車輛輔助供電系統設計*

于海征馮國勝姜新民

（1.石家莊鐵道大學機械工程學院；2.石家莊核光電子科技有限公司）

電源系統是汽車新產品開發中的重要環節，電源系統的可靠性和合理性是影響汽車運行可靠性和經濟性的重要因素[1]。現有汽車的供電系統主要由交流發電機、整流橋、調節器及蓄電池組成，由于汽車運行工況的復雜性，在汽車負荷變化較大時，電流和電壓瞬間跌落幅度較大。由于受到蓄電池特性、發電機容量及輸出特性的限制，不能瞬間為汽車提供充足的電能補償，進而出現供電不足等現象，從而導致汽車用電單元工作效率下降。為改善這一問題，文章提出一種應用超級電容器作為汽車輔助供電裝置的方法，在汽車處于起步和急加速等不同工況時，應用超級電容器為汽車提供瞬時的電能補償，從而保證汽車的電力供應，提高汽車的動力性、操控性和燃油經濟性。

1 超級電容器及其特點

超級電容又稱電化學雙層電容，是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件[2]，其比能量和比功率介于電池和傳統電容之間。與傳統電容相比，超級電容具有很高的能量密度，同時能夠以指數級別更高的密度來存儲能量，特別適用于短時存儲和釋放大量功率的場合。另外，超級電容與普通蓄電池相比具有更高的功率密度，可實現更迅速地釋放能量[3-4]。但是由于超級電容在能量密度方面的限制，單純地采用超級電容器作為汽車的供電系統并不現實，而超級電容與蓄電池在性能上有較強的互補性，充分發揮兩者的優點可以使系統獲得更好的性能[5-6]，所以文章選用超級電容器作為輔助供電設備實現電能補償。

2 系統整體設計

車輛輔助供電系統主要包括主控單元、信號調理電路模塊、信號采集模塊、驅動電路模塊及超級電容輔助供電單元模塊，同時該系統應用LabVIEW作為上位機軟件，與主控單元DSPF2812之間通過串口通信實現數據的傳輸，從而實現對整個系統的信號及工作狀態的監測。

車輛輔助供電系統采用6組不同型號的超級電容作為超級電容輔助供電單元模塊，來實現對汽車處于不同運行狀態下的輔助供電。通過主控單元產生驅動信號可實現6組超級電容器的充放電控制，以滿足在不同運行工況下的輔助供電需求。車輛輔助供電系統設計的整體設計框圖，如圖1所示。

3 硬件電路設計

3.1 信號調理電路設計

車輛輔助供電系統主要是根據汽車運行時采集的實時信號來判斷汽車所處的運行狀態，所以準確地采集汽車的電壓、電流、轉速及節氣門開度等信號是實現準確控制的關鍵。圖2示出某車型各路信號的調理電路圖。

由于主控單元DSPF2812內部的ADC模塊能夠輸入的最大電壓范圍為0～3 V，而經過測試可得汽車蓄電池及超級電容的電壓范圍在11～14.5 V，為滿足測量要求，需要對輸入電壓信號進行調理，電壓信號的調理電路，如圖2a所示。輸出信號依次經過電阻分壓、電壓跟隨器及鉗位電路后，接入到AD采集端口。

本設計中采用霍耳電流傳感器對汽車的電流進行測量。通過測量可得，在汽車正常行駛狀態下的電流值約為30 A，而啟動瞬間能達到80 A甚至上百安培，綜合考慮，本設計選用霍耳電流傳感器CS100EK1。該傳感器的量程為100 A，輸出量為電壓值，并且可以實現零點調節和幅度調節，設計中電流傳感器的輸出量程調到0～3 V，使其滿足AD采集模塊的輸入范圍。為了實際測試信號的穩定，該電流信號輸入AD前也增加了電壓跟隨器及鉗位電路模塊，具體電路與電壓信號的調理電路類似，只需去掉信號調理電路中的分壓電路部分。

圖2b示出發動機轉速信號的調理電路。本設計中汽車的轉速信號通過測量發動機的噴油脈沖信號來獲得。其中，輸入端1接發動機信號地，輸入端2接發動機的噴油脈沖信號。該電路可實現當輸入端為高電平時，輸出端為0，當輸入端為低電平時，輸出端為3.3 V，經調理后的信號直接輸入到DSP的捕獲單元接線端。

節氣門開度能夠判別發動機怠速、部分負荷及大負荷等工況，是判斷汽車運行狀況的一個重要參數。本設計中通過采集節氣門位置傳感器信號來判斷節氣門開度的大小。圖2c示出節氣門開度信號的調理電路。其中節氣門信號由輸入端輸入，為了準確測量節氣門開度，本設計對節氣門的輸出電壓進行分壓后再分段放大，同時用2個AD端口采集2路電壓值，在軟件中實現計算真實的節氣門信號值。

3.2 驅動電路設計

本設計采用蓄電池與超級電容器進行并聯，通過PWM信號控制MOSFET開關管的導通與關斷，實現對超級電容器的充放電控制。驅動電路設計包括三部分，如圖3所示。

DSP的引腳輸出電平為3.3 V，未能達到開關管的開啟電壓，需要對輸出電壓進行升壓處理，文章選用GS3662升壓芯片，電路采用該芯片的典型應用電路進行設計，如圖3a所示。GS3662芯片的輸入引腳2接電瓶電壓，在輸出端可實現輸出電壓20 V。為提高輸出信號的驅動能力，本設計增加了推挽電路模塊，PWM驅動信號在升壓電路及推挽電路的作用下，電壓值由3.3 V升高到20 V。升壓電路及推挽電路的設計，如圖2b所示。

