電源系統在車載中的運用和設計研究

趙 剛，王中洋，秦益鵬

（65370部隊，吉林 長春 130103）

0 引 言

汽車行業快速發展中，高效節能的車載終端系統直接決定汽車的整體性能水平。車載終端系統以電源系統為運行基礎，通過優化設計電源系統節約電能，提高車載終端的高效性和節能性。在汽車設計與制造中，要加強車載電源系統的設計和運用，優化車載終端體系，保證電源系統的使用性能，為多功能車載終端提供穩定的供電電源，提高汽車供電使用的整體效能。因此，本文將重點探究電源系統在車載中的運用和設計[1]。

1 車載電源系統的設計要求

在車載電源系統設計中，要求電源輸入必須具備檢測功能和分配功能，為車載用電設備提供穩定的供電電能，使得車載設備可以穩定高效運行。設計方案中，實時監控綜合電源具備自動報警功能和自動保護功能，可以達到用電安全的效果，通過各種輸入方式的切換實現持續性直流輸出。此外，歷史查詢模塊可以查看歷史故障相關信息[2]。車載電源系統設計目標是實現車輛供電系統智能化控制，準確控制輸入源、電源電壓轉換、蓄電池充放電以及上位機通信等各個子系統，且需實現以下功能。

（1）車輛電源各個線路的交流電和直流電的輸出電壓必須要穩定且安全，各路電源輸出需具備符合設計要求的負載能力，保證車載終端設備正常穩定運行。

（2）識別和判斷各個電源輸入接口，設定供電邏輯，根據車輛行駛要求和使用需求自動控制優先供電。上電邏輯設計中，要求具備電源輸入自動切換功能，一旦市電、油機以及硅發等輸入口出現故障，系統可自動切斷故障點，由蓄電池對輸入口供電，保證不間斷的直流供電。根據使用情況自動識別需要優先供電的輸入口，優化供電選擇。駕駛人員可自行選擇蓄電池供電以外的供電方式，提高控制效果。

（3）設置移動智能終端接入口，以網口通信的方式連接車載綜合電源和移動端，借助上位機GUI和箱體顯示面板，實時監控各個電源輸入端和輸出端的接入情況，顯示電源輸入/出的異常情況，提示駕駛人員檢查和處理。

（4）必須及時識別車載電源系統交、直流電的輸出情況，保證穩定輸出，及時診斷出欠壓和過流等故障，做好保護處理，及時在GUI和箱體顯示板中提示。

（5）充電控制交流輸入、直流輸出以及24 V電池組等系統，使系統具備電池荷電狀態的監測功能和電池保護功能。

2 車載電源系統的控制設計方案

圖1 某車載電源系統設計框架

通過分析車載電源，合理規劃控制板，盡量用最低的成本消耗得到最大的供電效果。以下面以實例為參考，介紹如何實現車載電源控制的設計[3]。車載電源系統可以實現電源功率切換和控制管理功能，某車載電源系統設計框架如圖1所示。

2.1 上位機

上位機GUI設計中，借助TCP/IP協議實現上位機和電源箱控制板的通信，可以實時監控車載系統中用電模塊運行的電壓和電流，及時判斷異常電流值和電壓值作以警報提示處理。上位機中具備歷史數據查詢功能，上位機GUI可以借助控制板控制配電箱中用電模塊供電，實現用電模塊的通電或斷電處理。系統運行中，控制面板可將數據及時傳輸到上位機，由上位機GUI顯示出來，而上位機也可以控制控制板。上位機界面設計中，以QT框架為主，實現上位機GUI的設計開發，提高界面設計的完整性和友好性，語言簡單[4]。在通信方面，設置端口號和IP地址，用戶首次登錄必須注冊賬號，后期登錄注冊賬號即可。

