用電附件過載引發(fā)汽車電源設(shè)計(jì)的新思考

隨著汽車電子功能的爆炸式增長，越來越豪華的汽車是否會(huì)危及乘客安全呢？這就是汽車過電氣化問題的起源，設(shè)計(jì)工程師要采取什么舉措才能避免潛在的危險(xiǎn)呢？

　　回憶過去(不那么遙遠(yuǎn)以前)，駕駛著你爸的老爺車，AM/FM收音機(jī)、磁帶錄放機(jī)和汽車空調(diào)標(biāo)志著那個(gè)時(shí)代豪華汽車的最高水平了。如今，許多人難以想象，全家人的公路之旅幾乎都配備了衛(wèi)星導(dǎo)航GPS、每一個(gè)乘客單獨(dú)的DVD播放機(jī)、車內(nèi)氣候控制、加熱座椅、巡航控制、無線接入以及提醒駕駛員車燈一直開著的語音提示功能，引擎要持續(xù)為這些電子系統(tǒng)供電，否則，車上這些設(shè)備將變成華而不實(shí)的擺設(shè)。

　　隨著汽車電子和電氣附件的增加，制造商如何通過提供足夠的電源來滿足其要求呢？一旦出現(xiàn)電壓浪涌或下跌，會(huì)發(fā)生什么情況？更為豪華的汽車是否會(huì)危及乘客的安全？要采取什么解決方案才能確保高度電氣化的汽車維持足夠的電源？

附件功耗呈現(xiàn)上升之勢(shì)

　　汽車電子和電器設(shè)備以平均每輛車每年超過110W的速度遞增，最近，過去由機(jī)械力和液壓力推動(dòng)的系統(tǒng)都改由電力驅(qū)動(dòng)，對(duì)電能的大部分需求都源于此。上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的防抱死剎車系統(tǒng)(ABS)具有存儲(chǔ)容量大約為8KB電子控制單元；而現(xiàn)代的第五代ABS硬件配備128KB的存儲(chǔ)器，大小僅僅為早期系統(tǒng)的40%。由于設(shè)計(jì)精巧和創(chuàng)新，現(xiàn)代電氣/電子系統(tǒng)對(duì)功率的要求通常比最初推出的系統(tǒng)要小。

　　下表總結(jié)了現(xiàn)代汽車的汽車電氣/電子系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)(和負(fù)載)：

　　發(fā)動(dòng)機(jī)管理

　　多媒體和加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)

　　車身電子

　　底盤電子

　　照明(外部和內(nèi)部)

　　未來的系統(tǒng)

　　表中所列的用電負(fù)載是連續(xù)和間歇運(yùn)行的部件的混合體。然而，汽車電力充電系統(tǒng)的組成部分至少要包括交流發(fā)電機(jī)、蓄電池和電力配線系統(tǒng)(也就是PowerNet)，它必須完全持續(xù)地支持引擎管理功能以及大部分的多媒體和HVAC功能，并根據(jù)駕駛條件和消費(fèi)者的用途支持其余類別的汽車電子系統(tǒng)。

　　表中的兩類(引擎管理、多媒體和HVAC)汽車電子系統(tǒng)需要汽車電力系統(tǒng)提供102A的電流。這一點(diǎn)很重要，為了描述附件超載的電流狀態(tài)，要注意：為了在不增加電池的條件下支持102A的負(fù)載，交流發(fā)電機(jī)必須具備大約兩倍的額定電流—204A。原因在于：當(dāng)引擎低速運(yùn)行且怠速時(shí)，汽車交流發(fā)電機(jī)僅僅可以產(chǎn)生一半的電能。這就需要大型的交流發(fā)電機(jī)，在標(biāo)稱系統(tǒng)電壓為14.2V的PowerNet上，它必須提供2,840W的功率。

　　如果以不同的占空周期把其余的四個(gè)子系統(tǒng)的用電負(fù)載包含在汽車的負(fù)載調(diào)查表中，就有可能輕易地超過交流發(fā)電機(jī)的供電能力。當(dāng)這種情況出現(xiàn)于現(xiàn)在的汽車上時(shí)，PowerNet的電壓就會(huì)下降，直到系統(tǒng)電壓與電池內(nèi)部12.8V的電壓匹配，此時(shí)，蓄電池開始為總的用電負(fù)載提供一部分電能。這種效應(yīng)被稱為電池分配(battery contribution)。

