整車電性能設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)簡(jiǎn)述

【摘" 要】提出整車電性能的概念和關(guān)鍵要素，重點(diǎn)闡述電性能涉及的電源分配、電平衡、靜態(tài)功耗、電磁兼容、過載沖擊、搭鐵失效和電量管理等要素的設(shè)計(jì)原則和方法，并提出設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。

【關(guān)鍵詞】電性能；電源分配；電平衡；靜態(tài)功耗；電磁兼容；電量

中圖分類號(hào)：U463.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）11-0031-04

Design and Evaluate of Vehicle Electrical Performance

WANG Jianfeng，HE Nan，ZHANG Yixin，SHANG Chao

（Automotive Engineering Ramp;D Institute，Shaanxi Heavy-duty Automobile Co.，Ltd.，Xi'an 710200，China）

【Abstract】This paper puts forward the concept and key elementsof electrical performance of the vehicle，and focuses on the design principles and methods of power distribution，electric balance，static power consumption，electromagnetic compatibility，overload impact，grounding failure and power management，and puts forward the standards of design evaluation.

【Key words】electrical performance；power distribution；electric balance；status power consumption；electromagnetic compatibility；power volume

1" 整車電性能概述

整車電性能是衡量整車電器系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的能力，它是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)指標(biāo)，主要包含的關(guān)鍵要素有電源分配、電平衡、靜態(tài)功耗、電磁兼容、過載沖擊、搭鐵失效、電量管理等。

在現(xiàn)代汽車中，各主機(jī)廠均會(huì)對(duì)新款車型進(jìn)行電器系統(tǒng)的各種測(cè)試，以挖掘潛在的設(shè)計(jì)問題，但這些問題具有隱蔽性、偶發(fā)性，往往很難捕捉到，也很難復(fù)現(xiàn)，對(duì)測(cè)試設(shè)備和測(cè)試能力有很高的要求，同時(shí)需花費(fèi)高昂的代價(jià)去整改。為了減少后期測(cè)試和整改的工作量，降低電器隱患和售后索賠，有必要在設(shè)計(jì)初期就充分考慮各種因素，規(guī)避大的風(fēng)險(xiǎn)，從電性能的角度完善各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

本文以低壓電器系統(tǒng)為例，盡可能地從可量化的視角去定義這些指標(biāo)，系統(tǒng)闡述在設(shè)計(jì)過程中如何優(yōu)化這些指標(biāo)，并建立各指標(biāo)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)避可能出現(xiàn)的電器風(fēng)險(xiǎn)。

2" 電源分配

電源分配的目的是為整車各個(gè)用電回路提供保護(hù)裝置，防止線束短路造成車輛著火。電源分配的核心在于梳理每個(gè)用電器的電源模式、額定功率、額定電流、峰值電流、公稱熔化熱能等，進(jìn)而根據(jù)熔斷絲選型公式計(jì)算得出相應(yīng)規(guī)格的熔斷絲，熔斷絲規(guī)格確定后即可選擇相應(yīng)的導(dǎo)線規(guī)格。電源分配研究的重點(diǎn)是既要保證短路發(fā)生時(shí)，熔斷絲能快速熔斷而不損傷導(dǎo)線，又要保證回路能承受浪涌電流的沖擊而不頻繁熔斷。

首先，應(yīng)根據(jù)負(fù)載統(tǒng)計(jì)表進(jìn)行負(fù)載電源模式的確定。電源模式一般分為B+、30+、ACC、DR和61+等，它需要對(duì)用電設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景、開啟條件、使用工況進(jìn)行詳細(xì)分析。

以獨(dú)立暖風(fēng)為例，多應(yīng)用于北方寒冷地區(qū)，駕駛員常于夜間車輛熄火休息時(shí)開啟，其它用電器無需工作。若處于B+常電下，電源不受控，則可能在消耗完蓄電池電量后造成車輛無法啟動(dòng)；若處于DR+電源下，則整車網(wǎng)絡(luò)在喚醒狀態(tài)下，用電器均在待機(jī)狀態(tài)，造成蓄電池饋電；故合理的應(yīng)處于30+或ACC下，只有少數(shù)用電設(shè)備可開啟，不會(huì)造成電量的過度消耗，確保下次車輛能正常啟動(dòng)。

