維護(hù)燈以及警報(bào)燈等，該電源箱控制面板中的控制操作優(yōu)先于上位機(jī)軟件界面，二者相輔相成，實(shí)現(xiàn)電源供電控制[5]。電源箱具備功率變換功能，選擇STM32F407芯片控制器可以檢測(cè)各路電源輸入，根據(jù)預(yù)設(shè)的上電邏輯分配電源，實(shí)現(xiàn)車載系統(tǒng)的供電。車載電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架共5路電源輸入（見圖1）。油機(jī)2屬于空調(diào)專用供電，油機(jī)2正常工作時(shí)，交流穩(wěn)壓模塊會(huì)為油機(jī)2口供電；油機(jī)2無法正常運(yùn)作時(shí)，由蓄電池進(jìn)行轉(zhuǎn)換供電。油機(jī)1和市電提供電能時(shí)，流經(jīng)隔離降壓模塊，將輸入電源轉(zhuǎn)化為直流48 V電壓，為用電設(shè)備提供電能，檢查蓄電池充電管理能力，利用隔離降壓模塊的處理和轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)蓄電池充電。硅發(fā)（DC 28 V）和蓄電池（DC 24 V）提供電能時(shí)，要通過升壓模塊將DC 24 V和DC 28 V轉(zhuǎn)化為DC 48 V，然后為用電設(shè)備提供電能。

圖3 某電源箱控制面板示意圖

2.3 配電箱

配電箱中應(yīng)含有多個(gè)DC-AC模塊和DC-DC模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)用電設(shè)備的電能使用情況。其中，DC-DC模塊運(yùn)行中，由上位機(jī)下達(dá)供能命令傳輸?shù)娇刂瓢?，控制板自?dòng)變換IO口中的電平，且利用ADC功能采集電壓和電流。一旦發(fā)生異常信號(hào)或故障問題，DC-DC模塊會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，將異常信息上傳到上位機(jī)和電源箱控制面板中，發(fā)生提示和警報(bào)。此外，DC-DC模塊可以把母線電壓DC 48 V轉(zhuǎn)化為DC 28 V、DC 24 V，實(shí)現(xiàn)直流負(fù)載供電，利用使能管腳控制通電和斷電，并及時(shí)把輸出電壓、電流以及相關(guān)報(bào)警信息傳輸?shù)娇刂颇K中，排查和治理用電隱患。DC-AC模塊主要負(fù)責(zé)將母線電壓DC 48 V轉(zhuǎn)換為AC 220 V，供給空調(diào)用電需求，實(shí)現(xiàn)交流備份，將工作狀態(tài)和運(yùn)行信息傳輸給上位機(jī)控制面板，由上位機(jī)向控制板發(fā)出指令。控制板可借助光耦隔離模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)DC-AC模塊的控制[6]。

2.4 控制板

控制板主要執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的指令，協(xié)調(diào)各個(gè)用電模塊，將用電模塊的運(yùn)行情況反饋給上位機(jī)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)?？梢?，控制板是上位機(jī)GUI控制系統(tǒng)和各個(gè)用電模塊間的通信介質(zhì)?？刂瓢逶O(shè)計(jì)包含20個(gè)DC-DC電源模塊、20個(gè)IO使能線、1個(gè)交流穩(wěn)壓模塊、1個(gè)485接口、1個(gè)隔離降壓模塊、1個(gè)逆變器模塊、1個(gè)升壓模塊、1個(gè)充電模塊、1個(gè)升壓模塊，1個(gè)共用CAN接口以及5個(gè)繼電器。此外，點(diǎn)面板配置13個(gè)LED，電池指示配置5個(gè)LED和18個(gè)IO使能線。在實(shí)際應(yīng)用中，控制板可顯示不可操作狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)以及打開狀態(tài)；電源箱前面板和上位機(jī)都具備用電設(shè)備的供電控制，但電源箱前面板優(yōu)于上位機(jī)。系統(tǒng)中具有市電、油機(jī)1、油機(jī)2、硅發(fā)以及蓄電池5個(gè)輸入源。上位機(jī)界面可以顯示出實(shí)際接入的輸入源，默認(rèn)5個(gè)輸入源不可用后，界面選擇為灰色，輸入源接通后顯示深綠色。

