智能制造時(shí)代智能汽車系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)探究

王天宇

摘要：在我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷提升的背景下，智能技術(shù)逐步被應(yīng)用到機(jī)械制造領(lǐng)域中，而智能汽車就是汽車領(lǐng)域與人工智能結(jié)合的全新產(chǎn)物。本文通過具體論述機(jī)械技術(shù)的應(yīng)用前景，闡述智能機(jī)械制造發(fā)展的意義，并根據(jù)實(shí)際情況提出智能制造時(shí)代機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)，為促進(jìn)智能化技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用提供可參考的資料。

關(guān)鍵詞：智能制造;機(jī)械設(shè)計(jì);技術(shù)要點(diǎn)

中圖分類號(hào)：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0021-02

0? 引言

當(dāng)前我國的智能化技術(shù)呈現(xiàn)出快速發(fā)展的趨勢(shì)，并被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中。通過將智能化技術(shù)合理的應(yīng)用到智能汽車系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)中，常用的電源設(shè)計(jì)有兩種：第一種是使用開源飛控控制系統(tǒng)的電源，常使用磷酸鐵鋰電池，常用的有1s（3.7伏）、2s（7.4伏）、3s（11.1伏）、4s（14.8伏）等一系列鋰電池。第二種是使用單片機(jī)或開發(fā)板設(shè)計(jì)，其整個(gè)控制系統(tǒng)的電源一般為7.2V左右，而整個(gè)系統(tǒng)的電路具有較大的電流需求，所以電源可盡量選取能夠提供較大工作電流的鎳鎘電池。同時(shí)，由于整車各系統(tǒng)對(duì)電流和電壓的要求不同，應(yīng)采用功率較大的裝置來進(jìn)行電源降壓或者是升壓。這樣由于智能車輛系統(tǒng)的電壓和功率需求不斷變化，在功率設(shè)計(jì)過程中要考慮的因素將更加復(fù)雜。

1? 智能汽車系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

1.1 超聲波避障傳感器模塊和紅外線光電傳感模塊

在智能車系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)中，以飛思卡爾智能車為例，整個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)主要由超聲波避障傳感器模塊和紅外傳感器、CCD攝像機(jī)和車載電源組成。第一種采用開源飛控控制系統(tǒng)的電源，例如使用APM2.8開源飛控控制系統(tǒng)，飛控面板可以直接提供超聲波避障傳感器模塊和紅外傳感器模塊電源非常方便，可以直接接入相應(yīng)的接口。第二種使用單片機(jī)或開發(fā)板設(shè)計(jì)的超聲波避障傳感器模塊和紅外傳感器模塊電源;通過對(duì)智能IC汽車發(fā)展的綜合分析，最常用的三種穩(wěn)定端電壓不僅包括三端固定式集成穩(wěn)壓器 78×× 正電壓輸出系列以及79×× 負(fù)電壓輸出系列兩個(gè)系列，而且還包括了LM317及LM337在內(nèi)的三端可調(diào)穩(wěn)壓形式的集成電路。其中，在前兩個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)，輸入電壓應(yīng)比正常輸出電壓高3-5V，使集成電壓調(diào)節(jié)器能夠在以下范圍內(nèi)工作：一般兩大系列的兩組穩(wěn)壓器和集成電路電壓串聯(lián)在一起，這將在一定程度上影響性能周期性的測(cè)量。這些電路的最小輸入電壓為6.5V，所以工作電流可以保持在1A，更能滿足模塊電路的實(shí)際需要。

1.2 控制板、GPS、舵機(jī)和后輪電機(jī)