其次，根據(jù)負(fù)載實(shí)際工作特性進(jìn)行熔斷絲規(guī)格的選型。常規(guī)的方法是根據(jù)負(fù)載統(tǒng)計(jì)表，而負(fù)載統(tǒng)計(jì)表的參數(shù)值多來自于零部件圖紙。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于Tier能力和實(shí)車環(huán)境的差異，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)際電流遠(yuǎn)大于或小于圖紙規(guī)定的值。若熔斷絲規(guī)格設(shè)計(jì)較小，則無法起到回路的保護(hù)作用；若熔斷絲規(guī)格選擇過大，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線匹配過粗，造成成本的浪費(fèi)；實(shí)際值與參數(shù)值差異過大，有時(shí)甚至?xí)斐奢^大的設(shè)計(jì)變更。

以某款車型的雨刮電機(jī)為例，如圖1所示，圖紙最大堵轉(zhuǎn)電流18A，根據(jù)感性負(fù)載計(jì)算熔斷絲規(guī)格應(yīng)為25A，但實(shí)際臺(tái)架測(cè)試雨刮電機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流為32A，故此處應(yīng)相應(yīng)增加熔斷絲規(guī)格。

因此，電源分配應(yīng)根據(jù)設(shè)備的工作特性曲線進(jìn)行熔斷絲規(guī)格的選型和計(jì)算，才能確保對(duì)回路的有效保護(hù)，負(fù)載統(tǒng)計(jì)表僅作為輸入?yún)⒖?，最有價(jià)值的數(shù)據(jù)來自于臺(tái)架測(cè)試。具體的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

3" 電平衡

電平衡是蓄電池、發(fā)電機(jī)、電氣負(fù)載之間的最佳匹配關(guān)系。電平衡設(shè)計(jì)本質(zhì)上是根據(jù)電氣負(fù)載進(jìn)行蓄電池、發(fā)電機(jī)規(guī)格的選型。電氣負(fù)載需引入用電設(shè)備的使用頻度來計(jì)算整車的加權(quán)電流，即整車最大用電量。加權(quán)電流采用下列公式進(jìn)行計(jì)算：

I加權(quán) = μ i × Pi ／ U

式中：μ i——第i個(gè)用電設(shè)備所對(duì)應(yīng)的頻度系數(shù)，μ i = μs、μo、μw；Pi——第i個(gè)用電設(shè)備的標(biāo)稱功率；U—系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。

電平衡設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

4" 靜態(tài)功耗

靜態(tài)功耗是指當(dāng)整車用電設(shè)備均處于關(guān)閉或休眠的狀態(tài)時(shí)，整車電路中依然存在的暗電流。這個(gè)電流可能是由控制器中的芯片漏電流引起，也可能是由線束回路中的消耗引起，也可能是用電設(shè)備未正常休眠引起。如果靜態(tài)電流過大，會(huì)直接縮短車輛的靜置天數(shù)和起動(dòng)性能。故靜態(tài)功耗一般要求越低越好，一般不超過20mA。降低靜態(tài)功耗的方法主要有以下幾點(diǎn)。

1）嚴(yán)格限制B+電源的設(shè)備數(shù)量。盡可能減少常電下的工作模式，僅保留必要的如危急報(bào)警燈、門控模塊、行駛記錄儀、燃油防盜等基本功能，其余設(shè)備和功能均受電源總開關(guān)控制。

2）控制器PCB板上焊接MCU的外接電源控制開關(guān)，此開關(guān)受外部使能信號(hào)控制，當(dāng)檢測(cè)到外部無信號(hào)或總線無報(bào)文時(shí)可以自動(dòng)切斷整個(gè)控制器的漏電流。

3）整車線路中不允許有單個(gè)回路存在通路，檢查各子系統(tǒng)的圖紙，對(duì)原理進(jìn)行校核，不允許純電阻消耗整車電流。

4）通過對(duì)控制器的臺(tái)架測(cè)試，對(duì)軟件進(jìn)行升級(jí)和修復(fù)，防止未經(jīng)測(cè)試的軟件寫入控制器，避免軟件BUG導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)報(bào)文誤發(fā)而喚醒某些功能。

降低靜態(tài)功耗最有效的方法是在電源分配設(shè)計(jì)時(shí)具體分析每個(gè)設(shè)備工作原理和工作邏輯，避免間接分配到常電模式下。

以某車型電控硅油風(fēng)扇為例，電磁離合器線圈受VCU（整車控制器）的PWM信號(hào)控制，電源也來自于VCU。VCU因認(rèn)證和鎖車功能需要MCU工作在常電模式下，故給VCU電源模式為B+，簡(jiǎn)易系統(tǒng)框圖見圖2。VCU在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，B+輸入與輸出為一路。

