車載電源管理：車載電源控制和電源設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

如今車隊管理創(chuàng)新技術(shù)已有了巨大進步。無論貨車、公交車、出租車還是其它運輸工具都運用了無線衛(wèi)星定位系統(tǒng)，調(diào)度員可藉此了解所有車輛的位置、狀態(tài)和油耗狀況，因而大大改善了對車隊的控制和管理。乘客也得到了更好的服務(wù)。顯示屏可提供各種娛樂內(nèi)容，以及實用、實時的信息，如出發(fā)和到達時間、天氣欄和緊急通知。

上述車載系統(tǒng)需要一套復(fù)雜的電源管理方案。新一款專為車載應(yīng)用設(shè)計的研華ARK-1388嵌入式工控機，能夠通過基于微控器的硬件和軟件來提供給不同客戶，非常彈性的安全啟動和關(guān)閉時間設(shè)定。而啟動和關(guān)閉過程是由車載電池狀態(tài)和點火狀態(tài)直接控制。此外，ARK-1388可以同時支持12 V和24 V車載電池系統(tǒng)。這款新型電源管理系統(tǒng)主要適用于出租車、貨車、礦車和公交車。

電源管理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

不論在什么條件下工作，機動車的電氣系統(tǒng)都必須滿足苛刻的電源要求，如負載突降、冷啟動、以及待機時必須低功耗等。怎樣才能避免交換機充電時電池電纜斷開引起的負載突降？怎樣才能在電壓突然過高或過低時保護電氣系統(tǒng)，如內(nèi)置車載空調(diào)？怎樣才能保證車載設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性？下面將作解釋。

機動車電源設(shè)計的常規(guī)限制

如12 V電池電源線的電壓瞬變范圍（VIN）非常寬廣，小至6V，，大至87V。典型的車載電力系統(tǒng)的工作電壓范圍往往只有在9V ~ 16 V。引擎關(guān)閉時電池的正常額定電壓為12 V，啟動時為14.4 V。但是，這個范圍在瞬變狀態(tài)時很容易擴大到80 V峰值以上。

圖1：模擬輸入電壓

由于車載電子控制單元（ECUS）急劇增加，車載電池的總電流也隨之增加，這就影響到靜態(tài)（IQ）和關(guān)閉（ISD）電流預(yù)算。引擎關(guān)閉時仍有一些電氣系統(tǒng)單元在運行，這也會損耗電池。為了控制靜態(tài)（IQ）電流預(yù)算，大多數(shù)用戶設(shè)置了單個ECU IQ的最大值。CAN收發(fā)器、實時時鐘和微控器等設(shè)備可消耗ECU的多數(shù)IQ預(yù)算，因此電源的IQ預(yù)算可降到最低。ARK-1388通過微控器監(jiān)視車載電源狀態(tài)，因此休眠模式時功耗可低于10 mA。

為了解決上述問題，設(shè)計師過去不得不采用獨立的車載電源模塊將電子設(shè)備連接到車載電源系統(tǒng)。這種多為客制化的外置模塊在受到?jīng)_擊和振動時容易損壞，因此削弱了車載系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

這種附加模塊還給制造商帶來了額外開支，且占據(jù)了車輛空間。而研華產(chǎn)品采用整合化方案，且具有硬件電源保護和軟件智能監(jiān)控功能，因此可保證安全啟動和關(guān)閉。

測試通過ISO 7637認證

ISO-7637-2:2004標(biāo)準(zhǔn)指定測試了客車以及安裝12 V或24 V電氣系統(tǒng)的商用車輛中設(shè)備的電瞬態(tài)傳導(dǎo)的兼容性?？顾矐B(tài)失效程度的等級也有定義。該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有安裝電氣系統(tǒng)的道路車輛，不受推進模式的約束。

ISO-7637標(biāo)準(zhǔn)附件2中說明了車輛電子設(shè)備功能狀態(tài)的區(qū)分方法。不同的測試條件說明了可能存在的系統(tǒng)工作環(huán)境。功能狀態(tài)分為幾類，相應(yīng)的失效機制也有所不同。選擇的測試等級和測試時間可根據(jù)研華公司和車輛制造商的約定定義。

ARK-1388 嵌入式工控機已測試適用于12 V和24 V電池系統(tǒng)。一種測試是電源斷開電感負載時的瞬態(tài)模擬。一種測試是模擬由于連接電汽配線電感在測試裝置并聯(lián)設(shè)備中產(chǎn)生的電流突然中斷。還有一種測試是點火裝置關(guān)閉后DC發(fā)動機充當(dāng)動力時的瞬態(tài)模擬。模擬轉(zhuǎn)換過程的結(jié)果表明，瞬態(tài)可能發(fā)生，并受分布電容和連接電汽配線電感的影響。