本文在研究的過程中以飛思卡爾智能小車為例進(jìn)行分析，第一種采用開源飛控控制系統(tǒng)的電源，例如使用APM2.8開源飛控控制系統(tǒng)，對(duì)于傳感器數(shù)量不太多的車輛，舵機(jī)控制可以采用電調(diào)BEC供電，舵機(jī)直接接入第一組橫滾接口。因?yàn)殡娬{(diào)有5V/1A的輸出，所以可以同時(shí)給飛控板供電。特殊情況下，傳感器數(shù)量大則需采用分離供電。由于車輛選擇的是后輪驅(qū)動(dòng)，所以電源通過控制板直接給后輪無刷電機(jī)供電，同時(shí)電調(diào)接入控制板相應(yīng)電調(diào)接口，根據(jù)負(fù)載大小控制電機(jī)電流大小從而達(dá)到根據(jù)指令控制車輛的轉(zhuǎn)速和扭矩大小的目的。第二種使用單片機(jī)或開發(fā)板設(shè)計(jì)的電源;一般來說，在正常情況下，內(nèi)舵機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作電流應(yīng)保持在700mA，而電壓值通常為6V。因此，在進(jìn)行模塊的設(shè)計(jì)過程中，LM1117ADH主要用于建立一個(gè)電壓控制電路，LM1117的三端穩(wěn)壓輸入電壓從6V降到4V，這樣的電壓數(shù)值便會(huì)直接影響到系統(tǒng)的功能方向。通過結(jié)合上述的情況進(jìn)行分析，則需要統(tǒng)籌進(jìn)行舵機(jī)的電源電路調(diào)整，仔細(xì)調(diào)整轉(zhuǎn)向系統(tǒng)電源電路，拆除電壓控制系統(tǒng)，然后將兩個(gè)二極管以串聯(lián)的形式集成到開關(guān)電路中。為了能夠滿足舵機(jī)自身的電壓要求，讓工作電流更加的穩(wěn)定，以此保證舵機(jī)能夠正常的運(yùn)行。因此，為了能夠逐步消除電路內(nèi)的高頻雜波干擾，并且LM1117為低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器，輸出電流為0.8A，固定輸出電壓或可調(diào)輸出。其可調(diào)輸出電壓的范圍為2.5-13.8V。其應(yīng)用電路中一般都采用鉭電容，且至少需10UF以上，在輸入端必須接上一個(gè)輸入電容。此電壓控制電路可以同時(shí)給要求不高的控制板和GPS供電。此外，后輪驅(qū)動(dòng)的電機(jī)在正常工作時(shí)候的電流基本上保持在1.5A上下，而只有在堵轉(zhuǎn)時(shí)的電流才在2A以上，所以電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電源電壓則能夠直接連接起來，這樣才能夠保證運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的電流數(shù)值處于正常的狀態(tài)下。

1.3 攝像系統(tǒng)、數(shù)字傳輸器及CCD圖傳模塊

第一種采用開源飛控控制系統(tǒng)的電源，例如使用APM2.8開源飛控控制系統(tǒng)，APM2.8飛控板上提供有攝像系統(tǒng)、數(shù)字傳輸器及CCD圖傳模塊電源專用接口，可以直接把攝像系統(tǒng)、數(shù)字傳輸器（由于APM2.8沒有osd模塊及功能，需要外掛一個(gè)osd模塊）及CCD圖傳模塊接入各自自相應(yīng)接口上，注意外置GPS還需要接入一個(gè)單獨(dú)的外置羅盤接口。

第二種使用單片機(jī)或開發(fā)板設(shè)計(jì)的電源;通過將7.2V的原始工作電壓與其他系統(tǒng)的工作電壓進(jìn)行比較，其CCD圖像傳感模塊的工作電壓應(yīng)該盡量控制在9～12V之間，再合理采用斬波升壓電路進(jìn)行電源的升壓處理。其中，因MAX734這種類型的開關(guān)穩(wěn)壓芯片的輸入電壓極限值基本上被維持在4.75V左右，工作效率非常高，所以在設(shè)計(jì)這個(gè)模塊的電路時(shí)則需要合理的利用開關(guān)升壓電路來達(dá)到提升攝像頭的電壓。同時(shí)，還需要靈活的應(yīng)用脈寬調(diào)制的斬波升壓電路來更好的實(shí)現(xiàn)CCD圖像傳感模塊的工作目標(biāo)，大幅度提升斬波升壓電路的工作效率。

2? 智能汽車電源控制要點(diǎn)

