汽車電子電氣的負(fù)載特性及選取分析

余天剛 任藝煒 趙路濤 展亞輝

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

負(fù)載是指連接在電路中的電源兩端的電子元件。負(fù)載與電源、線路相互連接就組成了電路。

圖1、圖2為當(dāng)前汽車上各類組合開關(guān)控制負(fù)載的線路連接。

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圖1 刮水洗滌模塊

圖2 燈光模塊

從上述線路連接圖可以看出：組合開關(guān)的實(shí)車負(fù)載主要為繼電器類、電機(jī)類、控制器輸入輸出類負(fù)載。

當(dāng)前汽車上由于大量電子電氣產(chǎn)品的使用，導(dǎo)致了負(fù)載的種類繁多，最常用的主要包括繼電器、電機(jī)、揚(yáng)聲器、燈具、加熱絲、各類控制器等元件。根據(jù)負(fù)載的工作特性可將其分為阻性負(fù)載、容性負(fù)載、感性負(fù)載，還包括可以模擬阻性、感性、容性或其組合的電子負(fù)載及具有特殊負(fù)載特性的燈負(fù)載，其中汽車負(fù)載主要為感性負(fù)載、阻性負(fù)載及燈負(fù)載。電子負(fù)載主要用于試驗(yàn)室中作模擬負(fù)載使用。

由于感性負(fù)載的電感特性，其在接通電源或者斷開電源的一瞬間，會產(chǎn)生超過電源電壓幾十倍的的反向沖擊電壓，電感對電流的變化有抑制作用。當(dāng)流過電感器件的電流變化時，在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，其極性是阻止電流變化的。這使得流過電感的電流不能發(fā)生突變。

1 感性負(fù)載

黃絲郁金為姜科植物姜黃Curcuma longa L．的干燥塊根，其為安宮牛黃丸指定投料的四川省道地藥材，具有活血止痛、行氣解郁、清心涼血、利膽退黃的功效[1]。黃絲郁金主要包括姜黃素類和揮發(fā)油2大類化學(xué)成分，現(xiàn)代藥理研究表明姜黃素具有調(diào)血脂、抗氧化、抗炎、止痛、抗腫瘤的作用[2-10]；尤其具有抗菌、抗腫瘤等多種生物活性的芳基姜黃酮，抗生育活性的α-姜黃烯[11-16]，都有很高的研究利用價值。

圖示為典型可調(diào)直流恒壓電子負(fù)載電路：MOS管上的電壓經(jīng)R1與R2分壓后送入運(yùn)放IN+與給定值進(jìn)行比較，當(dāng)電位器在10%時IN-為1V，則MOS管上的電壓應(yīng)為2V，負(fù)載電壓變化時輸入電流也在變化，MOS管上的電壓穩(wěn)定在2V不變。

圖3 斷開過程

圖4 閉合過程

因負(fù)載性質(zhì)不同，會直接影響開關(guān)等控制元件的壽命，所以在進(jìn)行汽車電器相關(guān)測試過程中，應(yīng)注意負(fù)載性質(zhì)的選擇。下面就用理論與測試相結(jié)合的方法對各類負(fù)載的特性進(jìn)行討論。

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負(fù)載電流滯后負(fù)載電壓一個相位差時的負(fù)載為感性負(fù)載，即具有電感的性質(zhì)，當(dāng)相位差角度為90°時為純感性，由楞次定律可知純感性負(fù)載的電流是不能突變的。

圖5 線路圖

圖6 繼電器線圈電壓及開關(guān)端電壓

圖7 繼電器電流

由于電子負(fù)載具有以上四種模式，其主要用于試驗(yàn)室中作模擬負(fù)載使用，模擬各類電子產(chǎn)品的實(shí)際工作負(fù)載。

2 阻性負(fù)載

負(fù)載電流負(fù)載電壓沒有相位差時的負(fù)載為阻性負(fù)載，即具有電阻的性質(zhì)，該類負(fù)載特性簡單，無沖擊電流、電壓存在。

汽車上大部分控制器類負(fù)載均為負(fù)極搭鐵結(jié)構(gòu)，圖8、圖9為其線路連接圖。

實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理員為其負(fù)責(zé)的設(shè)備設(shè)置基本信息和開放參數(shù)，如設(shè)備的功能描述、技術(shù)參數(shù)、開放時間、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)組人員、聯(lián)系方式等；校園師生或校外用戶查看儀器信息，預(yù)約實(shí)驗(yàn)，并登記實(shí)驗(yàn)機(jī)時、費(fèi)用、成果。其主要流程和功能模塊如圖1所示。

