探究智能汽車系統的電源設計

劉文

摘 要：在人工智能技術不斷發展的影響下，汽車領域與人工智能結合的全新產物之一就是智能汽車，對于其內部的智能控制系統而言，電源一直都是核心組成部分，一個電源質量判定的標準就是能否給予智能控制系統一個穩定的工作電壓及電流。但是較之傳統的汽車控制系統，智能汽車系統對電源具有特殊的要求。為此，在設計智能汽車系統電源的過程中，就需要在這些特殊要求之下做出合理設計，本文圍繞智能汽車系統的電源設計展開了相關的討論。

關鍵詞：智能汽車 控制系統 電源設計

對于智能汽車而言，其控制系統電源通常情況下都在7.2V左右，并且整個系統的電路有著較大的電流需求，由此出發，其電源基本選用的都是可以提供較大工作電流的鎳鎘電池。與此同時，智能汽車內部的各個工作系統在電壓及電流的需求量上有著較大的差異，電源或降壓或升壓，有的工作系統則是需要使用較大功率的器件。正是因為智能汽車系統在電壓電流需求上的差異，在其電源設計工作中需要考慮的因素才會變得越發復雜。

1 智能汽車系統的電源設計

1.1 紅外線光電傳感模塊

以飛思卡爾智能小車作為例子，其內部的整個系統主要是由紅外線傳感、CCD攝像頭、舵機電源等諸多模塊共同組成的。就目前的智能汽車的集成電路發展看來，最為常用的三端穩壓形式的集成電路主要包括78××以及79××兩大系列，除此之外，還有包括的LM317及LM337在內的三端可調穩壓形式的集成電路。前者兩大系統中，在正常情況下，只有在輸入電壓高出輸出電壓3到5V的情況下，才可以保障集成穩壓器的工作在線性區，這兩大系列的穩壓形式集成電路其內部為串聯形式，導致其工作效率相對不高，并且從節能降耗的角度來看，需要盡最大可能的選擇開關穩壓性的穩壓形式集成電路。

在設計紅外線光電傳感模塊的過程中，可以選用TCRT5000反射性光電傳感器，這一類型的傳感器，單一的工作電流數值可以維持在15毫安左右，從其電源電壓、電流等需求出發，可以使用12個同一類型傳感器，其電流總數值就維持在180毫安上下，并且在這一電流數值之下，可以做到和其中的霍爾元件、CCD攝像頭視頻同步分離電流共同使用同一個穩壓電源。由此出發，在設計電路的時候，這一部分的電路可以使用具備大電流及高效率的LM2575穩壓性質集成電路，這一類電路的輸入電壓最低值為6.5V，工作電流可以維持在1，從理論角度上來看，完全可以滿足該模塊電路的具體需求。

1.2 舵機和后輪電機

對于飛思卡爾智能小車來說，其內舵機的工作電流正常數值維持在700毫安上下，電壓數值為6V。在設計的這一模塊的過程中，之前由LM1117-ADJ組成的調壓形式穩壓電路，在正式工作的時候，會將LM1117三端穩壓輸入電壓從6V降低到4V，這一電壓數值直接影響到了舵機正常工作。在這種情況下，就需要針對舵機的電源電路做出相應的調整，去除其中的調壓電路，并將兩個大功率的硅二極管串聯在電路中即可，硅二極管自身的額定壓降數值為0.7V，在兩個硅二極管串聯到電路的情況下，兩端的壓降就可以達到1.4V，在電流流經硅二極管的情形下，輸出端的電壓就達到了6V，在滿足舵機本身工作電壓的同時也可以提供穩定工作電流，為舵機的正常穩定工作提供了保障。除此之外，為了將電路中存在的高頻雜波干擾有效消除，還可以在電源端上將一個0.1μF的電容安裝其上。

除此之外，后輪驅動電機的正常工作電流維持在1.5A上下，在堵轉的時候可以達到2A之上，并且這一電機可以在7.2V的電壓下工作，基于此，可以將電機的驅動和電源電壓做出直接的連接，以便為其正常運轉提供一個較大的工作電流數值。

1.3 CCD圖像傳感模塊

較之其他系統的7.2V原始工作電壓，CCD圖像傳感模塊的工作電壓需要維持在9到12V之間，在這種情形下，就是使用一個斬波升壓電路做出電源的升壓處理。因為MAX734類型的開關穩壓芯片的輸入電壓極限值可以維持在4.75V左右，且具備較高的工作效率，為此，在該模塊的電路設計環節中，就可以通過使用該類型的開關升壓電路，來實現提升攝像頭工作到12V的目標。

除此之外，還可以使用的脈寬調制的斬波升壓電路來實現CCD圖像傳感模塊工作電壓提升的目標，這一類型的斬波升壓電路，在工作效率上有著一定的提升，同時場效應管自身帶有的輸出電阻數值較低，使其驅動負載能力得到了較大的進步。

