隨著汽車電子功能的爆炸式增長(zhǎng)锉走，越來越豪華的汽車是否會(huì)危及乘客安全呢滨彻？這就是汽車過電氣化問題的起源，設(shè)計(jì)工程師要采取什么舉措才能避免潛在的危險(xiǎn)呢挠日？

        回憶過去(不那么遙遠(yuǎn)以前)疮绷，駕駛著你爸的老爺車，AM/FM收音機(jī)嚣潜、磁帶錄放機(jī)和汽車空調(diào)標(biāo)志著那個(gè)時(shí)代豪華汽車的最高水平了冬骚。如今，許多人難以想象懂算，全家人的公路之旅幾乎都配備了衛(wèi)星導(dǎo)航GPS只冻、每一個(gè)乘客單獨(dú)的DVD播放機(jī)、車內(nèi)氣候控制计技、加熱座椅喜德、巡航控制、無線接入以及提醒駕駛員車燈一直開著的語音提示功能综非，引擎要持續(xù)為這些電子系統(tǒng)供電沪择，否則，車上這些設(shè)備將變成華而不實(shí)的擺設(shè)琴偿。

        隨著汽車電子和電氣附件的增加羞烘，制造商如何通過提供足夠的電源來滿足其要求呢？一旦出現(xiàn)電壓浪涌或下跌划葫，會(huì)發(fā)生什么情況蝉陕？更為豪華的汽車是否會(huì)危及乘客的安全？要采取什么解決方案才能確保高度電氣化的汽車維持足夠的電源扶眼？

附件功耗呈現(xiàn)上升之勢(shì)

        汽車電子和電器設(shè)備以平均每輛車每年超過110W的速度遞增拂极，最近，過去由機(jī)械力和液壓力推動(dòng)的系統(tǒng)都改由電力驅(qū)動(dòng)忍坯，對(duì)電能的大部分需求都源于此猛珍。上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)具有存儲(chǔ)容量大約為8KB電子控制單元砰普；而現(xiàn)代的第五代ABS硬件配備128KB的存儲(chǔ)器，大小僅僅為早期系統(tǒng)的40%陕匿。由于設(shè)計(jì)精巧和創(chuàng)新金矛，現(xiàn)代電氣/電子系統(tǒng)對(duì)功率的要求通常比最初推出的系統(tǒng)要小。

        下表總結(jié)了現(xiàn)代汽車的汽車電氣/電子系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)(和負(fù)載)：

        發(fā)動(dòng)機(jī)管理

        多媒體和加熱勺届、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)

        車身電子

        底盤電子

        照明(外部和內(nèi)部)

        未來的系統(tǒng)
 
        表中所列的用電負(fù)載是連續(xù)和間歇運(yùn)行的部件的混合體。然而娶耍，汽車電力充電系統(tǒng)的組成部分至少要包括交流發(fā)電機(jī)免姿、蓄電池和電力配線系統(tǒng)(也就是PowerNet)，它必須完全持續(xù)地支持引擎管理功能以及大部分的多媒體和HVAC功能榕酒，并根據(jù)駕駛條件和消費(fèi)者的用途支持其余類別的汽車電子系統(tǒng)胚膊。

        表中的兩類(引擎管理、多媒體和HVAC)汽車電子系統(tǒng)需要汽車電力系統(tǒng)提供102A的電流想鹰。這一點(diǎn)很重要紊婉，為了描述附件超載的電流狀態(tài)，要注意：為了在不增加電池的條件下支持102A的負(fù)載辑舷，交流發(fā)電機(jī)必須具備大約兩倍的額定電流—204A喻犁。原因在于：當(dāng)引擎低速運(yùn)行且怠速時(shí)，汽車交流發(fā)電機(jī)僅僅可以產(chǎn)生一半的電能何缓。這就需要大型的交流發(fā)電機(jī)肢础，在標(biāo)稱系統(tǒng)電壓為14.2V的PowerNet上，它必須提供2,840W的功率黑声。

        如果以不同的占空周期把其余的四個(gè)子系統(tǒng)的用電負(fù)載包含在汽車的負(fù)載調(diào)查表中埂体，就有可能輕易地超過交流發(fā)電機(jī)的供電能力。當(dāng)這種情況出現(xiàn)于現(xiàn)在的汽車上時(shí)失能，PowerNet的電壓就會(huì)下降洛续，直到系統(tǒng)電壓與電池內(nèi)部12.8V的電壓匹配，此時(shí)饵臀，蓄電池開始為總的用電負(fù)載提供一部分電能绞宿。這種效應(yīng)被稱為電池分配(battery contribution)。

