基于車載啟停系統(tǒng)輔助電源模塊的研究

林 玲

（深圳職業(yè)技術(shù)學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

汽車啟停系統(tǒng)是為了節(jié)能和環(huán)保應(yīng)運而生的．2015年歐洲和美國新車裝配啟停系統(tǒng)的比例已經(jīng)分別達到80%和60%．同年，我國華晨、長安、廣汽、江鈴等車廠開始在新車型裝配啟停系統(tǒng)[1,2]．

汽車啟停系統(tǒng)是一個總成控制器，其中的輔助電源技術(shù)已經(jīng)在日、歐、美等汽車制造廠得到廣泛應(yīng)用，但目前主要的供應(yīng)商是博世、法里奧、電裝和德爾福等國際汽車電子巨頭公司．由于價格過高，使國內(nèi)整車成本提高，失去整車的市場競爭力，于是國內(nèi)汽車零部件供應(yīng)商開始投入資金和研發(fā)團隊來研究這個輔助模塊，以降低成本，但由于汽車電子零部件的標準非常嚴格，到目前為止，還沒有一個國產(chǎn)化輔助電源模塊在國內(nèi)車廠得到量產(chǎn)．本文就是研究一種基于汽車啟停系統(tǒng)輔助電源模塊的方案，給國內(nèi)汽車零部件廠商提供參考和借鑒．

1 汽車啟停系統(tǒng)

1.1 汽車啟停系統(tǒng)

汽車啟停系統(tǒng)就是在汽車遇到紅燈或需要較長時間停車等候時，駕駛員深踩剎車板，發(fā)動機會自動停止運行，當需要汽車重新前時，駕駛員放開剎車板，發(fā)動機會自動重新啟動．由于發(fā)動機在停車時自動熄火，除了可以減少燃油消耗，也可以減少汽車尾氣排放，達到節(jié)能環(huán)保的雙重作用．據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，一部安裝了啟停系統(tǒng)的汽車，可以平均減少燃油消耗3%-15%，可以減少尾氣排放量12%[3]．

汽車啟停系統(tǒng)包含發(fā)動機控制模塊、電池管理模塊、空調(diào)管理模塊、啟停輔助電源管理模塊等若干模塊．

1.2 汽車啟停系統(tǒng)輔助電源模塊

發(fā)動機從停止到重新啟動，會產(chǎn)生很大的啟動電流，這會顯著地拉低汽車電瓶電壓，蓄電池電壓有可能降低到7V，甚至更低．而汽車內(nèi)部各種電子控制器，要求工作電壓范圍是9V-16V，蓄電池電壓低于這個范圍，會使各種控制器工作不正常，甚至損壞失效，比如會使音響出現(xiàn)卡頓噪音、儀表板白光閃爍、汽車空調(diào)系統(tǒng)不制冷、汽車大燈亮度降低等故障，影響乘坐的安全性和舒適性．這時需要有一個電源管理模塊，在汽車啟停系統(tǒng)工作時，發(fā)動機從停止進入啟動瞬間，可以將拉低的電壓轉(zhuǎn)換為滿足汽車內(nèi)部控制器所需的工作電壓，既輸出穩(wěn)定的12V電壓供給其它控制器，當發(fā)動機啟動完成，經(jīng)過4-6秒的時間后，汽車電瓶電壓恢復(fù)到12V以上，這個模塊退出運行，恢復(fù)由汽車電瓶給其它控制器供電．這個電源管理模塊就是汽車啟停系統(tǒng)輔助電源模塊．它承擔著給汽車各個控制器穩(wěn)定的電源供給任務(wù)，當發(fā)動機頻繁啟停時，雖然蓄電池電壓在波動，但它可以保證輸出電壓穩(wěn)定在 12V，給各個控制器提供穩(wěn)定的電壓．

2 汽車啟停系統(tǒng)輔助電源模塊硬件系統(tǒng)組成及原理

輔助電源模塊的控制原理如圖1．以下是它的硬件組成及原理．

圖1 啟停輔助電源控制原理圖

2.1 輔助電源模塊硬件

輔助電源模塊硬件包括CPU、信號連接器、輸入/輸出、交錯同步電路以及反饋電路等五個單元．

（1）CPU單元：采用32位微處理器，負責各個硬件單元的控制．

（2）信號連接器單元：采用汽車專用連接器，將電瓶電源（BAT+，BAT-）以及部分使能信號（KL15，KL50）與模塊建立連接．

（3）輸入EMI濾波和輸出EMI濾波單元：不僅消除外界輸入電磁干擾，同時對自身高頻開關(guān)信號的諧波進行濾波，防止其輸出到汽車電源，對其它電器產(chǎn)生干擾，且符合汽車EMC的標準．

（4）同步交錯整流BOOST電路：通過PWM信號驅(qū)動MOS管Q1、Q2、Q3和Q4，通輔助電源模塊的控制原理如圖1．以下是它的硬件組成及原理．

過電感L2和L3的儲能和放電，將拉低的電瓶電壓升高為穩(wěn)定的12V工作電壓輸出，同步交錯電路也保證了輸出紋波較小．

（5）反饋電路單元：對輸入和輸出信號進行采樣，得到電壓差，經(jīng)過計算，得出PWM的輸出占空比，驅(qū)動MOS管來自動調(diào)節(jié)輸出電壓的大小．

