汽車DC／DC變換器建壓時(shí)間與起停時(shí)序匹配研究

鄧 恒

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司，上海 201805）

DC／DC變換裝置的作用是為了保證汽車在起停功能實(shí)現(xiàn)瞬間整車的電源正常，穩(wěn)定整車用電器的供電電壓和保證整車舒適性、安全性、動(dòng)力性。一個(gè)合理的系統(tǒng)要求在 “起動(dòng)指令下達(dá)瞬間”至 “起動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)臨界”的這一短暫間隙，DC／DC變換器能合理地識(shí)別并且在正確的時(shí)間開始工作。沒有DC／DC變換器激勵(lì)時(shí)機(jī)分析的設(shè)計(jì)，如手工概念DC／DC變換器樣機(jī)，沒有對(duì)DC／DC變換器激勵(lì)時(shí)間及整車系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間作出詳細(xì)指標(biāo)要求，所以整車的儀表及收音機(jī)會(huì)有輕微的視覺和聽覺上的負(fù)面影響，以及對(duì)DC／DC變換器供電的整車變速器ECU及動(dòng)力性也有負(fù)面影響。合理設(shè)計(jì)整車系統(tǒng)起停反應(yīng)時(shí)間及DC／DC變換器自身的建壓時(shí)間，對(duì)整個(gè)起停系統(tǒng)的舒適性、安全性非常重要。

1 起停系統(tǒng)的時(shí)序需求分析

起停的再起動(dòng)時(shí)間影響到客戶對(duì)于起停延時(shí)的感知品質(zhì)。在紅燈變綠時(shí)駕駛員多傾向于快速起動(dòng)整車加速向前，而不是延時(shí)很久車才起動(dòng)。這種起動(dòng)延時(shí)最理想的效果是 “和無起停功能車輛的起動(dòng)延時(shí)主觀感受相同”，即讓駕駛員無法感知到起停功能的存在。其中，行駛系統(tǒng)的機(jī)械匹配決定了整個(gè)起停起動(dòng)瞬間的物理層速度。

駕駛員松開制動(dòng)時(shí) （自動(dòng)檔對(duì)起停要求更高），即圖1整個(gè)起停時(shí)起動(dòng)過程，由于需要快速起動(dòng)來達(dá)到讓駕駛員無法感知起停的存在，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間要求在600 ms以內(nèi)可接受（600ms是根據(jù)約50位駕駛員對(duì)起停時(shí)間的感受而做出的調(diào)查結(jié)果）。

由于變速器針對(duì)起停配置增加了電子油泵加快建壓時(shí)間，已達(dá)到最優(yōu)化配置。余下起動(dòng)機(jī)動(dòng)作的時(shí)間只有340 ms左右，這個(gè)340ms中的大部分時(shí)間是被起動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及噴油點(diǎn)火占有，其中290ms為松制動(dòng)到起動(dòng)機(jī)有轉(zhuǎn)速且到達(dá)350r／min的過程，由于這部分時(shí)間會(huì)持續(xù)噴油點(diǎn)火，可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)標(biāo)定來優(yōu)化。

影響DC／DC變換器選型最重要的工序在起動(dòng)系統(tǒng)初始化過程 （包括起動(dòng)機(jī)和AGM蓄電池），即起動(dòng)機(jī)電壓開始下跌之前瞬間，DC／DC變換器必須要BOOST電壓到12V狀態(tài)，留給這一段時(shí)間只有約50ms （=340-290ms）。

起動(dòng)系統(tǒng)初始化過程和影響DC／DC變換器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

DC／DC變換器的設(shè)計(jì)要求既要滿足變速器ECU、車內(nèi)燈、儀表、娛樂等系統(tǒng)的供電容量，還要滿足圖2中電樞開始動(dòng)作的臨界點(diǎn)A（大于300 A電流）之前供電要求。

2 DC／DC系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)

起停系統(tǒng)由BCM車身控制器與EMS發(fā)動(dòng)機(jī)控制器聯(lián)合控制起停的使能，這種設(shè)計(jì)主要是考慮到基于ISO26262的安全性設(shè)計(jì)，保證整個(gè)系統(tǒng)不會(huì)誤起動(dòng)。系統(tǒng)包括車身控制器、BCM控制的起動(dòng)信號(hào)繼電器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、EMS控制的起動(dòng)信號(hào)繼電器、起動(dòng)機(jī)、KL87發(fā)動(dòng)機(jī)使能信號(hào)、KL30常電信號(hào)、DC／DC變換器。BCM與EMS使能起停主要在圖2中B～C階段。