        電池分配是一種周期性的事件愕啰，它隨機(jī)地為不定期工作的用電負(fù)載供電津霜，如乘員室的自動(dòng)溫度控制、旋轉(zhuǎn)方向盤的事件温盅；或?yàn)橄M(fèi)者所選擇的確定性負(fù)載供電曹撩，如音響或?qū)Ш街帧＿@些周期性事件就是電池耗盡的原因改耽，并最終導(dǎo)致需要更換電池牡鸥。

        關(guān)于該表要注意的最后一點(diǎn)是：如果考慮車身電子叁巨、照明和底盤電子等子系統(tǒng)的間歇性負(fù)載，對(duì)汽車充電系統(tǒng)的需求就真的是附件超載(accessory overload)呐籽。將來的系統(tǒng)將持續(xù)這種趨勢(shì)锋勺。

        汽車制造商因此正采取步驟降低因電子系統(tǒng)泛濫所造成的電氣系統(tǒng)超載問題。這些措施包括：提高現(xiàn)有用電附件的效率狡蝶；功能集成以消除重復(fù)的控制電子系統(tǒng)庶橱，從而降低控制系統(tǒng)的耗電；縮小機(jī)械傳動(dòng)裝置贪惹，例如苏章，對(duì)ABS創(chuàng)新使之能夠以更小、更低的功耗提供預(yù)期的功能奏瞬。

電力需求無窮無盡

        實(shí)際情況依然是：在不遠(yuǎn)的將來枫绅，附件超載將繼續(xù)猛烈如初，因?yàn)橄M(fèi)者需要越來越多的新特色和功能硼端。從下圖可見4代汽車電子系統(tǒng)的演變進(jìn)程并淋。 
 
        從1968年到上世紀(jì)70年代，第一代汽車電子系統(tǒng)包括電動(dòng)助力窗珍昨、電動(dòng)門鎖县耽、空調(diào)、電子燃油注入和電子點(diǎn)火惨浩，這些系統(tǒng)對(duì)于滿足那個(gè)時(shí)代的排放規(guī)則的要求是必需的早斯，并演變到采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。

        從上世紀(jì)80年代到90年代早期赫窄，第二代汽車電子系統(tǒng)包括ABS阶桦、防盜系統(tǒng)和更為先進(jìn)的電子引擎控制系統(tǒng)，以滿足限制尾氣排放的法規(guī)的要求臭脯。第二代汽車電子系統(tǒng)因采用軟件控制功能和專用電子控制單元而成為可能铜朗，如早期的引擎控制單元(ECU)通過基于傳感器的閉環(huán)控制及取代了老式機(jī)械系統(tǒng)的電子機(jī)械傳動(dòng)裝置來管理燃油、火花塞放電和廢氣的再循環(huán)谒娩。

        第三代汽車電子功能因引入更為強(qiáng)大的微處理器而成為可能嗅桑，例如以80186取代8080，并能夠處理更多的控制功能嵌障。這就引出了更為先進(jìn)的功能放余，如多工通信和分布式計(jì)算功能、巡航控制畦盏、導(dǎo)航功能以及自動(dòng)化程度更高的空調(diào)系統(tǒng)征炼，并改善了變速箱，實(shí)現(xiàn)了人力操縱傳動(dòng)的自動(dòng)化，采用了更為先進(jìn)的氣囊谆奥。在第三代汽車電子時(shí)代眼坏，車載娛樂系統(tǒng)采用了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，提高了分布式電子系統(tǒng)架構(gòu)的性能酸些，擴(kuò)展了諸如控制器局域網(wǎng)(CAN)之類多工通信的應(yīng)用宰译。

        利用更高級(jí)別的分布式汽車電子系統(tǒng)，就有可能從儀表盤面板中騰出新的空間魄懂，因?yàn)橹挥锌刂菩畔⑹切枰x取的沿侈。上世紀(jì)90年代的音響系統(tǒng)就是這種趨勢(shì)的一個(gè)例證，其中市栗，收音機(jī)機(jī)芯和音響放大器級(jí)都安裝到汽車車身的后窗臺(tái)區(qū)域之中肋坚，儀表盤面板上僅僅留下顯示器和開關(guān)。車內(nèi)氣候電子控制肃廓、導(dǎo)航系統(tǒng)、CD換碟器等等之類的系統(tǒng)也出現(xiàn)了類似的趨勢(shì)诲泌。