2.2 輔助電源模塊的工作原理

電瓶電壓由 BAT+輸入，分兩路進入系統(tǒng)，一路是經(jīng)過繼電器直接輸出電瓶電壓 12V_OUT，在此稱之為通路 A；另外一路就是進入同步交錯BOOST電路，在此稱之為通路B．在汽車正常行駛過程中，CPU檢測到電瓶電壓高于 9V，將繼電器接通，通路A打開，同時CPU控制Q1/Q2截止，通路B關(guān)閉，這時電瓶電源直接給各個汽車控制器供電．當汽車進入怠速停車狀態(tài)時，如果啟停系統(tǒng)具備啟動條件，則發(fā)動機熄火，這時通路A仍然打開，通路B保持關(guān)閉．當汽車準備由靜止狀態(tài)進入行駛狀態(tài)時，啟停系統(tǒng)控制發(fā)動機啟動，在啟動瞬間，啟動的大電流會把電池電壓嚴重拉低，極限情況下（蓄電池老化，環(huán)境溫度低等）可能低到3V，CPU檢測到電瓶電壓極速下降，瞬間打開通路B，通過交錯同步BOOST電路[4]，使被拉低的電瓶電壓瞬時升高到 12V，關(guān)閉通路A．各個控制器的電源轉(zhuǎn)為由輔助電源模塊供電，維持12V穩(wěn)定的電源輸出．發(fā)動機啟動經(jīng)過4-6秒后，蓄電池電壓恢復(fù)到12V，這時輔助電源模塊關(guān)閉通路B，打開通路A，各個控制器的電源恢復(fù)到電瓶供電．

啟停系統(tǒng)工作時，蓄電池電壓的變化及輔助電源模塊的輸出電壓波形見圖2，發(fā)動機啟動瞬間，蓄電池電壓會從12V極速降低到7.5V，這時輔助電源開始工作，輔助電源輸出電壓經(jīng)過0.15秒的短暫電壓下降，輸出12V的電壓．T1是發(fā)動機啟動時電瓶電壓的恢復(fù)時間，一般 0.6-0.8秒，其后蓄電池電壓會恢復(fù)到13.5V．T2是輔助電源模塊的工作時間，為了保證汽車電源維持在12V，T2應(yīng)該大于T1，本方案設(shè)定T2為5秒．不同車廠對 T2的定義不同，在實際應(yīng)用時可以根據(jù)車廠要求做調(diào)整．

圖2 電瓶電壓與輔助電源模塊輸出電壓波形

3 車載啟停系統(tǒng)輔助電源模塊硬件設(shè)計要點

同步交錯BOOST電路是一個成熟的拓撲結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用，但作為車載電器，汽車制造廠為了對產(chǎn)品可靠性做出嚴格保障，設(shè)計上還需要作一些特殊考慮．

3.1 BOOST電路的儲能電感L2和L3

電感L2和L3在BOOST電路中不斷地儲能和放電，對磁芯的材料有嚴格的要求．磁粉芯的導磁率隨磁場強度變化大，儲能小，損耗大，熱量高，體積大．而鐵氧體材料高頻損耗小，選擇鐵氧體材料做電感磁芯，可以滿足車載電器對汽車模塊體積小，效率高，發(fā)熱量小的要求．

3.2 PWM的工作頻率

PWM 工作頻率的選擇，會影響到整個模塊是否能夠通過 EMC測試．汽車制造廠一般都有自己的車載電器電磁兼容 EMC標準，國內(nèi)推薦執(zhí)行GB/T21437.3-2012．

PWM信號驅(qū)動MOS管Q3和Q4，使得電感L2和L3按照PWM工作頻率進行充放電，輸出的電壓也就包含了PWM的諧波，如果PWM的頻率落入到車廠 EMC測試的頻率掃描區(qū)，那就要在電路中增加濾波電路，以滿足車廠的 EMC要求，這樣就提高了電路的復(fù)雜度，也提高了模塊成本．因此，PWM工作頻率最好可以避開車廠的EMC檢測頻率范圍．PWM 的工作頻率越高，電感的體積就越小，成本越低；PWM 的工作頻率越低，電感的體積就越大，成本越高．車廠 EMC檢測頻率一般從150KHZ開始，因此，我們選擇140KHZ的PWM工作頻率，既能使電感設(shè)計到最小，又能避開車廠的EMC檢測頻率，簡化模塊設(shè)計，降低成本．

3.3 MOS管Q1和Q2

常規(guī)BOOST電路采用二極管，以防止負載端向電感端回流．如果將輔助電源模塊設(shè)計為200W，那么二極管上0.6-0.8V的壓降就會消耗12.6W的熱量，由于車載電器不能有風扇散熱，只能依靠金屬外殼散熱，就需加大二極管金屬外殼體積來向外散發(fā)其熱量，這樣導致模塊體積變大，成本提高．因此，我們在這里用MOS管來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二極管，MOS管內(nèi)阻可以做的很小，達到毫歐級[5]，這樣就極大減少了整機熱量，使得整個模塊體積小，成本低．

