隨著汽車電子功能的爆炸式增長，越來越豪華的汽車是否會(huì)危及乘客安全呢跳纳？這就是汽車過電氣化問題的起源疟暖，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？
　　
回憶過去(不那么遙遠(yuǎn)以前)蜜葱，駕駛著你爸的老爺車全景，AM/FM收音機(jī)、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牵囤。如今爸黄，許多人難以想象，全家人的公路之旅幾乎都配備了衛(wèi)星導(dǎo)航GPS揭鳞、每一個(gè)乘客單獨(dú)的DVD播放機(jī)炕贵、車內(nèi)氣候控制、加熱座椅汹桦、巡航控制鲁驶、無線接入以及提醒駕駛員車燈一直開著的語音提示功能，引擎要持續(xù)為這些電子系統(tǒng)供電舞骆，否則憾顿，車上這些設(shè)備將變成華而不實(shí)的擺設(shè)。
　　
隨著汽車電子和電氣附件的增加相彼，制造商如何通過提供足夠的電源來滿足其要求呢豺研？一旦出現(xiàn)電壓浪涌或下跌，會(huì)發(fā)生什么情況阔踢？更為豪華的汽車是否會(huì)危及乘客的安全允逝？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？
　　
附件功耗呈現(xiàn)上升之勢
　　
汽車電子和電器設(shè)備以平均每輛車每年超過110W的速度遞增蛋昙，最近宵绒，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)，對(duì)電能的大部分需求都源于此。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電子控制單元浴恐；而現(xiàn)代的第五代ABS硬件配備128KB的存儲(chǔ)器咪枷，大小僅僅為早期系統(tǒng)的40%。由于設(shè)計(jì)精巧和創(chuàng)新总枢，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)要小打恕。
　　
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、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)
表中的兩類(引擎管理渠缕、多媒體和HVAC)汽車電子系統(tǒng)需要汽車電力系統(tǒng)提供102A的電流鸽素。這一點(diǎn)很重要，為了描述附件超載的電流狀態(tài)亦鳞，要注意：為了在不增加電池的條件下支持102A的負(fù)載馍忽，交流發(fā)電機(jī)必須具備大約兩倍的額定電流—204A。原因在于：當(dāng)引擎低速運(yùn)行且怠速時(shí)蚜迅，汽車交流發(fā)電機(jī)僅僅可以產(chǎn)生一半的電能舵匾。這就需要大型的交流發(fā)電機(jī)，在標(biāo)稱系統(tǒng)電壓為14.2V的PowerNet上谁不，它必須提供2,840W的功率坐梯。
　　
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，就有可能輕易地超過交流發(fā)電機(jī)的供電能力刹帕。當(dāng)這種情況出現(xiàn)于現(xiàn)在的汽車上時(shí)吵血，PowerNet的電壓就會(huì)下降，直到系統(tǒng)電壓與電池內(nèi)部12.8V的電壓匹配偷溺，此時(shí)蹋辅，蓄電池開始為總的用電負(fù)載提供一部分電能。這種效應(yīng)被稱為電池分配(batterycontribution)娱陈。
　　
電池分配是一種周期性的事件挥疲，它隨機(jī)地為不定期工作的用電負(fù)載供電，如乘員室的自動(dòng)溫度控制雳誉、旋轉(zhuǎn)方向盤的事件饼贰；或?yàn)橄M(fèi)者所選擇的確定性負(fù)載供電，如音響或?qū)Ш街指黛簟＿@些周期性事件就是電池耗盡的原因酌尔，并最終導(dǎo)致需要更換電池。
　　
關(guān)于該表要注意的最后一點(diǎn)是：如果考慮車身電子渺纯、照明和底盤電子等子系統(tǒng)的間歇性負(fù)載跺榆，對(duì)汽車充電系統(tǒng)的需求就真的是附件超載(accessoryoverload)。將來的系統(tǒng)將持續(xù)這種趨勢正蹋。
　　
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)超載問題重蕉。這些措施包括：提高現(xiàn)有用電附件的效率壕哩；功能集成以消除重復(fù)的控制電子系統(tǒng)，從而降低控制系統(tǒng)的耗電兄存；縮小機(jī)械傳動(dòng)裝置熊镣，例如，對(duì)ABS創(chuàng)新使之能夠以更小募书、更低的功耗提供預(yù)期的功能。
　　
電力需求無窮無盡
　　
實(shí)際情況依然是：在不遠(yuǎn)的將來测蹲，附件超載將繼續(xù)猛烈如初莹捡，因?yàn)橄M(fèi)者需要越來越多的新特色和功能。從下圖可見4代汽車電子系統(tǒng)的演變進(jìn)程扣甲。

從1968年到上世紀(jì)70年代篮赢，第一代汽車電子系統(tǒng)包括電動(dòng)助力窗、電動(dòng)門鎖琉挖、空調(diào)启泣、電子燃油注入和電子點(diǎn)火，這些系統(tǒng)對(duì)于滿足那個(gè)時(shí)代的排放規(guī)則的要求是必需的示辈，并演變到采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向寥茫。
　　
從上世紀(jì)80年代到90年代早期，第二代汽車電子系統(tǒng)包括ABS矾麻、防盜系統(tǒng)和更為先進(jìn)的電子引擎控制系統(tǒng)纱耻，以滿足限制尾氣排放的法規(guī)的要求。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仁墅，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)裝置來管理燃油刺盏、火花塞放電和廢氣的再循環(huán)。