當(dāng)轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向角、電池電量SOC、電池SOF、空調(diào)系統(tǒng)溫差、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等8個(gè)參量達(dá)到相應(yīng)的指標(biāo)，系統(tǒng)才會(huì)允許起停。起停系統(tǒng) （起停ECU或EMS或PMDC等模塊）通知DC／DC變換器開始蓄能并準(zhǔn)備激勵(lì)電壓。通知DC／DC變換器的方法有2種：①通過CAN總線直接發(fā)給DC／DC變換器 （如中國(guó)大陸DC／DC系統(tǒng)）；②通過硬線DC／DC變換器直接采集繼電器電壓來得到信號(hào) （如博世的DC／DC系統(tǒng)）。

根據(jù)整車的實(shí)測(cè)，CAN總線型結(jié)構(gòu)對(duì)DC／DC變換器的升壓控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度要求較低，因?yàn)槠滠浖o需做硬線信號(hào)過濾、去抖、無需算法中對(duì)客戶起停意圖進(jìn)行校核、無需算法中內(nèi)嵌起停ECU的MOSFET反應(yīng)等待時(shí)間，但其對(duì)DC／DC變換器成本要求較高，需要CAN收發(fā)器和較高層次MCU及CAN芯片物理層。CAN總線型理論速度快 （即對(duì)DC／DC變換器反應(yīng)時(shí)間預(yù)留空間較大），這主要是基于假定會(huì)有一個(gè)良好無延時(shí)的CAN數(shù)據(jù)鏈路層算法 （如明導(dǎo)公司的商業(yè)總線配置軟件VTP等）。如果協(xié)議算法不好，將會(huì)延時(shí)較大。把DC／DC變換器升壓系統(tǒng)的時(shí)間壓縮得很小，甚至?xí)?dǎo)致要求比硬線型DC／DC變換器要求還要更高的系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)。綜合以上，選擇硬線型DC／DC變換器系統(tǒng)。

電源接通時(shí)間分析見圖3，繼電器吸合時(shí)間見圖4。 圖3中在C點(diǎn)DC／DC變換器就接收到信號(hào)，圖4中繼電器吸合時(shí)間為6～12 ms。最嚴(yán)酷的情況是DC／DC變換器在繼電器6 ms內(nèi)就吸合，即要求在6 ms＋8ms的時(shí)間范圍內(nèi)就要成功在X點(diǎn)升壓到12 V，否則就會(huì)引起整車儀表閃爍或重啟，或動(dòng)力不穩(wěn)等負(fù)面影響。

另一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是把成功升壓點(diǎn)設(shè)計(jì)為A點(diǎn)，即C～A范圍都是DC／DC變換器的建壓時(shí)間 （而不是C～X區(qū)域）。由于從X點(diǎn)推后到A點(diǎn)，DC／DC變換器的升壓反應(yīng)時(shí)間也增加了約25ms，這會(huì)給DC／DC變換器的升壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)留有余地較大 （14～20ms以上）及芯片選型帶來非常多的選擇，從而設(shè)計(jì)的難度也大大降低。

但這樣做也是有缺陷的，如大眾POLO起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)工作電流約40～70 A，這個(gè)電流會(huì)在X～A間運(yùn)行。這種電流雖然比在A點(diǎn)后的300A的起動(dòng)電流對(duì)整車影響小一些，但根據(jù)實(shí)測(cè)，系統(tǒng)電壓降也有0.5～2V，會(huì)引起整車視覺上的影響，比如儀表導(dǎo)航輕微閃爍。避免有視覺反感的解決方案是選擇低內(nèi)阻的起動(dòng)機(jī)電磁開關(guān)或帶控制系統(tǒng)的電磁開關(guān)，但這樣的設(shè)計(jì)非常昂貴。因此不優(yōu)先使用C～A區(qū)域升壓方案。

3 DC／DC變換器硬件及策略設(shè)計(jì) （針對(duì)反應(yīng)時(shí)間）

斬波控制器是直流變流的核心電路，通過PMW來調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制［1］，其內(nèi)部控制機(jī)制決定了系統(tǒng)反應(yīng)速度，其工作控制指令及系統(tǒng)控制協(xié)調(diào)來源于MCU的中央控制軟件，斬波控制器在架構(gòu)中屬于隔離能源控制部分和電子控制部分的中間器件，見圖5。

DC／DC變換器的MCU要有相應(yīng)的策略來判定起停需求，主要是判定起動(dòng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)中發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMS使能起停的信號(hào)是否為真實(shí)起停需求，還是干擾或接觸不良產(chǎn)生的信號(hào)，以保證DC／DC變換器升壓時(shí)機(jī)有效。有效的判定策略是基于起停使能信號(hào)電壓波動(dòng)差值判定和多次電壓平均值判定。MCU通過自身的A／D轉(zhuǎn)換在2～3ms內(nèi)采集多于20次電壓。根據(jù)多次測(cè)試，如果小于2ms可能會(huì)產(chǎn)生誤判定。通過對(duì)電壓之間的差值算法及電壓的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，及A／D采樣的補(bǔ)償算法，判定起停需求是否有效。

