一種智能型雙電壓混合系統(tǒng)在商用車上的應(yīng)用

李曉蓮，劉步杰，張愛磊

（南京依維柯汽車有限公司產(chǎn)品工程部，江蘇 南京 211806）

內(nèi)燃機(jī)時(shí)代，被廣泛應(yīng)用的電壓系統(tǒng)有兩種：12 V和24 V。一般來講，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛（轎車、輕型商用車等）采用12 V電壓系統(tǒng)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的重型商用車采用24 V電壓系統(tǒng)。隨著汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，尾氣排放和環(huán)保要求的逐步提高，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)（ECU）應(yīng)用越來越普遍，已然成為車輛標(biāo)配零部件。但ECU開發(fā)周期長(zhǎng)、標(biāo)定及各項(xiàng)開發(fā)費(fèi)用昂貴，部分汽車生產(chǎn)廠商面臨著空前的壓力，各種應(yīng)對(duì)方案應(yīng)運(yùn)而生：如果將目前較為成熟普遍的12 V電控系統(tǒng)應(yīng)用到24 V電源系統(tǒng)的車輛上，可以大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間和資金投入，為搶占市場(chǎng)、提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力提供強(qiáng)有力的保障。基于以上背景，本文以依維柯NJ2046國(guó)Ⅴ車型為例，介紹雙電壓混合系統(tǒng)在該車型上的應(yīng)用。

1 雙電壓供電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

依維柯NJ2046國(guó)Ⅴ車型，搭載sofim柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，除電控系統(tǒng)外，整車電源為24 V。為節(jié)省開發(fā)時(shí)間，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用，經(jīng)過各種可行性分析后，決定將博世成熟產(chǎn)品EDC17C53系統(tǒng)移植至NJ2046車型上，這種類似嫁接的方案對(duì)整車電器架構(gòu)的合理性設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

為維持整車與發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)的正常運(yùn)行，確保整車用電能夠平衡，依維柯NJ2046車型采用24 V/12 V雙電壓混合的電器架構(gòu)，運(yùn)用合理的智能管理電源系統(tǒng)，使雙電壓供電系統(tǒng)兼容并同步。雙電壓供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

從圖1可以看出，該系統(tǒng)的方案內(nèi)容為：常規(guī)電器負(fù)載沿用由蓄電池、發(fā)電機(jī)并聯(lián)，提供24 V電源，發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)（ECU）采用由蓄電池—電源管理部件—電源轉(zhuǎn)換器（DC/DC）串聯(lián)線路提供的12 V電源，儀表處理的輸入輸出信號(hào)根據(jù)使用區(qū)域的不同，分別給予分配24 V、12 V電源。雙電壓混合系統(tǒng)電源部分線路原理如圖2所示。

圖1 雙電壓（12 V/24 V）供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 雙電壓供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

該雙電壓供電系統(tǒng)中，有2個(gè)關(guān)鍵部件：電源轉(zhuǎn)換器（DC/DC）和電源管理部件。為保證發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)在運(yùn)行期間電源的高可靠性，對(duì)電源轉(zhuǎn)換器（DC/DC）提出了電壓跟隨和模組并聯(lián)結(jié)構(gòu)的冗余設(shè)計(jì)要求；專用電源管理部件為電源轉(zhuǎn)換器（DC/DC）提供電源的同時(shí)，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)起停時(shí)刻的信息交換和儲(chǔ)存的完整性。這2個(gè)部件的應(yīng)用，構(gòu)成了由蓄電池—專用電源管理部件—電源轉(zhuǎn)換器（DC/DC）的供電架構(gòu)。

2.1 跟隨型模組并聯(lián)式電源轉(zhuǎn)換器（DC/DC ）

跟隨型模組并聯(lián)式電源轉(zhuǎn)換器（DC/DC）不僅能夠?qū)⒄?4 V電源轉(zhuǎn)換成12 V電源，而且有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖2 雙電壓混合系統(tǒng)電源部分線路 原理