電磁離合風(fēng)扇的工作邏輯是當(dāng)離合器線圈通電，離合器脫開，風(fēng)扇靜止；當(dāng)PWM控制端有輸出電壓時(shí)，離合器接合，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)。此原理設(shè)計(jì)的問題在于將電磁離合器的電源劃分到VCU，導(dǎo)致風(fēng)扇線圈常帶電，會(huì)消耗約300mA的靜態(tài)電流，故最有效的優(yōu)化方式為將風(fēng)扇線圈電源改為DR+，可極大地降低整車的靜態(tài)功耗，優(yōu)化后的原理見如圖3所示。

靜態(tài)功耗的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

5" 電磁兼容

電磁兼容是指電器設(shè)備受到來自高頻或低頻電磁波的擾動(dòng)，可能出現(xiàn)信號(hào)失真或噪聲的情況。它不僅指電器設(shè)備本身的干擾源，如繼電器、電機(jī)、感性負(fù)載等，也包括周圍環(huán)境干擾源，如強(qiáng)磁場(chǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、導(dǎo)航儀等。啟動(dòng)過程中，由于啟動(dòng)瞬間浪涌電流非常大，通常為穩(wěn)態(tài)電流的6～10倍，也會(huì)對(duì)電器系統(tǒng)中的其他設(shè)備造成干擾或沖擊。常見的電磁輻射類型有瞬態(tài)傳導(dǎo)發(fā)射、電磁傳導(dǎo)發(fā)射、電磁輻射發(fā)射等，它們的抗擾度越強(qiáng)，電磁兼容的性能就越好。

屏蔽和搭鐵是目前抑制電磁干擾的主要手段，如CAN總線采用抗干擾能力強(qiáng)的屏蔽雙絞線；視頻信號(hào)線采用帶屏蔽層的同軸電纜；控制器采用金屬外殼等。在實(shí)車設(shè)計(jì)中，通常采用搭鐵串聯(lián)的方式，將所有整車的搭鐵點(diǎn)通過單獨(dú)的導(dǎo)線連接，保證搭鐵點(diǎn)的電勢(shì)處于相同水平，可以有效降低導(dǎo)線與設(shè)備之間的諧波噪聲。

模擬仿真也是發(fā)現(xiàn)干擾源的一個(gè)有效手段。通過模擬仿真和等效電路計(jì)算，可以計(jì)算出汽車任意位置的輻射大小以及感應(yīng)電流分布。

電磁兼容設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表4。

6" 過載沖擊

過載沖擊，衡量的是導(dǎo)線回路有沖擊電流時(shí)電器系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力。熔斷器的熔斷時(shí)間、導(dǎo)線溫升、過載電流與導(dǎo)線截面積之間需建立良好的匹配關(guān)系，當(dāng)線束回路由于電壓波動(dòng)，瞬時(shí)電流大于熔斷絲額定值時(shí)，系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)也能穩(wěn)定運(yùn)行；而當(dāng)熔斷絲的公稱熱能累積到一定值時(shí)能正常熔斷；當(dāng)有短路時(shí)，能立即熔斷，以上任何情況均不允許出現(xiàn)設(shè)備和導(dǎo)線的損傷。根據(jù)熔斷絲廠家和類型不同，在選型時(shí)熔斷絲的熔斷特性需要滿足表5的要求。

過載沖擊可能發(fā)生在車輛啟動(dòng)瞬間（啟動(dòng)脈沖），也可能發(fā)生在顛簸路面（連接器瞬斷），線路和設(shè)備可能需承受瞬間十幾倍額定值的浪涌電流，此電流無法消除，只能從設(shè)計(jì)上抑制，并且各設(shè)備之間不能有電流串路。

為了增加電源的穩(wěn)定性，一般會(huì)在控制器的PCB板上焊接電阻和電容，圖4為輸出電容增加極點(diǎn)，圖5為輸出電容ESR增加零點(diǎn)，方式雖然不同，但可以最大限度地濾波，降低電壓差，并且提高過電流對(duì)回路的沖擊能力。

在配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般會(huì)在上游一級(jí)回路增加TVS二極管，也叫瞬態(tài)抑制二極管，對(duì)電流的波峰具有消減作用。TVS管的特性有以下幾點(diǎn)。