超級電容的充放電控制主電路模塊，如圖2c所示。驅動信號PWM1，PWM2分別控制2個MOSFET開關管的導通和關斷，從而實現超級電容的充電和放電。其中PWM2信號控制超級電容的充電，當PWM2為高電平時，MOSFET2導通，電瓶給超級電容器充電，為低電平時充電停止；當PWM1為高電平時，超級電容給負載放電，為低電平時放電停止。

本設計中的超級電容器供電模塊采用6組不同型號的超級電容分別對應于不同的運行工況，每組對應的驅動電路相同，但采用的超級電容器型號不同，6組超級電容器的充放電應用驅動信號PWM3～PWM12分別控制。

4 軟件設計及控制方法

4.1 系統軟件設計

本設計采用DSPF2812作為主控單元。DSPF2812處理器主頻達150 MHz，時鐘周期6.67 ns，具有高性能的32位中央處理器[7]，同時具有2個相同的EVA和EVB事件管理器模塊，每個模塊具有2個通用定時器、3個全比較單元及3個捕獲單元，同時具有16個通道的AD轉換器模塊，能夠完成多達16路模擬信號的采集。根據車輛輔助供電系統的整體設計，主要應用了DSPF2812的事件管理器模塊、ADC信號采集模塊及SCI串口發送模塊。

發動機的轉速信號測量以T型法測速為原理，通過采集發動機的噴油脈沖信號并經過轉速信號調理電路進行調理，得到可測的標準脈沖信號傳輸給DSPF2812的輸入捕獲單元，運用DSPF2812事件管理器EVA模塊的通用計數器T1在發動機噴油脈沖信號的1個周期內對已知頻率的高頻時鐘脈沖進行計數，最后通過計算得到轉速值。轉速測量中斷流程圖，如圖4所示。

由于汽車的電壓信號、電流及節氣門開度信號輸出的都為模擬信號，可直接應用DSP的ADC轉換模塊進行采集。為實現對汽車實時信號及驅動信號的全面監測，設計中使用了多路AD信號采集，分別實現總電壓、總電流、節氣門開度、超級電容電壓及驅動信號的采集，AD信號采集流程，如圖5所示。

本設計應用LabVIEW作為上位機軟件實現監測功能，在不增加硬件成本的基礎上實現了多路模擬信號的實時監測[8]。圖6示出某一路超級電容單體的充放電監測前面板，包括對總電壓、電流、節氣門開度、超級電容單體電壓及充放電驅動信號的監測。

4.2 控制方法及控制策略

為滿足車輛輔助供電系統的實現，本設計采用6組超級電容器作為超級電容輔助供電單元，分別為起步單元、急加速單元及其他單元，其中，其他單元中又包含滿足不同轉速區間下的4組超級電容。6組超級電容器的充放電控制都根據主控單元采集的實時信號進行控制。超級電容單體充放電控制方法由本設計初期的控制策略確定，如表1所示。由于不同車型的差異，不同的使用車型上需要對控制策略進行調整。

表1 超級電容單體充放電控制方法

5 試驗測試

在完成車輛輔助供電系統整體設計的基礎上，在試驗車上完成了車輛狀態監測系統的調試，實現了對試驗車的實時電壓、電流、轉速及節氣門開度的信號采集。為進一步測試輔助供電系統驅動電路及充放電控制，在實驗室通過模擬車輛的幾個實時信號從而實現超級電容器的輔助供電系統的整體測試。

測試過程中，應用實驗室可調穩壓電源模擬蓄電池電壓和節氣門開度信號，應用信號發生器來模擬發動機噴油脈寬信號，同時為方便調試和監測，采用超級電容器作為負載，測試現場，如圖7所示。通過測量超級電容單體及負載電容的電壓來驗證本設計的工作過程。試驗過程中根據制定的充放電策略進行了實際測試，模擬充放電試驗測試結果，如圖8所示，圖8中電壓1為超級電容單體電壓值，電壓2為負載超級電容的電壓值，MOSFET1，MOSFET2 分別表示 PWM1，PWM2當前的狀態。當滿足充電條件時，MOSFET1管打開，電瓶給超級電容器充電；當滿足放電條件時，MOSFET2管打開，超級電容器給負載放電。

6 結論

1）通過測試可得，根據蓄電池電壓、超級電容單體電壓、轉速及節氣門開度等信號的變化，能夠按照制定的控制方法和策略分別實現各組超級電容單體的充放電控制；

2）超級電容的充放電時間很短，經測試，所選用的不同型號的超級電容充放電時間在幾十毫秒到幾百毫秒之間，能夠保證在最短時間內進行電量補償，從而實現超級電容器輔助供電系統的功能；

3）超級電容作為一種新型的儲能元件，如果與現有的車輛匹配得當，能夠在一定程度上改善汽車的動力性、操控性能及燃油經濟性，具有廣闊的應用前景。