若沒有定義具體值，建議使用I ~ IV欄的等級。ARK-1388通過適用于12 V和24 V系統(tǒng)的測試等級III；各個測試脈沖的詳細規(guī)格請參考ISO-7637-2認證。

圖2：ISO-7637-2中用于12 V / 24 V系統(tǒng)的測試等級

研華硬件電源設(shè)計

車載電源保護機制可檢查和監(jiān)控多種系統(tǒng)狀態(tài)，并發(fā)出故障警報。

電源保護機制可防止設(shè)備可能遭受反極性造成的損壞。即使電池裝反了，或者DC電源接反，該機制也可使DC供電設(shè)備正常工作。

設(shè)備還配有電涌保護器，使其免受電壓峰值造成的損壞。若電壓超過安全值，該機制會通過地面抑制或短接電壓調(diào)節(jié)電氣設(shè)備的電壓。

冷啟動是機動車環(huán)境應(yīng)用中的突出問題。車輛引擎遇冷或凍結(jié)一段時間后，機油會變得很黏，需要發(fā)動機增大輸出扭力，進而增大電池電流。這個高電流負載可將點火時的電池電壓降到6 V，然后再返回額定電壓13.8 V（典型）。但是某些子系統(tǒng)要求整個冷啟動過程中的電壓恒定為5 V，這時問題就會產(chǎn)生。這包括ECU、環(huán)境和應(yīng)急系統(tǒng)微處理器等與車輛安全和性能息息相關(guān)的應(yīng)用。

研華的理想電源方案還支持負載突降。電池電纜斷開時，若交換機在充電，而電路上還有其它電流負載，就會產(chǎn)生負載突降。引擎運行時可能由于電纜腐蝕，連接不穩(wěn)定或故意斷開而切斷電池。交換機充電時若電池突然斷開，瞬時電壓峰值可高達80 V。這種情況下多數(shù)計算機系統(tǒng)可能會崩潰。負載突降幅值取決于電池斷開時交換機的速率和當(dāng)前集電量。而負載突降脈沖持續(xù)時間主要取決于當(dāng)前集電電路的持續(xù)時間和脈沖幅值。多數(shù)新交換機的負載突降幅值受附加限制二極管的限制。

研華軟件電源設(shè)計

除了硬件電源管理功能，研華產(chǎn)品還具有軟件智能監(jiān)控特性。安裝的微控器可穩(wěn)定車載電源系統(tǒng)。用戶友好的實用程序接口可允許用戶自行設(shè)置時序和電壓。例如，延遲時間的多組電源可通過實用程序和硬件跳線進行設(shè)置。覆蓋設(shè)置時將發(fā)出報警提示。

用戶可通過跳線將電源設(shè)置為“車輛模式”或“ATX模式”。設(shè)置為“車輛模式”時，基于微控器的PIC軟件會檢查車輛的點火和電池狀態(tài)。系統(tǒng)啟動前，軟件會自動判斷電池類型，并檢查閥值電壓為12 V還是24 V。若電池電壓足夠啟動系統(tǒng)，軟件會檢查點火狀態(tài)。實用程序中設(shè)置的點火電壓很高，如8 V以上。軟件會確保計算系統(tǒng)在點火打開前不自動啟動。進行點火打開和關(guān)閉切換時，系統(tǒng)電源會順利啟動。穩(wěn)定電壓的時序狀態(tài)可按默認值設(shè)置，如10 s以后。若電壓在設(shè)定值后沒有穩(wěn)定下來，系統(tǒng)會自動關(guān)閉。

系統(tǒng)運行時，PIC軟件會持續(xù)監(jiān)控電池電壓狀態(tài)。若電量不足，驅(qū)動會接到通知，然后系統(tǒng)會在設(shè)定時間內(nèi)自動關(guān)閉。

PIC軟件也會檢查點火狀態(tài)。車輛點火裝置關(guān)閉后，操作系統(tǒng)會延遲關(guān)閉，待數(shù)據(jù)保存好后徹底關(guān)閉。延遲時間為30 s（斷電延遲）~ 180 s（硬斷電延遲），取決于軟件設(shè)置。若系統(tǒng)由于某種原因不能順利關(guān)閉，硬斷電延遲設(shè)定將確保數(shù)據(jù)自動強制進入待機模式，避免車上電池電力被耗盡，造成車子無法開動。