3.4 保護電路

車載電器對電器的抗干擾能力、抗惡劣環(huán)境能力以及自身保護能力要求非常高，以適應(yīng)汽車在不同惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定使用．因此，車載電源模塊除了完成基本功能外，還應(yīng)具備過壓保護、過載保護、反極性保護等保護電路，確保 EMC的抗電磁干擾能力．

圖1中的輸入/輸出采樣電路，除了做為PWM 的計算依據(jù)外，還可以做為過壓保護和過載保護的采樣依據(jù)，當CPU檢測到輸入電壓高于設(shè)定值，或輸出電流高于設(shè)定值，電源模塊會進入保護狀態(tài)，停止工作．

圖1中二極管D1是用來反接保護的．當輸入電源正負極反接時，系統(tǒng)停止工作．

圖1中的輸入EMI濾波用來對外界電器的雜波輸入進行濾波，以提高電源模塊的抗外界電磁干擾能力．輸出EMI濾波對BOOST電路產(chǎn)生的諧波進行濾波，防止諧波輸出到汽車電源系統(tǒng)，對其它車載電器造成電磁干擾[6]．

3.5 設(shè)計指標

車載電器應(yīng)嚴格按照各個汽車制造廠的電器標準進行指標控制，一般至少應(yīng)該達到下述指標：

1）工作電壓：6-16V；

2）穩(wěn)壓額定輸出功率：150W-400W（客戶定制）；

3）輸出電壓：12.0V±4%；

4）過載承受能力：大于額定功率200%，時間不低于2S；

5）穩(wěn)壓持續(xù)時間：2-5秒；

6）空載工作電流：≤50mA；

7）靜止電流損耗：≤0.1mA；

8）啟動電壓：≥9V；

9）效率：85%

10）工作溫度：-40-85 ℃；

11）防護等級：IP6K7；

12）存儲溫度：-40-105 ℃．

4 軟件系統(tǒng)流程圖

圖3 輔助電源模塊軟件流程圖

輔助電源模塊的軟件流程圖如 3．首先進行系統(tǒng)初始化，設(shè)置基本初始條件．然后模塊開始持續(xù)檢測輸入電壓，既蓄電池電壓．在汽車正常行駛或熄火時，電池電壓通常大于9V（9-13.5V），這時模塊CPU發(fā)出信號，使繼電器導通（通路A），讓蓄電池電源直接做為模塊的輸出電源，既模塊后面所帶的所有車載電器都使用蓄電池電源．當模塊檢測到蓄電瓶電壓低于9V時，這時有兩種情況，一種是汽車冷車啟動，這時使能信號KL15及KL50信號（車廠可自定義）為低電平，輔助電源模塊認為是汽車正常冷啟動（鑰匙啟動），不參與工作，繼續(xù)使用通路A，輸出蓄電池電壓．另外一種情況是使能信號KL15及KL50為高電平，這時表示這個低電壓的產(chǎn)生是因為汽車啟停系統(tǒng)起作用后的發(fā)動機熱啟動，輔助模塊介入工作，啟動同步交錯BOOST電路，斷開通路A，接通通路B，讓BOOST電路的升壓輸出做為模塊的輸出電源，BOOST電路工作5秒，在這5秒的時間里，BOOST電路采用反饋電路，不斷計算輸出電壓和輸入電壓的差，持續(xù)計算PWM的占空比，來修正MOSFET的通斷時間，以保證輸出電壓是 12.0V±4%，使模塊后面帶的所有車載電器能夠得到穩(wěn)定的12V電壓，從而持續(xù)正常工作．BOOST電路工作 5秒后，汽車發(fā)動機熱啟動完成，這時蓄電池電壓穩(wěn)定在13.5V，模塊停止BOOST電路，切斷通路B，接通通路 A，車載電器繼續(xù)使用蓄電瓶電源．模塊又進入下一個電壓監(jiān)測周期．

這個電源模塊其實就是在啟停系統(tǒng)作用下發(fā)動啟動瞬間，介入電源控制，持續(xù)5秒，使汽車電源維持在12V，等發(fā)動機啟動完成后（4-6秒），該模塊就退出控制，恢復(fù)到汽車電瓶給全車電器供電．

5 結(jié)束語

本文給出了一款汽車啟停系統(tǒng)輔助電源的設(shè)計方案并制作了樣機，如圖4，其后對樣機進行綜合測試，實驗數(shù)據(jù)見表1和表2，測試結(jié)果證明各項性能指標能夠達到設(shè)計要求且功能穩(wěn)定，符合DV（Design Verification）測試指標．受限于試驗條件，目前尚未進行車廠的 PV（Process Verification）試驗，在實際裝車測試時，對環(huán)境及可靠性方面標準要求非常高，需要在實際裝車測試時針對具體問題不斷完善技術(shù)細節(jié)．

圖4 輔助電源模塊樣機

表1 電瓶電壓變化對輸出電壓的影響（恒定負載300W）

表2 負載功率變化對輸出電壓的影響（恒定電瓶輸入電壓12V）