　　
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冲倡，例如以80186取代8080锡迅，并能夠處理更多的控制功能。這就引出了更為先進(jìn)的功能蒸橡，如多工通信和分布式計(jì)算功能单葡、巡航控制、導(dǎo)航功能以及自動(dòng)化程度更高的空調(diào)系統(tǒng)些栅，并改善了變速箱祥扒，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)的氣囊至沸。在第三代汽車電子時(shí)代鼻蟆，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)的性能盖扔，擴(kuò)展了諸如控制器局域網(wǎng)(CAN)之類多工通信的應(yīng)用匀油。
　　
利用更高級(jí)別的分布式汽車電子系統(tǒng)缘缚，就有可能從儀表盤面板中騰出新的空間，因?yàn)橹挥锌刂菩畔⑹切枰x取的敌蚜。上世紀(jì)90年代的音響系統(tǒng)就是這種趨勢的一個(gè)例證桥滨，其中，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)域之中弛车，儀表盤面板上僅僅留下顯示器和開關(guān)齐媒。車內(nèi)氣候電子控制、導(dǎo)航系統(tǒng)纷跛、CD換碟器等等之類的系統(tǒng)也出現(xiàn)了類似的趨勢喻括。
　　
在第四代汽車電子系統(tǒng)階段，微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器在汽車中的應(yīng)用更為普及贫奠。這些21世紀(jì)的系統(tǒng)中唬血，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)。新的系統(tǒng)由軟件控制唤崭，并廣泛地依賴于廉價(jià)和魯棒的存儲(chǔ)器硬件的可用性拷恨。
　　
將來汽車中電子系統(tǒng)的數(shù)量可能不會(huì)像二代時(shí)增長那么快，但是谢肾，軟件系統(tǒng)將呈指數(shù)增長漩叶。例如，目前正呈現(xiàn)的一個(gè)趨勢就是通過免疫系統(tǒng)工程把在線診斷(OBD)升級(jí)為下一代的OBD1簸眼。之所以出現(xiàn)這種趨勢是因?yàn)椋耗壳暗南到y(tǒng)復(fù)雜性如此之高钓闲，以至于接近2/3的故障模式根本無法解讀，并且將繼續(xù)惡化疤削。
　　
要診斷未來的汽車電子系統(tǒng)拉盘，將需要擴(kuò)充在線計(jì)算軟件以執(zhí)行診斷，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)以上撬彭，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)当糯。目前，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)据钱，以管理汽車縱向運(yùn)動(dòng)控制到電子受控剎車(ECB)系統(tǒng)等等功能捧练。這些子系統(tǒng)成為表中所列的第6類。
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)的加重箭谴，設(shè)計(jì)工程師如何才能減輕各種各樣汽車用電設(shè)備的影響风居？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，實(shí)際上這不是一個(gè)小數(shù)溉潭，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)行净响。問題是什么才是讓汽車供電系統(tǒng)崩潰的“最后一根稻草”？什么時(shí)候會(huì)發(fā)生這種情況喳瓣？
　　
當(dāng)混沌系統(tǒng)行為受到某種壓力因素作用的時(shí)候馋贤，如果該壓力因素的增長悄無聲息赞别，最終會(huì)接近一個(gè)崩潰點(diǎn)或傾翻點(diǎn)。隨著對(duì)汽車PowerNet需求的增加配乓，汽車上正在發(fā)生這種情況仿滔。從電網(wǎng)穩(wěn)定度的觀點(diǎn)看，這種情況并不是如此嚴(yán)重犹芹，因?yàn)橛衅囆铍姵氐姆€(wěn)定作用崎页。
　　
PowerNet瞬間波動(dòng)所帶來的問題
　　
如上所述，21世紀(jì)的汽車電子系統(tǒng)高度依賴于軟件腰埂，因此实昨，越來越易于受到PowerNet可變性的影響，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盐固。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，以解決日益惡化的電源分配網(wǎng)絡(luò)所面臨的問題掐抢。實(shí)際上依然是所有電子模塊都具有不同級(jí)別的噪聲免疫性候榨；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，可能導(dǎo)致軟件故障统扔。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)琅芍、涌動(dòng)和負(fù)載驅(qū)動(dòng)脈沖的影響。
　　
目前馁筷，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)存器件甸垄，那就可以向與ECU有關(guān)的位置提供平滑和穩(wěn)定的PowerNet。