        在第四代汽車電子系統(tǒng)階段官澳，微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器在汽車中的應(yīng)用更為普及。這些21世紀(jì)的系統(tǒng)中予裳，每輛車的汽車電子系統(tǒng)采用了40到80個(gè)以上的微處理器和35到100個(gè)以上的電機(jī)澈渠。新的系統(tǒng)由軟件控制，并廣泛地依賴于廉價(jià)和魯棒的存儲(chǔ)器硬件的可用性芙继。

        將來汽車中電子系統(tǒng)的數(shù)量可能不會(huì)像二代時(shí)增長(zhǎng)那么快坞鲁，但是，軟件系統(tǒng)將呈指數(shù)增長(zhǎng)锻碎。例如萄撇，目前正呈現(xiàn)的一個(gè)趨勢(shì)就是通過免疫系統(tǒng)工程把在線診斷(OBD)升級(jí)為下一代的OBD1。之所以出現(xiàn)這種趨勢(shì)是因?yàn)椋耗壳暗南到y(tǒng)復(fù)雜性如此之高竖拢，以至于接近2/3的故障模式根本無法解讀该眨，并且將繼續(xù)惡化。

        要診斷未來的汽車電子系統(tǒng)莫切，將需要擴(kuò)充在線計(jì)算軟件以執(zhí)行診斷兢糯，因?yàn)閷淼南到y(tǒng)所包含的電氣化高安全性子系統(tǒng)比現(xiàn)有的系統(tǒng)要多一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這些高安全性子系統(tǒng)包含在此已討論過的電氣化子系統(tǒng)及更多的子系統(tǒng)贸伐。目前勘天，電子節(jié)氣門控制(ETC)和電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)已經(jīng)被延伸到電子穩(wěn)定程序(ESP)系統(tǒng)，以管理汽車縱向運(yùn)動(dòng)控制到電子受控剎車(ECB)系統(tǒng)等等功能捉邢。這些子系統(tǒng)成為表中所列的第6類脯丝。(改寫)

PowerNet穩(wěn)定性

        隨著汽車電子系統(tǒng)的增多和汽車電力供電系統(tǒng)負(fù)擔(dān)的加重，設(shè)計(jì)工程師如何才能減輕各種各樣汽車用電設(shè)備的影響歌逢？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(zhǎng)巾钉，實(shí)際上這不是一個(gè)小數(shù)翘狱，因?yàn)槲覀円呀?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(fù)荷運(yùn)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”砰苍？什么時(shí)候會(huì)發(fā)生這種情況潦匈？

        當(dāng)混沌系統(tǒng)行為受到某種壓力因素作用的時(shí)候，如果該壓力因素的增長(zhǎng)悄無聲息赚导，最終會(huì)接近一個(gè)崩潰點(diǎn)或傾翻點(diǎn)茬缩。隨著對(duì)汽車PowerNet需求的增加，汽車上正在發(fā)生這種情況吼旧。從電網(wǎng)穩(wěn)定度的觀點(diǎn)看凰锡，這種情況并不是如此嚴(yán)重，因?yàn)橛衅囆铍姵氐姆€(wěn)定作用嘶款。

PowerNet瞬間波動(dòng)所帶來的問題

        如上所述忿脉，21世紀(jì)的汽車電子系統(tǒng)高度依賴于軟件，因此居删，越來越易于受到PowerNet可變性的影響稻悟，并且擁擠雜亂的電力分配網(wǎng)絡(luò)對(duì)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榄兑，以解決日益惡化的電源分配網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題碉榔。實(shí)際上依然是所有電子模塊都具有不同級(jí)別的噪聲免疫性；有時(shí)在已惡化的電源分配網(wǎng)絡(luò)與模塊本身負(fù)載開關(guān)的共同作用下马窘，可能導(dǎo)致軟件故障拄央。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(shí)出現(xiàn)的電源線波動(dòng)、涌動(dòng)和負(fù)載驅(qū)動(dòng)脈沖的影響寡专。

        目前存睬，汽車制造商正尋求利用超級(jí)電容分布式模塊或本地電能儲(chǔ)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茧伍。下圖描述分布式電子模塊很鸥、機(jī)電傳動(dòng)裝置和超級(jí)電容部分儲(chǔ)能器件之間實(shí)現(xiàn)平衡的分層視圖。
 