通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電源的需求進(jìn)行統(tǒng)籌分析，便需要在智能汽車電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之前進(jìn)行整體規(guī)劃。本文通過以飛思卡爾智能小汽車為例進(jìn)行深入分析，并且需要開展相應(yīng)的說明。例如，通過以飛思卡爾智能小車為例進(jìn)行分析，第一種采用開源飛控控制系統(tǒng)的電源，例如使用APM2.8開源飛控控制系統(tǒng)只需接入主板電源，主板可以提供紅外傳感器模塊、CCD攝像頭、霍爾元件計(jì)數(shù)模塊、舵機(jī)電源模塊、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等電源模塊，結(jié)構(gòu)簡單，還有地面站和開源設(shè)計(jì)支持，可以進(jìn)行二次開發(fā)，非常適合初入門學(xué)習(xí)者使用。第二種使用單片機(jī)或開發(fā)板設(shè)計(jì)的電源;該小車主要是以16位微控制器中的MC9S12DGI28B作為核心，所以通過全程控制小車的情況，并靈活的應(yīng)用反射式紅外光電對(duì)管TCR T5000、CCD傳感器、霍爾元件來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將這些數(shù)據(jù)直接移送到單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。同時(shí)，通過靈活的采用微控制器所發(fā)出的指令來對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。其中，在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，主要涉及到紅外傳感器模塊、CCD攝像頭、霍爾元件計(jì)數(shù)模塊、舵機(jī)電源模塊、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)系統(tǒng)電源模塊等幾個(gè)重要的模塊。

2.1 蓄電池的監(jiān)控與保護(hù)

合理估計(jì)電池電量是電池管理的重要依據(jù)，電池管理可以靈活地調(diào)節(jié)電池傳感器，采集電池電壓和電流數(shù)據(jù)。然后，通過全面分析電池的使用情況，便可以合理的進(jìn)行蓄電池的電量估計(jì)，通過結(jié)合當(dāng)前應(yīng)用頻率較高的算法，在共享電池電源的情況下，應(yīng)用頻率較高，電池分區(qū)保護(hù)可能激活已實(shí)施。這樣電量則能夠在不同的區(qū)間內(nèi)使用不同的充放電策略。通常蓄電池的分區(qū)則主要涉及到回收、循環(huán)、保留和虧電幾種?？傮w而言，電源在恢復(fù)區(qū)，電池能夠放電，所以可以創(chuàng)造足夠的空間來回收制動(dòng)能量;當(dāng)電源在循環(huán)區(qū)域內(nèi)時(shí)，整個(gè)電池便處于能夠充電和放電循環(huán)的狀態(tài)。這樣換句話來分析，什么時(shí)候在充電過程中，蓄電池達(dá)到循環(huán)的負(fù)載上限，蓄電池處于放電狀態(tài)，反之亦然，電池處于充電狀態(tài)，以確保電池功率始終能控制在循環(huán)區(qū)域內(nèi)。

2.2 發(fā)電機(jī)的控制

發(fā)電機(jī)是智能汽車能源系統(tǒng)的重要能源，也是整車智能動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生電能消耗的直接途徑，關(guān)鍵燃料穩(wěn)定能量流是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵電源。由于工作模式和輸出電壓恒定，傳統(tǒng)的汽車發(fā)電機(jī)經(jīng)常對(duì)蓄電池和負(fù)載來調(diào)節(jié)固定的工作方式和輸出電壓情況，這在一定程度上增加了配電能量的分配程度。一般來說，智能車輛發(fā)電機(jī)的控制主要包括識(shí)別蓄電池的分區(qū)和車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后靈活利用磁場(chǎng)電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)工況控制電池，并且能夠綜合采用磁電流的形式來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的工作模式?？傮w而言，智能汽車的主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是由啟動(dòng)、怠速/勻速、加速、停轉(zhuǎn)和制動(dòng)幾個(gè)環(huán)節(jié)組合而成，所以可根據(jù)以下發(fā)電機(jī)控制策略來快速回收制動(dòng)蓄電池隔板的能量。同時(shí)，當(dāng)電量在充滿的情況下，便可以充分利用高速充電，使制動(dòng)能量恢復(fù)到制動(dòng)狀態(tài)下的充電狀態(tài)。這時(shí)，再轉(zhuǎn)換可充電模式，充分利用浮夸的模式來降低能耗;二是在加速的狀態(tài)下，當(dāng)電量允許的情況下便可以將發(fā)電機(jī)關(guān)閉，再通過利用蓄電池的功能來有效降低能耗;三是當(dāng)汽車處于正常行駛的狀態(tài)下，在循環(huán)區(qū)域內(nèi)發(fā)電，可合理調(diào)整能源生產(chǎn)方式，并預(yù)留相應(yīng)的制動(dòng)能量回收區(qū)域，盡量保留足夠的有效靜電能。