　　電池分配是一種周期性的事件，它隨機(jī)地為不定期工作的用電負(fù)載供電，如乘員室的自動(dòng)溫度控制、旋轉(zhuǎn)方向盤的事件；或?yàn)橄M(fèi)者所選擇的確定性負(fù)載供電，如音響或?qū)Ш街帧＿@些周期性事件就是電池耗盡的原因，并最終導(dǎo)致需要更換電池。

　　關(guān)于該表要注意的最后一點(diǎn)是：如果考慮車身電子、照明和底盤電子等子系統(tǒng)的間歇性負(fù)載，對(duì)汽車充電系統(tǒng)的需求就真的是附件超載(accessory overload)。將來的系統(tǒng)將持續(xù)這種趨勢(shì)。

　　汽車制造商因此正采取步驟降低因電子系統(tǒng)泛濫所造成的電氣系統(tǒng)超載問題。這些措施包括：提高現(xiàn)有用電附件的效率；功能集成以消除重復(fù)的控制電子系統(tǒng)，從而降低控制系統(tǒng)的耗電；縮小機(jī)械傳動(dòng)裝置，例如，對(duì)ABS創(chuàng)新使之能夠以更小、更低的功耗提供預(yù)期的功能。

電力需求無窮無盡

　　實(shí)際情況依然是：在不遠(yuǎn)的將來，附件超載將繼續(xù)猛烈如初，因?yàn)橄M(fèi)者需要越來越多的新特色和功能。從下圖可見4代汽車電子系統(tǒng)的演變進(jìn)程。

　　從1968年到上世紀(jì)70年代，第一代汽車電子系統(tǒng)包括電動(dòng)助力窗、電動(dòng)門鎖、空調(diào)、電子燃油注入和電子點(diǎn)火，這些系統(tǒng)對(duì)于滿足那個(gè)時(shí)代的排放規(guī)則的要求是必需的，并演變到采用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向。

　　從上世紀(jì)80年代到90年代早期，第二代汽車電子系統(tǒng)包括ABS、防盜系統(tǒng)和更為先進(jìn)的電子引擎控制系統(tǒng)，以滿足限制尾氣排放的法規(guī)的要求。第二代汽車電子系統(tǒng)因采用軟件控制功能和專用電子控制單元而成為可能，如早期的引擎控制單元(ECU)通過基于傳感器的閉環(huán)控制及取代了老式機(jī)械系統(tǒng)的電子機(jī)械傳動(dòng)裝置來管理燃油、火花塞放電和廢氣的再循環(huán)。

　　第三代汽車電子功能因引入更為強(qiáng)大的微處理器而成為可能，例如以80186取代8080，并能夠處理更多的控制功能。這就引出了更為先進(jìn)的功能，如多工通信和分布式計(jì)算功能、巡航控制、導(dǎo)航功 能以及自動(dòng)化程度更高的空調(diào)系統(tǒng)，并改善了變速箱，實(shí)現(xiàn)了人力操縱傳動(dòng)的自動(dòng)化，采用了更為先進(jìn)的氣囊。在第三代汽車電子時(shí)代，車載娛樂系統(tǒng)采用了數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，提高了分布式電子系統(tǒng)架構(gòu)的性能，擴(kuò)展了諸如控制器局域網(wǎng)(CAN)之類多工通信的應(yīng)用。

　　利用更高級(jí)別的分布式汽車電子系統(tǒng)，就有可能從儀表盤面板中騰出新的空間，因?yàn)橹挥锌刂菩畔⑹切枰x取的。上世紀(jì)90年代的音響系統(tǒng)就是這種趨勢(shì)的一個(gè)例證，其中，收音機(jī)機(jī)芯和音響放大器級(jí)都安裝到汽車車身的后窗臺(tái)區(qū)域之中，儀表盤面板上僅僅留下顯示器和開關(guān)。車內(nèi)氣候電子控制、導(dǎo)航系統(tǒng)、CD換碟器等等之類的系統(tǒng)也出現(xiàn)了類似的趨勢(shì)。