        在這個(gè)高度簡(jiǎn)化的描述中珍语，超級(jí)電容分布模塊或雙層電容(DLC)緊靠高耗能用電負(fù)載锤岸，如EPS(1.2KW)、電子機(jī)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)板乙。本地分布式模塊為高峰負(fù)載供電是偷，避免造成來自交流發(fā)電機(jī)和電池的14V電源線出現(xiàn)強(qiáng)烈的波動(dòng)。

        高耗能負(fù)載的切換募逞，如上圖中加亮的那些部分對(duì)汽車電力分配網(wǎng)絡(luò)—14V PowerNet—有重大的干擾蛋铆。例如，在一些最新提出的EPS設(shè)計(jì)中，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)有130A的電力需求刺啦，最高達(dá)到160A留特。過去，人們假設(shè)EPS電力需求在85A(1.2KW)到130A(1.8KW)范圍內(nèi)玛瘸，如果超出那個(gè)范圍就表示PowerNet處于最壞供電狀態(tài)蜕青，就可能危及EPS的正常運(yùn)行。當(dāng)引擎幾乎處于怠速且連續(xù)負(fù)載已經(jīng)是27A加67A或1.3KW時(shí)糊渊，把1.2到1.8KW的瞬時(shí)負(fù)載加在PowerNet上旋钓，意味著電力分配系統(tǒng)的電壓波動(dòng)為14.2V到12.8V；這也是電池電位的波動(dòng)范圍舆骚。如果電力分配系統(tǒng)電壓下降10%鱼谅，那么，那么從前大燈變暗就顯而易見悉歼，并且EPS性能也會(huì)退化益若，更不要提PowerNet瞬態(tài)波動(dòng)傳導(dǎo)到所有其它相連ECU所引起的問題了。

負(fù)載平滑方法

        本文前半部分描繪了汽車附件電力瞬態(tài)超載的情況洁操，這里將通過仿真對(duì)此做進(jìn)一步的解釋晚乙。在圖解說明的過程中，假設(shè)電動(dòng)助力系統(tǒng)(EPS)工作的過程中累冠，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的電流拳芹，例如蝇罐，在堅(jiān)硬的路面上做變道機(jī)動(dòng)或以低速在停車場(chǎng)駐車。

        在如下所示的第一種情況下矢勉，當(dāng)PowerNet相對(duì)處于重載時(shí)EPS被激活合弥，但是，沒有安裝超級(jí)電容電力分配模塊固蛾。相連負(fù)載代表27A的引擎管理结执、55A的氣候控制和15A的遙控電子控制單元(ECU)。例如艾凯，該遙控ECU可能是音響模塊献幔，并有意顯示為采用本地電解電容器做濾波和平滑。 
 
圖：該P(yáng)owerNet為處于工作狀態(tài)的EPS供電趾诗，但是蜡感，沒有安裝超級(jí)電容分配模塊。
 
        在上圖中恃泪，汽車充電系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)和鉛酸電池來表示郑兴。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(xué)建模工具對(duì)電池進(jìn)行比較詳細(xì)的建模。PowerNet被高度簡(jiǎn)化為由線規(guī)電阻建模的四個(gè)分支電路情连，包括引擎控制叽粹、車箱氣候控制、本地ECU和EPS(最右邊)却舀。PowerNet分配點(diǎn)被標(biāo)注為PDB或電力分配箱盼饼。

        當(dāng)EPS工作時(shí)，下圖描繪了上述電路引起的PowerNet瞬態(tài)波動(dòng)勒蜀。注意：當(dāng)電力分配網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)津咒，交流發(fā)電機(jī)提供給電池的最初充電電流。 
 
圖：當(dāng)EPS被激活時(shí)雁碘，造成PowerNet的瞬態(tài)波動(dòng)哩拔。
 
        在上圖的曲線中，從左到右啥拘、從頂向下依次為：交流發(fā)電機(jī)輸出電流影焙、電池電流、電池電壓血肯、EPS電流和本地ECU端的電壓襟笋。注意，在EPS瞬時(shí)被激活前途居，電池需要20A的連續(xù)充電電流抵肌。在此仿真中，假設(shè)電池充電狀態(tài)為低袍镀，需要充電默蚌。關(guān)鍵點(diǎn)是ECU終端電壓的高可變性：13.8V到13.2V，再到12.2V苇羡，然后绸吸，回到13.2V。這是非常具有破壞性的瞬時(shí)電壓波動(dòng)设江，其波動(dòng)范圍超過了大型電解濾波電容器的平滑能力锦茁。