1）輸出電壓跟隨整車24 V系統(tǒng)電源波動(dòng)（圖3），不僅能夠維持發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)的正常運(yùn)行，且能將整車蓄電池電源的使用信息傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)，以便發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；一旦電壓低于某個(gè)值，車輛控制邏輯可以自動(dòng)提升發(fā)動(dòng)機(jī)怠速或關(guān)掉部分輔助負(fù)載，保證系統(tǒng)用電平衡和減少欠電壓對(duì)蓄電池的損害，解決了非隨動(dòng)型產(chǎn)品對(duì)蓄電池主電源無法監(jiān)控的缺陷。

圖3 DC/DC輸出電壓與整車電壓關(guān)系

2）采用多個(gè)獨(dú)立的變壓模塊并聯(lián)組合和單模塊自動(dòng)檢測(cè)功能，即便單個(gè)模塊出現(xiàn)故障，系統(tǒng)將其保護(hù)性關(guān)閉時(shí)，其他模塊仍然能夠正常工作，確保為發(fā)動(dòng)機(jī)電噴系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓。采用這種冗余性硬件設(shè)計(jì)，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電源供給的可靠性以及行車過程中的安全性。

3）采用合理的軟硬件設(shè)計(jì)，DC/DC的電磁兼容能力達(dá)到國(guó)軍標(biāo)部件要求。

跟隨型模組并聯(lián)式電源轉(zhuǎn)換器（DC/DC）外形如圖4所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖4 跟隨型模組并聯(lián)式電源轉(zhuǎn)換器外形

圖5 跟隨型模組并聯(lián)式電源轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.2 智能電源管理部件

智能電源管理部件是為混合雙電源系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)開發(fā)的部件，在整車電氣原理上位于蓄電池和電源轉(zhuǎn)換器之間，采用單片機(jī)技術(shù)，檢測(cè)點(diǎn)火開關(guān)狀態(tài)和整車負(fù)載電流信息，通過控制邏輯判斷，起到延遲斷開ECU電源的作用，其主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

1）當(dāng)整車鑰匙打到ON擋時(shí)，該部件為電源轉(zhuǎn)換器提供24 V輸入電源，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)持續(xù)可靠的工作。當(dāng)整車鑰匙打到OFF擋時(shí)，該部件仍能支持系統(tǒng)延時(shí)工作到設(shè)定的時(shí)間，避免ECU因整車電源斷電時(shí)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)信息丟失或混亂現(xiàn)象，保證停機(jī)時(shí)刻ECU仍能與整車信息完整、準(zhǔn)確地互換。

2）根據(jù)負(fù)載電流檢測(cè)，保證ECU信息保持完成后，及時(shí)切斷電源，實(shí)現(xiàn)整車斷電，實(shí)現(xiàn)了整車用電平衡，又最大程度地降低了漏電流。

3）采用繼電器形式的外形，便于在整車電器盒中安裝，保證插接可靠性和檢調(diào)維修性。電源管理部件的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 智能電源管理部件外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

2.3 組合儀表

作為人機(jī)交互的主要部件，組合儀表在雙電壓混合系統(tǒng)中也起著不可或缺的作用。

儀表與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU通過CAN線進(jìn)行通信（速率為250 kb/s），通過硬線與其他部件（如燈光、差速鎖、ABS系統(tǒng)）進(jìn)行信息交換。在諸多信號(hào)中，既有12 V信號(hào)又有24 V信號(hào)，組合儀表將其分區(qū)隔離供電，在將相關(guān)信息合理顯示在同一屏幕上的同時(shí)，也保證了12 V信息和24 V信息在同一儀表上的兼容。

3 結(jié)束語

雙電壓混合系統(tǒng)雖然是在特殊情況下研發(fā)而成的，但其極大地拓寬了車用電路的設(shè)計(jì)思路。該系統(tǒng)憑借合理的電器架構(gòu)及線路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了12 V電器系統(tǒng)與24 V電器系統(tǒng)的完全兼容；搭載該智能電源管理的雙電混合系統(tǒng)的NJ2046整車順利通過國(guó)軍標(biāo)要求的EMC試驗(yàn)（相關(guān)試驗(yàn)條款及要求見《GJB 1389 A系統(tǒng)電磁兼容性要求》）。

NJ2046國(guó)Ⅴ車型的研發(fā)投產(chǎn)，填補(bǔ)了公司24 V車型電噴及排放升級(jí)的空白，具有積極的市場(chǎng)意義。