某上位機GUI顯示界面如圖2所示。仔細觀察可發現，通過地址和端口號實現了上位機與控制板的通信連接，設置輸入選擇、電池狀態提示以及系統狀態提示等模塊。其中，輸入選擇模塊與電池狀態提示模塊不具備控制控制板的功能，只顯示各個用電模塊的運行狀態。系統狀態提示可對用電模塊進行開關控制和狀態監控，不同的顏色顯示具有不同的含義：黑色為不可操作；深綠色為可操作未啟動；亮綠色為工作狀態；紅色為異常報警狀態。在主界面中顯示各個用電設備的電壓值、電流值以及系統狀態。

圖2 某上位機GUI顯示界面

2.2 電源箱

某電源箱控制面板示意圖如圖3所示，通過觀察可發現，控制面板中囊括了電池電量信息、5路輸入電源開關和相關提示燈、4路輸出電源開關和相關提示燈、充電維護燈以及警報燈等，該電源箱控制面板中的控制操作優先于上位機軟件界面，二者相輔相成，實現電源供電控制[5]。電源箱具備功率變換功能，選擇STM32F407芯片控制器可以檢測各路電源輸入，根據預設的上電邏輯分配電源，實現車載系統的供電。車載電源系統設計框架共5路電源輸入（見圖1）。油機2屬于空調專用供電，油機2正常工作時，交流穩壓模塊會為油機2口供電；油機2無法正常運作時，由蓄電池進行轉換供電。油機1和市電提供電能時，流經隔離降壓模塊，將輸入電源轉化為直流48 V電壓，為用電設備提供電能，檢查蓄電池充電管理能力，利用隔離降壓模塊的處理和轉換實現蓄電池充電。硅發（DC 28 V）和蓄電池（DC 24 V）提供電能時，要通過升壓模塊將DC 24 V和DC 28 V轉化為DC 48 V，然后為用電設備提供電能。

圖3 某電源箱控制面板示意圖

2.3 配電箱

配電箱中應含有多個DC-AC模塊和DC-DC模塊，可以實時監控各個用電設備的電能使用情況。其中，DC-DC模塊運行中，由上位機下達供能命令傳輸到控制板，控制板自動變換IO口中的電平，且利用ADC功能采集電壓和電流。一旦發生異常信號或故障問題，DC-DC模塊會自動關閉，將異常信息上傳到上位機和電源箱控制面板中，發生提示和警報。此外，DC-DC模塊可以把母線電壓DC 48 V轉化為DC 28 V、DC 24 V，實現直流負載供電，利用使能管腳控制通電和斷電，并及時把輸出電壓、電流以及相關報警信息傳輸到控制模塊中，排查和治理用電隱患。DC-AC模塊主要負責將母線電壓DC 48 V轉換為AC 220 V，供給空調用電需求，實現交流備份，將工作狀態和運行信息傳輸給上位機控制面板，由上位機向控制板發出指令。控制板可借助光耦隔離模塊實現對DC-AC模塊的控制[6]。

2.4 控制板

控制板主要執行上位機發出的指令，協調各個用電模塊，將用電模塊的運行情況反饋給上位機形成閉環控制系統。可見，控制板是上位機GUI控制系統和各個用電模塊間的通信介質。控制板設計包含20個DC-DC電源模塊、20個IO使能線、1個交流穩壓模塊、1個485接口、1個隔離降壓模塊、1個逆變器模塊、1個升壓模塊、1個充電模塊、1個升壓模塊，1個共用CAN接口以及5個繼電器。此外，點面板配置13個LED，電池指示配置5個LED和18個IO使能線。在實際應用中，控制板可顯示不可操作狀態、關閉狀態以及打開狀態；電源箱前面板和上位機都具備用電設備的供電控制，但電源箱前面板優于上位機。系統中具有市電、油機1、油機2、硅發以及蓄電池5個輸入源。上位機界面可以顯示出實際接入的輸入源，默認5個輸入源不可用后，界面選擇為灰色，輸入源接通后顯示深綠色。