由于系統(tǒng)方案選擇了X點(diǎn)升壓及硬線型DC／DC變換器，因此系統(tǒng)時(shí)間要求在14 ms（6 ms＋8 ms）以內(nèi)。其中2 ms用來MCU判定起停有效性，因此DC／DC變換器斬波芯片的建壓時(shí)間需要小于12ms。

設(shè)計(jì)需求是12ms，然后對(duì)各種升壓芯片進(jìn)行考查，以TI（德州儀器）、MAXIM （美信半導(dǎo)體）、LT（線性半導(dǎo)體）3個(gè)體系芯片進(jìn)行對(duì)比分析。

芯片設(shè)計(jì)的另一個(gè)重要因素還取決于整車企業(yè)需求。不同需求會(huì)產(chǎn)生3種不同設(shè)計(jì)，3種不同的系統(tǒng)建壓時(shí)間設(shè)計(jì)方法也不相同。

A方案：在起停系統(tǒng)中如果整車廠定義的只有對(duì)起動(dòng)瞬間的電壓降支持，那么只需要BOOST單向電路即可。

B方案：整車廠有柔性電壓過渡功能 （Transition）要求或任意電壓點(diǎn)變流需求時(shí)，就需要設(shè)計(jì)可變目標(biāo)電壓BOOST式電路。

C方案：如果整車廠有強(qiáng)制動(dòng)能量回收功能要求、敏感負(fù)載或是對(duì)整車燈光聲音等負(fù)載有特殊要求、柔性電壓過渡功能要求時(shí)，就需要設(shè)計(jì)有單向BOOST／BUCK電路。如果整車廠有復(fù)合電源起動(dòng)系統(tǒng)，還可能需要雙向升降壓變流系統(tǒng)。

3種系統(tǒng)基礎(chǔ)系統(tǒng)控制原理相同，見圖6。

成本最低的方案為A，但為了確定是否需要復(fù)雜的升降壓系統(tǒng)及電壓過渡功能的方案B、C，首先需要對(duì)目標(biāo)車型 （如大眾新朗逸）的起停系統(tǒng)電池與發(fā)電機(jī)匹配進(jìn)行測(cè)試。起停控制策略避免在制動(dòng)能量回收的電壓波動(dòng)區(qū)進(jìn)行起停或是在起停前制動(dòng)能量回收強(qiáng)度可變策略，可以保證在無需電壓過渡功能時(shí)也同樣平穩(wěn)無視覺影響而不采用方案B，負(fù)載自帶電源管理技術(shù)則可以避免使用方案C。

A方案選定后，需要對(duì)3類芯片進(jìn)行電路方案設(shè)計(jì)，因?yàn)殡娐贩桨笗?huì)影響系統(tǒng)建壓時(shí)間。由于系統(tǒng)需要精確的電壓穩(wěn)定控制，所以選擇帶反饋的PWM峰值電壓控制技術(shù)［2］，并且采用單或多BOOST通道技術(shù)。多通道或單通道的升壓用以在起停交通燈紅燈瞬間對(duì)整車的導(dǎo)航或燈等負(fù)載進(jìn)行支持，方案主要使用基礎(chǔ)BOOST電路模式，主干電路采用圖7所示電路，具體參數(shù)需要對(duì)3類芯片進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。

圖7電路為測(cè)試建壓時(shí)間而建，主要是由基礎(chǔ)BOOST基本電路演繹而來，根據(jù)芯片相關(guān)引腳的定義得到。理論上，整車負(fù)載與芯片的選型是無關(guān)的，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于GATE引腳處的帶載能力有限，一般情況下根據(jù)經(jīng)驗(yàn)單個(gè)芯片單通道的支持功率建議不超過100～300W，以免產(chǎn)生GATE引腳問題和過熱以及EMC問題。對(duì)于較大功率情況，為了保證效率可以選擇使用較小內(nèi)阻的Mosfet［3］，單芯片雙通道系統(tǒng)架構(gòu)。雙通道必須是異步BOOST型，圖8為單芯片雙通道異步設(shè)計(jì)，即2個(gè)GATE。

