混合動力客車整車控制器電源電路設計

胡毅

（同濟大學，上海 201804）

混合動力客車整車控制器電源電路設計

胡毅

（同濟大學，上海 201804）

介紹混合動力客車整車控制器的功能以及整車控制器工作所處的電氣環境。設計一種能夠滿足ISO7637-2和ISO16750-1標準的低壓電源電路，并進行了相關測試。

混合動力汽車；整車控制器；電源電路；電磁干擾

整車控制器是混合動力汽車的核心控制部件，它可以根據加速踏板位置、擋位、制動踏板力等駕駛員的操作意圖和蓄電池的荷電狀態，計算出運行所需要的發動機輸出功率、電動機和發電機轉矩等參數，從而來協調各個動力部件的運動，保障電動汽車的正常行駛。此外，可通過行車充電和制動能量回收等實現較高的能量效率。因此，整車控制器的設計直接影響著汽車的動力性、經濟性、可靠性和其它性能。

1 低壓電源設計是整車控制器可靠工作的關鍵

汽車低壓電源設計比傳統的工業電源設計要求苛刻，在抗擾性、可靠性、防振動等方面要求更高；而新能源汽車的整車電氣環境中除了傳統汽車發動機、前照燈、刮水、喇叭、繼電器等干擾源外，還多了一些高壓高頻干擾源：高壓動力電池、電機控制器 （變頻器）、DC／DC、DC／AC等。同時，現代汽車工業的發展，使得大量的車載電子設備廣泛應用于汽車，如車載衛星導航系統、車載影音娛樂系統、車身照明系統、防盜系統、自動空調系統等。各種各式的車載電子設備穩定工作，相互配合，需要有穩定的供電系統。因此，高性能的車載電源設計是整車控制器可靠工作的保障。

2 混合動力整車控制器的電氣環境

混合動力整車控制器所處的電氣條件包括電池電壓和搭鐵偏移、浪涌電壓、無線電磁波干擾等方面。

1）電池電壓和搭鐵偏移 針對24 V商用車系統，電池電壓可能會低于24 V，甚至最低時為12 V。充電系統存在故障時，電池電壓會超過36V。因此，整車控制器需要經受一個很寬的電壓范圍。汽車上不同的搭鐵回路接點，各自之間也會存在一定的電壓差，這是搭鐵線回流引起的，也被稱為搭鐵偏移。整車控制器的輸入／輸出信號較多時，由于不同信號的電線分布在不同的搭鐵點上，因此需要慎重考慮信號的搭鐵偏移。

2）浪涌電壓 電壓尖峰主要是由于打開或關閉負載引起的，模塊后的負載和其他模塊控制都有可能引發電壓尖峰。除了在同一個電源線上的負載，也有可能是別的電源線上的負載。大電流負載的導通與斷開，會在電源線上引起電源電壓和搭鐵線的波動干擾。

3）無線電磁波干擾 汽車內部有很多噪聲源，如刮水電機、燃油泵電機、點火線圈感性負載、空調電機、汽車發電機輸出線連接的間歇切斷、車窗電機等；隨著無線電子設備的普及，如手機、GPS、MP3和其他消費類電子設備等，整車控制器需要經受很寬的頻帶干擾。特別需要注意的是，在混合動力客車中，除了上述干擾源之外，還有高壓動力電池、驅動電機引起的電磁干擾，這些干擾具有輻射能量大、頻率高的特點。

3 整車控制器電源電路設計

在進行汽車低壓電源設計時，除了盡量對干擾源進行消除外，更重要的是提升低壓電源系統的抗干擾能力。提升低壓電源抗干擾能力的方法有：吸收法——吸收尖峰濾除，消除正向脈沖干擾，采用的電子器件可以有TVS（Transient Voltage Suppressor）管、壓敏電阻等；針對負向脈沖，通常采用二極管來攔截干擾。針對電源跌落干擾，通常是增加電源端的電容，在滿足性能指標和成本的前提下，盡可能選用寬電壓輸入范圍的電源芯片。針對ISO 7637-2對汽車電子設備對沿電源線上的抗擾度要求，本文給出一種低壓電源系統設計方案，如圖1所示。