2.3 突發(fā)模式超低電流管理

縱觀整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程，無論是娛樂系統(tǒng)還是防盜系統(tǒng)，都主要取決于電源的供電。為了能夠讓娛樂系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)能夠在正常的工作狀態(tài)下應(yīng)用突發(fā)性模式，而在采用突發(fā)模式系統(tǒng)時(shí)可具體涉及到下列幾個(gè)方面的內(nèi)容：一是當(dāng)整個(gè)智能汽車電源系統(tǒng)在運(yùn)行過程中處于待機(jī)的狀態(tài)下，則必須要保證車輛系統(tǒng)的電流不被阻塞;二是通過消除車輛系統(tǒng)中的電流阻塞情況，才能夠保證整個(gè)汽車系統(tǒng)在應(yīng)用的過程中能夠始終處于靜態(tài)電流的狀態(tài)下;三是電流的數(shù)值應(yīng)該盡量低于100μA。大功率控制器可安裝在電源中，智能汽車的電氣化能夠有效地提高能耗。

2.4 高低電壓電路的集成

通常結(jié)合電壓、系統(tǒng)電流、電源等不同的要求設(shè)計(jì)智能汽車，部分集成系統(tǒng)直接連接蓄電池。此外，當(dāng)信號(hào)處理工作的性能不斷升級(jí)的情況下，工作電壓低，信號(hào)處理的效率和耐久性也必須不斷提高。因此，在車載電源管理中，對(duì)信號(hào)處理的要求也越來越高。同時(shí)，當(dāng)應(yīng)用的制造工藝屬于亞微米級(jí)的時(shí)候，當(dāng)工作電壓處于低壓的狀態(tài)下，便需要讓高低壓與供電系統(tǒng)緊密結(jié)合起來。這樣通過靈活的應(yīng)用兩項(xiàng)工藝優(yōu)勢(shì)，便能夠在滿足各類型元件在電壓上的差異需求，集成電源管理系統(tǒng)和控制處理器的控制和診斷則很容易發(fā)生功能缺失的情況。

總之，隨著智能制造時(shí)代不斷發(fā)展，智能機(jī)械制造設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值逐步凸顯出來。通過合理的應(yīng)用智能制造時(shí)代下的智能汽車系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)技術(shù)，不但能夠提升智能汽車系統(tǒng)的電源使用效率，而且還能夠保證智能汽車系統(tǒng)正常運(yùn)行。同時(shí)，通過全面做好智能分類、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用和制造設(shè)計(jì)思維創(chuàng)新工作，便能夠大幅度提升機(jī)械制造的智能化程度，逐步推動(dòng)我國的機(jī)械制造業(yè)朝著可持續(xù)性的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉玥，汪春華，姚勤文，等.基于多核異構(gòu)系統(tǒng)的T-BOX電源設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（01）：54-56.

[2]章麗紅.基于CAN總線的車載智能電源管理系統(tǒng)，CN

111332232A[P].2020.

[3]趙洪林.基于Pareto的L4級(jí)智能電動(dòng)汽車EE架構(gòu)優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)[D].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2020.

[4]曾清德，吳道恩.基于熱釋電紅外傳感器的汽車人身安全智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2020（22）：45-47.