        在汽車電力分配網(wǎng)絡(luò)上會(huì)出現(xiàn)許多此類瞬時(shí)波動(dòng)現(xiàn)象，以至于汽車電力環(huán)境充滿了此類噪聲叉存，讓各種ECU受到電源線上寬范圍的上下波動(dòng)的影響码俩。 
 
圖：該P(yáng)owerNet電路為已激活的EPS供電并包含一個(gè)超級(jí)電容分布式模塊(右上)。
 
        上圖與前一張PowerNet電路圖相同歼捏，但是握玛，增加了放置在EPS負(fù)載點(diǎn)的超級(jí)分布式模塊。這個(gè)超級(jí)模塊是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車設(shè)計(jì)產(chǎn)品甫菠，它在大的用電負(fù)載附近像電池一樣提供穩(wěn)定和平滑的PowerNet挠铲。所有其它地方一樣冕屯，存在超級(jí)分布式模塊的地方，就可以容易地在PowerNet和ECU電壓上觀察到平滑作用网孕。 
 
圖：當(dāng)EPS被激活時(shí)蒿庙，超級(jí)電容器分布式模塊平滑了PowerNet上的電源波動(dòng)。
 
        在上圖中可見慢筝，配備超級(jí)電容器分布式模塊的PowerNet顯示了好得多的響應(yīng)行為砖蕾。注意：顯示的刻度發(fā)生了變化，電源的變化范圍比沒有采用超級(jí)電容器模塊時(shí)要小得多贮秤。重要的一點(diǎn)是：EPS電流不變廷共，所以，其功能保持不變巴俺。超級(jí)電容器分布式模塊的突出特征在于：極大地降低了為本地ECU供電的PowerNet的另外一個(gè)分支電路的終端電壓上的電源線干擾(右下線跡)诸鲸。

        基于碳超級(jí)電容器技術(shù)的分布式模塊或本地儲(chǔ)能的好處在于：穩(wěn)定PowerNet的效率很高，即使在汽車的遠(yuǎn)端分支電路中也有助于平滑和穩(wěn)定電源線诈猎。

        在不遠(yuǎn)的將來使驰，汽車電子功能和特色內(nèi)容將持續(xù)增長(zhǎng)，隨之而來的是日益增加的附件導(dǎo)致電力分配系統(tǒng)超載消忘。大的連續(xù)電力加載正把汽車充電系統(tǒng)推向超載骄娶，越來越多和越來越大的耗電設(shè)備所產(chǎn)生的負(fù)載瞬時(shí)電壓波動(dòng)，讓非常復(fù)雜和高度分布的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)很可能受到破壞哩至。

        為了看清楚這一點(diǎn)躏嚎，考察一下典型汽車上的空調(diào)壓縮機(jī)以及中等美國(guó)家庭中安裝的空調(diào)機(jī)的制冷能力，就可以看到車內(nèi)送風(fēng)電機(jī)實(shí)際上比家用中央加熱系統(tǒng)的耗電要大得多菩貌。其它許多車內(nèi)用電設(shè)備也類似卢佣。所有這些用電設(shè)備都安裝在非常有限的空間內(nèi)，因而常巢艘ィ“擁抱”熱量和振動(dòng)。

        超級(jí)電容器分布式模塊可以取代兩到三個(gè)鉛酸蓄電池晚缩，從而為乘用車提供供電解決方案尾膊，并且它為電力系統(tǒng)提供了足夠的濾波。在某種程度上說荞彼，可以稱之為迫近傾翻點(diǎn)冈敛。對(duì)于汽車制造商來說，要重新安排PowerNet并把電力分配系統(tǒng)的電壓增加3倍以達(dá)到所提議的42V標(biāo)準(zhǔn)鸣皂，超級(jí)電容器分布式模塊將是必不可少的抓谴。單單依靠它的作用就能把本文討論的電力分配系統(tǒng)的電流減少1/3。

        此外维瑰，為了滿足特定功能的要求押恢，一些過渡性系統(tǒng)已經(jīng)向著這個(gè)方向發(fā)展鼻发，利用超級(jí)電容器分布式模塊技術(shù)把本地12V電池供電電壓提升到30V甚至更高；EPS就是這樣一種功能穿侵，微型混合動(dòng)力(與怠速停車系統(tǒng)有關(guān))是在汽車中提供更高電壓的另一個(gè)例子辑奔。

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