圖1 整車控制器電源電路設計

4 電源電路各功能模塊

上述整車控制器低壓電源系統包括防靜電設計、防反接保護電路、防浪涌電路、低壓電壓轉換電路4個部分。各部分工作原理如下。

1）C53和C54是2個防靜電電容。瓷片電容耐壓普遍較低，加上電源線的特殊需求，需要電容串聯，防止單個電容短路時引起電路短路。

2）防反接電路使用一個二極管就可以實現。圖1中D21的二極管持續電流可達3A，反向電壓可達100V。

3）防浪涌保護電路由一個功率電阻R114和TVS二極管D29組成，可以有效抵抗汽車拋負載形成的脈沖干擾。TVS是瞬態電壓抑制二極管，汽車電子系統中TVS管的選用有很多參數需要計算，但實際應用中，12V系統用SM8S24A較多，24V系統用SM8S36A較多。當有超過TVS電壓值的干擾脈沖進入電源線路時，TVS會被導通，對流向TVS管后端電路的瞬間電流進行分流，進而保護TVS管后端電壓被限制在TVS的箝制電壓。在TVS管前面加另一個限流電阻，就是充分應用電阻瞬間過載能力強的特點，有效保護TVS管在長時間的高電壓時被擊穿；同時，此電阻的另一目的是防止模塊上電時由于去耦電容過大引起二極管的損壞。

4）低壓電源轉換電路根據實際電路應用完成電源轉換，例如10V、5V、3.3V等。本電源系統選用車載級電源芯片LM2576。它具有7～40V的寬電壓輸入范圍，電源持續輸出驅動電流達到3A，能滿足各種負載及傳感器的需求。LM2576是一個DC／DC轉換器，電源輸入管腳上設計了一大一小2個電容，除了濾除高頻噪聲，還具有儲能功能。其中C100為高品質電解電容，因為電源芯片LM2576的最低工作電壓為8 V，整車電壓有可能會跌落到6V，為保證在整車電源跌落的瞬間芯片仍能提供正常輸出電壓，C100的容值要足夠大，在低壓電源跌落時能提供足夠電流，方案實際測試結果表明電容C100的值至少要為110 μF。由于LM2576是開關電源，其后端需要接一個電感，此案例中LM2576的輸出選的是5V，所以根據后端負載電流不同，可以按照圖2選擇電感，本文選擇470μH。

圖2 電源芯片輸出端電感選擇表

5 電路測試

包含上述低壓電源的整車控制器如圖3所示。該整車控制器按ISO 7637-2和ISO 16750-1的標準進行了測試，測試內容包括：疊加交流電壓、反向電壓測試、過電壓測試、供電電壓緩降和緩升試驗、電壓瞬斷試驗、掉電復位能力試驗、啟動時電壓波動試驗、短路測試、耐電壓試驗、絕緣阻抗、溫度快速變化沖擊試驗、溫度梯度、輻射抗擾度 （BCI法）、靜電放電試驗、沿電源線傳導的瞬態騷擾抗擾度 （脈沖群）。測試過程照片如圖4所示。

圖3 整車控制器

圖4 整車控制器電源電路測試

測試結果全部符合ISO 7637-2和ISO 16750-1標準中分級中的A級，即：在標準設定的條件下和返回設定的條件后，模塊所有功能滿足設計要求。

6 結束語

包含以上電源電路的整車控制器在某款國產混合動力客車上應用，并且批量生產。該整車控制器單元滿足ISO 7637-2中所有波形的設計要求。

［1］ 朱玉龍.汽車電子硬件設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.

［2］ 李建秋.汽車電子學教程 （第2版）［M］.北京：清華大學出版社，2011.

［3］ Mehrdad Ehsani，等．現代電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池汽車基本原理、理論和設計［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［4］ Powers W.F.，Nicastri P.R．Automotive vehicle control challenges in the 21st century［J］.Control Engineering Practice，2000（8）：605-618.

（編輯 楊 景）

Design of Power Supply Circuit on Hybrid Power Bus Vehicle Control Unit

HU Yi
（Tongji University，Shanghai 201804，China）

This paper introduces function of the vehicle control unit of the hybrid electric bus，as well as its electronic environment.A design of low voltage power supply circuit， which could meet the ISO7637-2 and ISO16750-1 standards，is illustrated and tested.

hybrid power vehicle；vehicle control unit；power supply circuit；electromagnetic interference

U469.72

A

1003－8639（2016）10－0001－03

2016-06-23