3 智能汽車電源控制分析

3.1 蓄電池的監控與保護

在電池管理的過程中，其基礎就是電量的合理估計，可以通過蓄電池傳感器的設置，通過收集電池的電壓、電流等數據，在結合上汽車的使用情況做出蓄電池的電量合理估計。根據目前使用較高的算法來看，就是在得到蓄電池自身的電量分區之后，開展蓄電池的分區保護工作，換言之就是在電量處于不同區間的時候的使用不同的充放電策略。目前，對于蓄電池的分區可以劃分為回收、循環、保留及虧電分區，當電量處于回收區的時候，蓄電池就處于放電狀態，借此來為回收制動能量預留出相應的空間。而在電量處于循環區的情況下，電池本身就處于一個充電及放電循環的狀態下。換言之，充電達到循環電量數值上限的時候切換為放電狀態，反之就切換為充電狀態，借此來保障蓄電池自身的電量得以始終保持在循環區內。當電量數值進入保留區的時候，就會在發動機正常運行的情況下進行充電，當發電機關閉的情況下，就會進入I級的放電保護狀態，就會將娛樂及舒適性的負載全部關閉。在蓄電池電量進入虧電區的時候，在發動機運行的時候進行快速充電，而在發動機關閉的時候則會進入II級放電保護狀態，就是將一切的非必要性質的負載全部關閉。

3.2 發電機的控制

汽車電源系統的能量來源之一就是發電機，同時這也是汽車電氣系統的產生油耗的直接來源，基于此，整個系統的能量穩定流動的關鍵就在于電源系統的控制。傳統的汽車發電機因其自身有著固定的工作方式及輸出電壓，在電池及負載情況的調節上較為被動，導致能量的優化分配存在著較大的難度。而智能汽車的發電機控制是在識別蓄電池的分區及車輛運動狀態的前提下，借助勵磁電流實現發電機工作模式的動態調節的目標。

汽車的運動狀態基本可以分為啟動、怠速/勻速、加速、停轉、制動等幾類，并且在結合上面的蓄電池分區，就可以得出如下的幾種發電機控制策略：第一，制動狀態下借助快充將制動能量回收，在電量已經充滿的情況下，就可以轉變為浮充模式來降低整個的能耗。第二，在加速狀態下，如若電量條件允許，發電機可關閉，通過使用蓄電池降低能耗。第三，汽車在正常行駛的狀態下，通過調節發電機模式保障電量可以始終處于循環區，在保留相應制動能量回收空間的同時預留出靜態下的充足使用電量。

4 汽車電源管理的常用技術分析

4.1 突發模式超低電流管理

在整個的汽車系統中，娛樂及防盜系統也十分依賴于電源供給，并且這兩個系統的工作模式都屬于突發模式。通常來說，突發模式下的系統都遵循了如下幾個原則：第一，突發模式下運行的工作模式只可以在汽車電源系統處于待機情形的時候才可以正常運行。第二，系統內的電流除了暢通之外，還需要維持在靜態電流狀態下。第三，其電流數值不可超過100μA。由于智能汽車電源內部需要一些大功率的控制器，使得能耗出現了一定程度的提升。而新進出現的低功率MOSFET在通態下的能耗相對較低，為此，成為了智能汽車電源系統的效率提升的關鍵所在。

4.2 高低電壓電路的集成

智能汽車內部諸如汽車音頻、充電插口等相關的電路是依賴于較高電壓進行工作的。但其中的信號處理芯片內核心技術的運行是依靠低電壓的，在這種情形下，智能汽車的電源設計及管理中就需要使用到高低電壓電路集成技術。當前的智能汽車電源設計出于各系統工作電壓及電流的需求，部分集成電路是直接和蓄電池進行連接的。除此之外，信號處理工作的性能及強度也需要做出不斷的升級，又因其使用的制造工藝是亞微米級的，再加之其工作電壓是低壓，為此，汽車電源的管理工作中，就需要在電源系統中，有效的將高電壓及低電壓的元件進行集成。當前在這方面取得的成果就是將DMOS及COMS二者做出了有機結合，很好的解決了因為高低壓之間矛盾引發的電路短路安全隱患。在同時使用兩項工藝優勢的前提下，全面滿足了各類型元件在電壓上的差異需求，并且也可在電源管理控制芯片中集成電路的保護、控制及故障診斷功能。

5 總結

受到人工智能技術的縱深發展的影響，汽車領域內的智能汽車得以誕生及發展，對于內部控制系統的穩定運行來說，電源提供的電壓及電流需要在滿足各部分系統工作需求的同時維持穩定，基于此，本文基于智能汽車電源設計中的紅外線光電傳感模塊、舵機和后輪電機以及CCD圖像傳感模塊設計做出了相應的分析，并針對其電源控制中的監控保護蓄電池及控制發電機兩個方面做出了闡述，并在最后針對使用頻率較高的包括突發模式超低電流管理以及高低電壓電路的集成在內的管理技術做出了分析，以期為今后的智能汽車電源設計提供一些參考。

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