圖8 線路示意圖

圖9 設(shè)計(jì)電路圖

當(dāng)前乘用車電壓系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為12V，其輸入電阻一般為10kΩ左右，則其工作電流I=12/10= 1.2mA，該電流即為當(dāng)前汽車各類主要控制器類負(fù)載的各部分工作電流。

圖10、圖11為滑動變阻器的接線圖及負(fù)載波形采集圖。

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當(dāng)前汽車上的阻性負(fù)載以各類阻性元件為代表；主要包括：電阻、加熱絲、BCM、PEPS-ECU、發(fā)動機(jī)控制ECU、電機(jī)驅(qū)動器、BMS、網(wǎng)關(guān)、空調(diào)控制器、ESP控制器、安全氣囊控制模塊等。

給予中醫(yī)藥治療，予自擬養(yǎng)陰止嗽散方，藥物組成：沙參15 g，麥門冬30 g，天門冬15 g，川貝母10 g，山藥25 g，黨參12 g，紫苑10 g，百合10 g，五味子6 g，款冬花10 g，炙甘草10 g。1劑/d，水煎取汁300 mL，分早晚2次口服。治療1周為1個療程，共2個療程。

圖10 線路圖

圖11 開關(guān)電壓及線路電流

3 電子負(fù)載

電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)部功率MOSFET或IGBT的導(dǎo)通量（占空比大?。?，它能夠準(zhǔn)確檢測出負(fù)載電壓，精確調(diào)整負(fù)載電流，同時可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路，模擬負(fù)載是感性阻性和容性，容性負(fù)載電流上升時間。電子負(fù)載可以模擬真實(shí)環(huán)境中的負(fù)載（用電器）。它有恒流、恒阻、恒壓和恒功率功能。典型電子負(fù)載線路圖如圖12所示。

根據(jù)凍土熱流變特性，建立了溢洪道附近土壩溫度應(yīng)力狀態(tài)模型，并且應(yīng)用了工程裂隙理論和凍土的熱流變性、收縮性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。建造模型的目的是計(jì)算土壩與溢洪道接觸時溫度應(yīng)力、溫度收縮裂縫的形成和擴(kuò)展，地面凍脹時間，進(jìn)一步降溫時溫度應(yīng)力的發(fā)展，并且適用于秋冬季。該模型由以下模塊組成：(1)土壤溫度場計(jì)算。(2)溢洪道凍脹壓力計(jì)算。(3)溫度應(yīng)力計(jì)算。(4)溢洪道土壤裂隙深度和寬度計(jì)算。

圖12 電路圖

3.1 恒流模式

在該模式下負(fù)載的輸入電流能在輸入變化電壓的情況下保持穩(wěn)定，如圖13、圖14所示。

圖13 線路示意圖

圖14 設(shè)計(jì)電路圖

圖示為最常用的恒流電路，該電路易獲得穩(wěn)定及精確的電流值，R1為取樣電阻，電路工作原理為：當(dāng)給定一個信號時，如果R1上的電壓小于Vref，即OP07的-IN小于+IN，使MOS加大導(dǎo)通使R1的電流加大。如果R1上的電壓大于VREF時，-IN大于+IN，OP07減小輸出，就降低R1上的電流，這樣電路最終維持在恒定的給值上，也就實(shí)現(xiàn)了恒流工作。

3.2 恒壓模式

在該模式下負(fù)載吸收電流以使電壓保持穩(wěn)定，如圖15、圖16所示。

圖5至圖7為繼電器負(fù)載的電壓、電流波形采集。圖中在開關(guān)接通時均存在沖擊電壓，斷開時存在反向感應(yīng)電壓，基本無沖擊電流；對于電機(jī)類負(fù)載，因電機(jī)類負(fù)載起動時由靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)檫\(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，靜止?fàn)顟B(tài)下電機(jī)的直流電阻很小，所以會造成一個較大（約4～7倍IN）的沖擊電流，在運(yùn)轉(zhuǎn)后，相對于繞組來說，電源電壓為交變電壓，電動機(jī)感抗較大，所以電流會降低。

圖15 線路示意圖

圖16 設(shè)計(jì)電路圖

圖3、圖4為感性負(fù)載的斷開及閉合過程電壓沖擊圖。

3.3 恒阻模式

在該模式下的負(fù)載特性類似純電阻，吸收的電流與其兩端的電壓成正比，如圖17、圖18所示。

圖17 線路示意圖

圖18 設(shè)計(jì)電路圖

圖示為由硬件實(shí)現(xiàn)的恒阻電路：當(dāng)R2為1%，如果輸入電壓為1V，那么IN+上的電壓為10mV，也就控制R1上的電壓為10mV，等效電阻為1Ω。