如果整車廠用DC／DC變換器輸出≥400 W，考慮到芯片帶載特性影響，建議使用多芯片多通道控制技術(shù) （中國(guó)大陸采用此技術(shù)），這時(shí)假如設(shè)置斬波頻率過高，就需要考慮集膚效應(yīng)設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)效率［4］。多通道影響建壓時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)是異步控制，比如4個(gè)芯片共8個(gè)通道之間的匹配設(shè)計(jì)。在同一時(shí)間內(nèi)8個(gè)通道如果采用相同的斬波相位，會(huì)產(chǎn)生非常大的EMC和能量拉拽效應(yīng)，引起整車電網(wǎng)不穩(wěn)和輸出波紋過大，同時(shí)產(chǎn)生較大的輻射發(fā)射和較大的建壓延時(shí)。針對(duì)這種情況，可以采用外部MCU時(shí)鐘分配相位差或是采用芯片自帶延時(shí)相位發(fā)生器來制造異步效果。

在設(shè)計(jì)中采用圖9主奴控制方式進(jìn)行多通道異步分配架構(gòu)，主截點(diǎn)發(fā)生異步命令讓各奴節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步，同步過程同時(shí)保證整車建壓輸出及時(shí)且平穩(wěn)。

4 系統(tǒng)建壓時(shí)間驗(yàn)證

根據(jù)電路方案，需要對(duì)3家產(chǎn)品的開發(fā)板測(cè)試及DATASHEET相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析。使用MAXIM的MAX16990制作的樣件電路升壓時(shí)間約17～20 ms，由于系統(tǒng)時(shí)間要求12ms，公差無法覆蓋設(shè)計(jì)需求，基于DFSS六西格瑪設(shè)計(jì)要求，否定MAXIM （美信公司芯片）。基于成本和性能，選擇LT3757或LT3862進(jìn)行測(cè)試。

設(shè)計(jì)的目標(biāo)是體積小和成本低，對(duì)于200 W的DC／DC變換器的設(shè)計(jì)，選用了成本最為低廉的LT3757，圖10為電路板樣板及測(cè)試環(huán)境。利用集成磁技術(shù)，可以將其做到體積較小［5］，可以看到電路板上采用的是體積較小的貼片磁芯。

由于測(cè)試臺(tái)架無整車的發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊，所以主要測(cè)試的是C點(diǎn)至X點(diǎn)的建壓時(shí)間。C～X時(shí)間長(zhǎng)短和整車系統(tǒng)設(shè)計(jì)無關(guān)，但和DC／DC變換器電路及芯片相關(guān)度較大，如圖11所示。

圖11中Z點(diǎn)即為成功建壓點(diǎn)，Z時(shí)刻必須在X點(diǎn)之前，才能保證整車起停正常，否則會(huì)引起用電器使用異常。圖11的實(shí)測(cè)圖為10～11ms，根據(jù)分析典型需求為系統(tǒng)建壓時(shí)間＜14ms，滿足需求。

由于線路切換信號(hào) （變量名為YPASS）控制整車DC／DC變換器是BYPASS狀態(tài)還是升壓回路狀態(tài)，考慮到繼電器的吸合時(shí)間較長(zhǎng)，則必須在升壓信號(hào)（變量名為YDD_ON）之前2 ms使能YPASS_O，否則，一旦繼電器吸合晚會(huì)造成升壓后的能量無法輸出給整車的問題。

但這種設(shè)計(jì)存在風(fēng)險(xiǎn)，即YPASS使能時(shí)MCU還未能真正判定是否為真實(shí)起停需求 （算法只完成了約一半）。假如這樣，可能在不需要起停時(shí)，比如由于線路干擾而突然存在的一個(gè)假起停使能信號(hào)產(chǎn)生，且YPASS由于提前使能未等到采集到足夠的電壓點(diǎn)而誤判定，就會(huì)錯(cuò)誤地把DC／DC變換器輸出由BYPASS回路切換到BOOST回路，這會(huì)產(chǎn)生整車用電器用電不穩(wěn)的情況。

解決這個(gè)問題的方法就是選用吸合速度較快的繼電器，讓YPASS和YDD_ON同時(shí)使能，即起停需求采集到足夠多信號(hào)，足以完全正確地判定起停需求為真且達(dá)到六西格瑪水平時(shí)才同時(shí)使能兩個(gè)控制信號(hào)。

5 總結(jié)

DC／DC變換器的系統(tǒng)在市場(chǎng)中得到應(yīng)用，在其應(yīng)用中的建壓時(shí)間匹配是整個(gè)起停系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，其中 “需求分析”決定了系統(tǒng)芯片及電路的選型。需求分析不需要從整個(gè)系統(tǒng)的匹配來考慮，包括選用的發(fā)電機(jī)充電策略和電池電壓，繼電器選型策略及起停控制策略等來總體考量，不能僅從升壓電路的設(shè)計(jì)孤立地進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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