3 車載電源系統的實際應用研究

3.1 所要改進車載電源系統的不足

例如，某種車用電功率為3 kW，供電方式為12 V低壓供電。在升級發展中，這種車用電功率達到10 kW，仍以12 V低壓供電，車用硅整流交流發電機效率僅為60%左右，怠速輸出僅為滿負荷輸出的1/4，整體發電性能較低，壽命短，電源系統故障率較高。車載電源改進升級中仍然延續傳統的“蓄電池+勵磁發電機+調節器”結構，盡管使用中有一些缺陷，但技術已經成熟，可滿足改進車載設備的使用要求。對不足之處的改進措施如下：（1）將有電刷勵磁電路更換成無電刷勵磁電路，節省電刷和電刷環，防止碳刷和電刷接觸不良；（2）將六管整流電路改成九管整流電路、八管整流電路或十一管整流電路，有效增加輸出功率；（3）用集成電路調節器替換機械觸點式調節器。這些措施提高了輸出功率，但無法解決低速發電性能低的問題。

3.2 車載電源系統的功能應用與分析

（1）所引用設計方案的車載電源系統中，電源箱設置升壓模塊和降壓模塊。根據各個用電模塊的使用需求，通過升壓/降壓模塊的轉換和處理自動改變功率，具備自動變換功率的功能，能夠解決傳統車載電源系統使用中的問題和不足。

（2）所引用設計方案的車載電源系統中設置多路輸入源，通過DC/DC模塊轉換適配電壓，為車載用電設備供電。但是，在DC/DC變換器應用中會存在以下兩個問題。一是次諧波振蕩。峰值電流控制中，通過對比實際電感電流和電壓外環輸出電流確定PWM波輸出值，當占空比超過0.5時，變壓器原邊電流的擾動量會持續增加形成振蕩，且振蕩頻率達到開關頻率的1/2即為次諧波振蕩，需要使用斜坡補償技術進行抑制。二是軟件開關范圍受限。DC/DC變換器依靠諧振實現開關控制，開關兩端電壓值的控制變化并非瞬間實現，變化過程是從Vds到Vin再到0，若開關信號間死區時間Td較短，在Vds尚未下降到0就啟動開關，將造成開關管失去軟開關功能，限制軟開關范圍。

3.3 DC-DC變換器改進措施

3.3.1 斜坡補償技術

針對DC-DC變換器次諧波振蕩問題，采用斜坡補償技術抑制次諧波振蕩，即在電流環控制量中剔除斜率是m的斜坡信號，通過斜坡補償使變壓器原邊電流擾動變化恢復正常。發生電流擾動中的變化量計算公式為：

其中：

系統穩定條件為：

在0≤m≤m2時，抑制次諧波振蕩；在m=2m2時，可以實現完全抑制。

3.3.2 自動死區控制技術

自動死區控制流程如圖4所示，I0越大，Td越小，也就是輸出電流越大，同橋臂驅動信號間的死區時間越少，可以通過調節輸出電流調整死區時間Td，擴寬軟開關范圍。設計自動死區控制操作流程，連接輸出電流采樣和ADC通道，采集寄存器數值得到當前負載情況，把超前橋臂死區時間計數值和滯后橋臂死區時間計數值傳輸到ePWM1和ePWM2模塊中。死區發生器中的DBRED寄存器和DBFED寄存器接收數據信號，自動化調節超前橋臂和滯后橋臂死區時間。

圖4 自動死區控制流程示意圖

4 結 論

綜上所述，設計車載電源系統首先需明確車載電源系統中的穩定供電、邏輯供電、移動端接入以及用電監測等設計要求，優化上位機設計、電源箱設計、配電箱設計以及控制板設計，實現車載電源系統的控制，其次分析所要改進車載電源系統的弊端，顯示設計系統的應用效益，最后針對DC-DC變換器電流峰值控制問題，引入斜坡補償技術和自動死區控制技術，從而保證電源系統的高效穩定運行。