研華嵌入式工控機管理器提供XP/XPe環(huán)境下的用戶友好接口；根據(jù)需要顯示電源電壓準(zhǔn)位、點火和電池狀態(tài)；根據(jù)電池狀態(tài)調(diào)節(jié)最小電壓；根據(jù)應(yīng)用目的延遲啟動/關(guān)閉時序；并可通過UI信息或郵件給服務(wù)器發(fā)出警報。

嵌入式工控機的系統(tǒng)功能

研華電源管理方案基于功能強大、靈活的嵌入式工控機產(chǎn)品線，特別適合多樣化、苛刻的車載環(huán)境應(yīng)用。嵌入式嵌入式工控機的主要優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、被動冷卻和散熱有效。IMS調(diào)查報告顯示，嵌入式工控機在以后幾年內(nèi)形勢最好的市場在于交通和基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域。嵌入式堅固型嵌入式工控機憑借其實用性、抗振性以及惡劣環(huán)境應(yīng)用的適用性,使這種趨勢更加明朗。數(shù)字看板和客戶信息系統(tǒng)是目前嵌入式工控機的流行應(yīng)用。

研華嵌入式工控機是運行嵌入式操作系統(tǒng)的緊湊、堅固型計算機，如Windows? CE、Windows? XPe或Linux Embedded。

嵌入式工控機大大改善了惡劣環(huán)境應(yīng)用的性能。工業(yè)電腦沒有整合硬盤或旋轉(zhuǎn)組件，因此抗沖擊和抗振性比較高。無風(fēng)扇IPC設(shè)計、鋁質(zhì)外殼以及有限的內(nèi)部接線，保證了多應(yīng)用的高可靠性。由于散熱性能良好，工業(yè)電腦專用于戶外和機動車應(yīng)用。研華提供具有可擴展計算和I/O性能、功能完善的ARK嵌入式工控機。

新型ARK-1388 嵌入式工控機屬于超緊湊型ARK-1300系列，特別適用于空間有限的應(yīng)用。低功耗計算機方案整合了Intel? Celeron M ULV 423或Intel? CoreTM 2 Duo U7500處理器（帶1.06 GHZ時鐘頻率），Intel? 82945GM芯片組，以及板載2 GB DDR 2內(nèi)存。

嵌入式工控機電腦提供了靈活的GSM/GPRS/EDGE或UMTS/HSDPA模塊安裝空間，并具有50通道GPS功能，便于整合特別的導(dǎo)航模塊。該產(chǎn)品符合802.11 b/g WLAN規(guī)格，可以進行無線LAN通信。前面板還帶有VGA和18/36-bit LVDS接口，便于連接顯示屏或觸摸屏。 ARK-1388支持雙獨立顯示，分別適用于駕駛員和乘客。此外，設(shè)備還帶有4個USB 2.0接口、4個串行端口、4個帶隔離的數(shù)字輸入接口和2個帶繼電器的數(shù)字輸出接口。為了娛樂和客戶信息起見，ARK-1388音頻輸出接口通過一個6 W立體聲左右通道擴音器，有助于克服噪音問題。數(shù)據(jù)存儲通過CF卡可高達8 GB。

研華嵌入式工控機ARK-1388可在 -20°C ~ 60°C寬溫條件下正常工作（Intel? Celeron M處理器），或者高達55°C（Intel? Core 2 Duo CPU），并支持9 V ~ 32 V寬泛電源輸入。

針對車載應(yīng)用，ARK-1388可控制媒介和信息系統(tǒng)，通過UMTS/HSDPA或GSM/GPRS/EDGE下載數(shù)據(jù)。工業(yè)電腦還整合了能夠監(jiān)視車輛引擎和電池狀態(tài)的電源控制機制。啟動/關(guān)閉延遲時序可通過實用程序快速設(shè)置。

圖3：ARK-1388車載嵌入式工控機

結(jié)論

研華整合化方案取代了外部電源管理模塊，并保證了車載應(yīng)用的穩(wěn)定性。緊湊型ARK-1388 嵌入式工控機系統(tǒng)不僅節(jié)省空間，還避免了額外開支。其工業(yè)電腦規(guī)格支持寬溫工作，并抗沖擊和抗振動，是車載應(yīng)用的理想選擇。

車載電源設(shè)計具有硬件電源保護和軟件智能監(jiān)控功能，可保證安全啟動和關(guān)閉。