在這個(gè)高度簡化的描述中芥吧，超級(jí)電容分布模塊或雙層電容(DLC)緊靠高耗能用電負(fù)載疤嘴，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)漾衅。本地分布式模塊為高峰負(fù)載供電住卿，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)載的切換楞便，如上圖中加亮的那些部分對(duì)汽車電力分配網(wǎng)絡(luò)—14VPowerNet—有重大的干擾矫迹。例如，在一些最新提出的EPS設(shè)計(jì)中呈野，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)有130A的電力需求低矮，最高達(dá)到160A。過去被冒，人們假設(shè)EPS電力需求在85A(1.2KW)到130A(1.8KW)范圍內(nèi)军掂，如果超出那個(gè)范圍就表示PowerNet處于最壞供電狀態(tài)，就可能危及EPS的正常運(yùn)行姆打。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)良姆，把1.2到1.8KW的瞬時(shí)負(fù)載加在PowerNet上肠虽，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)范圍玛追。如果電力分配系統(tǒng)電壓下降10%税课，那么，那么從前大燈變暗就顯而易見痊剖，并且EPS性能也會(huì)退化韩玩，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)超載的情況陆馁，這里將通過仿真對(duì)此做進(jìn)一步的解釋找颓。在圖解說明的過程中，假設(shè)電動(dòng)助力系統(tǒng)(EPS)工作的過程中励砸，引擎管理和一些氣候控制電子系統(tǒng)也在連續(xù)地工作狱诊。假設(shè)EPS從汽車電力線(PowerNet)上持續(xù)300ms吸取90A的電流，例如招蓝，在堅(jiān)硬的路面上做變道機(jī)動(dòng)或以低速在停車場駐車件策。
　　
在如下所示的第一種情況下，當(dāng)PowerNet相對(duì)處于重載時(shí)EPS被激活翅拜，但是巩樟，沒有安裝超級(jí)電容電力分配模塊。相連負(fù)載代表27A的引擎管理瘫啦、55A的氣候控制和15A的遙控電子控制單元(ECU)艰捶。例如，該遙控ECU可能是音響模塊澳踱，并有意顯示為采用本地電解電容器做濾波和平滑伤主。
　　
汽車充電系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)和鉛酸電池來表示。在這種情況下捆革，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)的建模娘扩。PowerNet被高度簡化為由線規(guī)電阻建模的四個(gè)分支電路，包括引擎控制壮锻、車箱氣候控制琐旁、本地ECU和EPS(最右邊)。PowerNet分配點(diǎn)被標(biāo)注為PDB或電力分配箱猜绣。
　　

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)象灰殴，以至于汽車電力環(huán)境充滿了此類噪聲，讓各種ECU受到電源線上寬范圍的上下波動(dòng)的影響掰邢。
　　
但是牺陶，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)品辣之，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掰伸。所有其它地方一樣皱炉，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狮鸭。
　　
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)行為合搅。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)要小得多歧蕉。重要的一點(diǎn)是：EPS電流不變画了，所以，其功能保持不變吼季。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)嫌或。
　　
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)定電源線误反。
　　
在不遠(yuǎn)的將來喝灌，汽車電子功能和特色內(nèi)容將持續(xù)增長，隨之而來的是日益增加的附件導(dǎo)致電力分配系統(tǒng)超載奠钾。大的連續(xù)電力加載正把汽車充電系統(tǒng)推向超載搅谆，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)很可能受到破壞讳帆。
　　
為了看清楚這一點(diǎn)，考察一下典型汽車上的空調(diào)壓縮機(jī)以及中等美國家庭中安裝的空調(diào)機(jī)的制冷能力印脓，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)的耗電要大得多置狠。其它許多車內(nèi)用電設(shè)備也類似。所有這些用電設(shè)備都安裝在非常有限的空間內(nèi)崇磁，因而常郴器ⅲ“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)鉛酸蓄電池平匈，從而為乘用車提供供電解決方案框沟，并且它為電力系統(tǒng)提供了足夠的濾波。在某種程度上說增炭，可以稱之為迫近傾翻點(diǎn)忍燥。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)隙姿，超級(jí)電容器分布式模塊將是必不可少的梅垄。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。
　　
此外输玷，為了滿足特定功能的要求队丝，一些過渡性系統(tǒng)已經(jīng)向著這個(gè)方向發(fā)展，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甚至更高欲鹏；EPS就是這樣一種功能机久，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)例子臭墨。

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