1）當(dāng)在電路中反接時(shí)，如果受到大的脈沖電流沖擊，其反向阻抗會(huì)降為0，允許大電流流過，通過車身回到蓄電池負(fù)極，不會(huì)對(duì)設(shè)備造成損害。

2）具有鉗位電壓的作用，能將端電壓保持在額定值，保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定。

TVS二極管的應(yīng)用已經(jīng)開始普及，廣泛運(yùn)用于汽車電路中，如線束回路、中央電器板主電源回路、控制器上游，具體應(yīng)用如圖6所示。過載沖擊的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表6。

7" 搭鐵分配

整車搭鐵分配重點(diǎn)分析的是共地回路搭鐵失效可能對(duì)其它負(fù)載造成的影響。電器功能調(diào)試中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)某些設(shè)備工作異常，如多媒體頻繁黑屏、前組合燈不亮、喇叭異響等，最終發(fā)現(xiàn)均是搭鐵故障造成。常見的搭鐵故障有搭鐵失效和搭鐵不良兩種。搭鐵失效是由于螺母未打緊或孔式端子壓接松脫，導(dǎo)致的搭鐵斷路，常見的風(fēng)險(xiǎn)有電信號(hào)串路；搭鐵不良是由于接觸阻抗過大或端子銹蝕造成的導(dǎo)電性能下降，常見的風(fēng)險(xiǎn)有阻抗增加。表7為搭鐵分配的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

8" 電量管理

鑒于現(xiàn)代汽車節(jié)能環(huán)保的要求，在滿足設(shè)備工作的前提下，需要對(duì)電源系統(tǒng)制定合理的分配策略，提供精確的供電電壓，并能夠?qū)崿F(xiàn)電源狀態(tài)監(jiān)控、電壓電流調(diào)節(jié)、充放電管控、電源設(shè)備管控、電源回路自診斷、自保護(hù)、制動(dòng)能量回收等功能。要實(shí)現(xiàn)以上功能，傳統(tǒng)電路已經(jīng)不能滿足這些要求了，MOSFET的應(yīng)用有了較大的發(fā)展。

隨著技術(shù)的發(fā)展，熔斷絲、繼電器將逐步被MOSFET替代。MOSFET的優(yōu)點(diǎn)是智能、精確、體積小、可靠性高。

常用的是NPN型，它是根據(jù)MOS管的開關(guān)特性，由總線信號(hào)控制柵極（Gate），漏極（Drain）為輸入，源極（Source）為輸出。當(dāng)用作熔斷功能時(shí)，正?；芈分?，MOS管由柵極控制閉合，當(dāng)檢測(cè)到回路中有異常電流時(shí)，柵極控制MOS管斷開；當(dāng)用作繼電器功能時(shí)，柵極相當(dāng)于繼電器的線圈，源極和漏極相當(dāng)于觸點(diǎn)，柵極的信號(hào)可控制MOS管的通斷。

在電源分配中采用MOSFET的主要優(yōu)點(diǎn)是：可編程、輸入輸出可控、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊。通常將同類設(shè)備的電源用不同的繼電器隔離，可保證電源系統(tǒng)無干擾波存在。MOSFET集成了CAN控制信號(hào)，可控制通斷，也可監(jiān)測(cè)異常電流，當(dāng)電流異常時(shí)，自動(dòng)切斷單路MOSFET電源輸出；其次在蓄電池正極增加總線型智能傳感器，它負(fù)責(zé)主電源的監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到瞬時(shí)電流異常或蓄電池SOC小于70%時(shí)，能向車身控制系統(tǒng)發(fā)送緊急斷電請(qǐng)求，自動(dòng)斷開整車電源。這些智能模塊的應(yīng)用，對(duì)整車電性能安全有著重要的意義，可最大限度地保護(hù)車輛用電安全，提高整車電源系統(tǒng)的智能化水平。電量管理設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表8。

9" 結(jié)語

整車電性能是一個(gè)系統(tǒng)性的工程，需要以全局的視角兼顧電器設(shè)計(jì)的方方面面，只有細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)符合規(guī)范的要求，才能提高車輛整體的電性能。隨著各主機(jī)廠設(shè)計(jì)工具和設(shè)計(jì)流程的不斷完善，更多的電性能風(fēng)險(xiǎn)都可以提前規(guī)避和預(yù)防。

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（編輯" 楊" 景）

作者簡(jiǎn)介

王劍峰（1985—），男，工程師，從事汽車電子電器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、整車電器原理設(shè)計(jì)、功能安全研究等工作。