3.4 恒功率模式

流入負(fù)載的電流隨功率的改變而變化，功率的大小為負(fù)載流進(jìn)的電流和負(fù)載兩端電壓的乘積，如圖19所示。

圖19 示意圖

當(dāng)前汽車上的感性負(fù)載以各類電磁元件為代表；主要包括：刮水/洗滌電機(jī)、玻璃升降電機(jī)、四門防夾電機(jī)、繼電器等。

圖20、圖21為試驗(yàn)室常用的程控負(fù)載箱電流、電壓波形采集圖。

圖20 負(fù)載箱電流采集圖

圖21 負(fù)載箱電壓采集圖

可見：程控負(fù)載箱在閉合時具有較大沖擊電流，約為額定電流的7倍；在斷開時會有沖擊電壓產(chǎn)生，在斷開瞬間基于穩(wěn)流的作用，會產(chǎn)生一個沖擊電壓以保持電流穩(wěn)定，但該沖擊電壓不會超過系統(tǒng)的額定限制，額定為14.0V，沖擊到約20V左右。

4 容性負(fù)載

負(fù)載電流超前負(fù)載電壓一個相位差時負(fù)載為容性，即具有電容的性質(zhì)，當(dāng)相位差角度為90°時為純?nèi)菪?，如電容、部分日光燈等，?dāng)前各類汽車負(fù)載中容性負(fù)載較少，這里就不在展開討論。

5 燈負(fù)載

燈負(fù)載的特性較為特殊：靠氣體導(dǎo)通發(fā)光的燈具一般為感性負(fù)載，靠LED發(fā)光的燈一般為阻性負(fù)載。汽車上的燈種類也較多，包括：前大燈、尾燈、氛圍燈、迎賓燈、閱讀燈、霧燈、報警燈等。

圖22所示的是典型的燈負(fù)載的波型圖，燈負(fù)載的特點(diǎn)在燈剛接通時有一個比較大的沖擊電流，之后電流趨于穩(wěn)定：當(dāng)燈絲第一次通電時，由于燈絲處于冷態(tài)，電阻比較小，當(dāng)通電一段時間，燈絲被加熱，燈絲的電阻變大，其通過的電流變小。

圖22 汽車大燈波形采集圖

6 結(jié)論及各類負(fù)載使用選取建議

6.1 結(jié)論

以上對各類負(fù)載的特性進(jìn)行分析，在試驗(yàn)室中進(jìn)行電子電氣件試驗(yàn)時其負(fù)載以選擇實(shí)車負(fù)載為最佳。但對于實(shí)車負(fù)載為控制器輸入輸出信號類的試驗(yàn)樣品，在試驗(yàn)時一般無法滿足與實(shí)車負(fù)載一致，此時就需要對實(shí)車的負(fù)載特性進(jìn)行充分分析。我們通常采用電阻、電容、電感等或它們的串并聯(lián)組合作為負(fù)載來模擬真實(shí)的負(fù)載情況。然而，不同類型的負(fù)載由于具有不同的特性，因此選擇不同的負(fù)載可能會導(dǎo)致截然不同的試驗(yàn)結(jié)果。

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6.2 負(fù)載選取建議

1）對于實(shí)車負(fù)載為燈具的試驗(yàn)樣品，其試驗(yàn)中應(yīng)選用實(shí)車負(fù)載，因不同的燈的負(fù)載特性可能存在很大差異。

2）對于實(shí)車負(fù)載為電動機(jī)、繼電器、揚(yáng)聲器等感性負(fù)載的試驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)時，可統(tǒng)一選用繼電器作為為負(fù)載，因?yàn)槔^電器體積小，易于連接。

3）試驗(yàn)室常用的程控負(fù)載箱等電子負(fù)載由于是經(jīng)過調(diào)整管（MOSFET或IGBT）不斷調(diào)整電流來工作的，所以在運(yùn)行過程中，會存在較大的紋波電壓，如使用過程中有較高要求，需在負(fù)載內(nèi)部或外部針對紋波進(jìn)行特殊處理。

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4）對于實(shí)際工作中沒有沖擊電壓和電流存在的試驗(yàn)樣品，其試驗(yàn)時完全可以選擇電阻作為負(fù)載。

[1] 沈宏,呂強(qiáng).淺談直流電子負(fù)載[J].企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化,2008,5(9): 16.

[2] 吳靈勇.汽車典型負(fù)載特點(diǎn)及對應(yīng)繼電器使用觸點(diǎn)材料的設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù),2010(9): 54-57.

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