3 車載電源系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用研究

3.1 所要改進(jìn)車載電源系統(tǒng)的不足

例如，某種車用電功率為3 kW，供電方式為12 V低壓供電。在升級(jí)發(fā)展中，這種車用電功率達(dá)到10 kW，仍以12 V低壓供電，車用硅整流交流發(fā)電機(jī)效率僅為60%左右，怠速輸出僅為滿負(fù)荷輸出的1/4，整體發(fā)電性能較低，壽命短，電源系統(tǒng)故障率較高。車載電源改進(jìn)升級(jí)中仍然延續(xù)傳統(tǒng)的“蓄電池+勵(lì)磁發(fā)電機(jī)+調(diào)節(jié)器”結(jié)構(gòu)，盡管使用中有一些缺陷，但技術(shù)已經(jīng)成熟，可滿足改進(jìn)車載設(shè)備的使用要求。對(duì)不足之處的改進(jìn)措施如下：（1）將有電刷勵(lì)磁電路更換成無電刷勵(lì)磁電路，節(jié)省電刷和電刷環(huán)，防止碳刷和電刷接觸不良；（2）將六管整流電路改成九管整流電路、八管整流電路或十一管整流電路，有效增加輸出功率；（3）用集成電路調(diào)節(jié)器替換機(jī)械觸點(diǎn)式調(diào)節(jié)器。這些措施提高了輸出功率，但無法解決低速發(fā)電性能低的問題。

3.2 車載電源系統(tǒng)的功能應(yīng)用與分析

（1）所引用設(shè)計(jì)方案的車載電源系統(tǒng)中，電源箱設(shè)置升壓模塊和降壓模塊。根據(jù)各個(gè)用電模塊的使用需求，通過升壓/降壓模塊的轉(zhuǎn)換和處理自動(dòng)改變功率，具備自動(dòng)變換功率的功能，能夠解決傳統(tǒng)車載電源系統(tǒng)使用中的問題和不足。

（2）所引用設(shè)計(jì)方案的車載電源系統(tǒng)中設(shè)置多路輸入源，通過DC/DC模塊轉(zhuǎn)換適配電壓，為車載用電設(shè)備供電。但是，在DC/DC變換器應(yīng)用中會(huì)存在以下兩個(gè)問題。一是次諧波振蕩。峰值電流控制中，通過對(duì)比實(shí)際電感電流和電壓外環(huán)輸出電流確定PWM波輸出值，當(dāng)占空比超過0.5時(shí)，變壓器原邊電流的擾動(dòng)量會(huì)持續(xù)增加形成振蕩，且振蕩頻率達(dá)到開關(guān)頻率的1/2即為次諧波振蕩，需要使用斜坡補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行抑制。二是軟件開關(guān)范圍受限。DC/DC變換器依靠諧振實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，開關(guān)兩端電壓值的控制變化并非瞬間實(shí)現(xiàn)，變化過程是從Vds到Vin再到0，若開關(guān)信號(hào)間死區(qū)時(shí)間Td較短，在Vds尚未下降到0就啟動(dòng)開關(guān)，將造成開關(guān)管失去軟開關(guān)功能，限制軟開關(guān)范圍。

3.3 DC-DC變換器改進(jìn)措施

3.3.1 斜坡補(bǔ)償技術(shù)

針對(duì)DC-DC變換器次諧波振蕩問題，采用斜坡補(bǔ)償技術(shù)抑制次諧波振蕩，即在電流環(huán)控制量中剔除斜率是m的斜坡信號(hào)，通過斜坡補(bǔ)償使變壓器原邊電流擾動(dòng)變化恢復(fù)正常。發(fā)生電流擾動(dòng)中的變化量計(jì)算公式為：

其中：

系統(tǒng)穩(wěn)定條件為：

在0≤m≤m2時(shí)，抑制次諧波振蕩；在m=2m2時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)完全抑制。

3.3.2 自動(dòng)死區(qū)控制技術(shù)

自動(dòng)死區(qū)控制流程如圖4所示，I0越大，Td越小，也就是輸出電流越大，同橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的死區(qū)時(shí)間越少，可以通過調(diào)節(jié)輸出電流調(diào)整死區(qū)時(shí)間Td，擴(kuò)寬軟開關(guān)范圍。設(shè)計(jì)自動(dòng)死區(qū)控制操作流程，連接輸出電流采樣和ADC通道，采集寄存器數(shù)值得到當(dāng)前負(fù)載情況，把超前橋臂死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)值和滯后橋臂死區(qū)時(shí)間計(jì)數(shù)值傳輸?shù)絜PWM1和ePWM2模塊中。死區(qū)發(fā)生器中的DBRED寄存器和DBFED寄存器接收數(shù)據(jù)信號(hào)，自動(dòng)化調(diào)節(jié)超前橋臂和滯后橋臂死區(qū)時(shí)間。

圖4 自動(dòng)死區(qū)控制流程示意圖

4 結(jié) 論

綜上所述，設(shè)計(jì)車載電源系統(tǒng)首先需明確車載電源系統(tǒng)中的穩(wěn)定供電、邏輯供電、移動(dòng)端接入以及用電監(jiān)測(cè)等設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化上位機(jī)設(shè)計(jì)、電源箱設(shè)計(jì)、配電箱設(shè)計(jì)以及控制板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車載電源系統(tǒng)的控制，其次分析所要改進(jìn)車載電源系統(tǒng)的弊端，顯示設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用效益，最后針對(duì)DC-DC變換器電流峰值控制問題，引入斜坡補(bǔ)償技術(shù)和自動(dòng)死區(qū)控制技術(shù)，從而保證電源系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。