智能制造時代智能汽車系統的電源設計要點探究

王天宇

摘要：在我國經濟實力不斷提升的背景下，智能技術逐步被應用到機械制造領域中，而智能汽車就是汽車領域與人工智能結合的全新產物。本文通過具體論述機械技術的應用前景，闡述智能機械制造發展的意義，并根據實際情況提出智能制造時代機械設計技術要點，為促進智能化技術在機械制造領域中的應用提供可參考的資料。

關鍵詞：智能制造;機械設計;技術要點

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0021-02

0? 引言

當前我國的智能化技術呈現出快速發展的趨勢，并被廣泛應用于各個領域中。通過將智能化技術合理的應用到智能汽車系統的電源設計中，常用的電源設計有兩種：第一種是使用開源飛控控制系統的電源，常使用磷酸鐵鋰電池，常用的有1s（3.7伏）、2s（7.4伏）、3s（11.1伏）、4s（14.8伏）等一系列鋰電池。第二種是使用單片機或開發板設計，其整個控制系統的電源一般為7.2V左右，而整個系統的電路具有較大的電流需求，所以電源可盡量選取能夠提供較大工作電流的鎳鎘電池。同時，由于整車各系統對電流和電壓的要求不同，應采用功率較大的裝置來進行電源降壓或者是升壓。這樣由于智能車輛系統的電壓和功率需求不斷變化，在功率設計過程中要考慮的因素將更加復雜。

1? 智能汽車系統的電源設計

1.1 超聲波避障傳感器模塊和紅外線光電傳感模塊

在智能車系統的電源設計中，以飛思卡爾智能車為例，整個內部系統主要由超聲波避障傳感器模塊和紅外傳感器、CCD攝像機和車載電源組成。第一種采用開源飛控控制系統的電源，例如使用APM2.8開源飛控控制系統，飛控面板可以直接提供超聲波避障傳感器模塊和紅外傳感器模塊電源非常方便，可以直接接入相應的接口。第二種使用單片機或開發板設計的超聲波避障傳感器模塊和紅外傳感器模塊電源;通過對智能IC汽車發展的綜合分析，最常用的三種穩定端電壓不僅包括三端固定式集成穩壓器 78×× 正電壓輸出系列以及79×× 負電壓輸出系列兩個系列，而且還包括了LM317及LM337在內的三端可調穩壓形式的集成電路。其中，在前兩個系統的工作時，輸入電壓應比正常輸出電壓高3-5V，使集成電壓調節器能夠在以下范圍內工作：一般兩大系列的兩組穩壓器和集成電路電壓串聯在一起，這將在一定程度上影響性能周期性的測量。這些電路的最小輸入電壓為6.5V，所以工作電流可以保持在1A，更能滿足模塊電路的實際需要。

1.2 控制板、GPS、舵機和后輪電機

本文在研究的過程中以飛思卡爾智能小車為例進行分析，第一種采用開源飛控控制系統的電源，例如使用APM2.8開源飛控控制系統，對于傳感器數量不太多的車輛，舵機控制可以采用電調BEC供電，舵機直接接入第一組橫滾接口。因為電調有5V/1A的輸出，所以可以同時給飛控板供電。特殊情況下，傳感器數量大則需采用分離供電。由于車輛選擇的是后輪驅動，所以電源通過控制板直接給后輪無刷電機供電，同時電調接入控制板相應電調接口，根據負載大小控制電機電流大小從而達到根據指令控制車輛的轉速和扭矩大小的目的。第二種使用單片機或開發板設計的電源;一般來說，在正常情況下，內舵機轉向系統的工作電流應保持在700mA，而電壓值通常為6V。因此，在進行模塊的設計過程中，LM1117ADH主要用于建立一個電壓控制電路，LM1117的三端穩壓輸入電壓從6V降到4V，這樣的電壓數值便會直接影響到系統的功能方向。通過結合上述的情況進行分析，則需要統籌進行舵機的電源電路調整，仔細調整轉向系統電源電路，拆除電壓控制系統，然后將兩個二極管以串聯的形式集成到開關電路中。為了能夠滿足舵機自身的電壓要求，讓工作電流更加的穩定，以此保證舵機能夠正常的運行。因此，為了能夠逐步消除電路內的高頻雜波干擾，并且LM1117為低壓差（LDO）線性穩壓器，輸出電流為0.8A，固定輸出電壓或可調輸出。其可調輸出電壓的范圍為2.5-13.8V。其應用電路中一般都采用鉭電容，且至少需10UF以上，在輸入端必須接上一個輸入電容。此電壓控制電路可以同時給要求不高的控制板和GPS供電。此外，后輪驅動的電機在正常工作時候的電流基本上保持在1.5A上下，而只有在堵轉時的電流才在2A以上，所以電機的驅動和電源電壓則能夠直接連接起來，這樣才能夠保證運轉過程中的電流數值處于正常的狀態下。

1.3 攝像系統、數字傳輸器及CCD圖傳模塊

第一種采用開源飛控控制系統的電源，例如使用APM2.8開源飛控控制系統，APM2.8飛控板上提供有攝像系統、數字傳輸器及CCD圖傳模塊電源專用接口，可以直接把攝像系統、數字傳輸器（由于APM2.8沒有osd模塊及功能，需要外掛一個osd模塊）及CCD圖傳模塊接入各自自相應接口上，注意外置GPS還需要接入一個單獨的外置羅盤接口。

第二種使用單片機或開發板設計的電源;通過將7.2V的原始工作電壓與其他系統的工作電壓進行比較，其CCD圖像傳感模塊的工作電壓應該盡量控制在9～12V之間，再合理采用斬波升壓電路進行電源的升壓處理。其中，因MAX734這種類型的開關穩壓芯片的輸入電壓極限值基本上被維持在4.75V左右，工作效率非常高，所以在設計這個模塊的電路時則需要合理的利用開關升壓電路來達到提升攝像頭的電壓。同時，還需要靈活的應用脈寬調制的斬波升壓電路來更好的實現CCD圖像傳感模塊的工作目標，大幅度提升斬波升壓電路的工作效率。

2? 智能汽車電源控制要點

通過對整個系統電源的需求進行統籌分析，便需要在智能汽車電源控制系統的設計之前進行整體規劃。本文通過以飛思卡爾智能小汽車為例進行深入分析，并且需要開展相應的說明。例如，通過以飛思卡爾智能小車為例進行分析，第一種采用開源飛控控制系統的電源，例如使用APM2.8開源飛控控制系統只需接入主板電源，主板可以提供紅外傳感器模塊、CCD攝像頭、霍爾元件計數模塊、舵機電源模塊、后輪電機驅動模塊等電源模塊，結構簡單，還有地面站和開源設計支持，可以進行二次開發，非常適合初入門學習者使用。第二種使用單片機或開發板設計的電源;該小車主要是以16位微控制器中的MC9S12DGI28B作為核心，所以通過全程控制小車的情況，并靈活的應用反射式紅外光電對管TCR T5000、CCD傳感器、霍爾元件來進行數據采集，再將這些數據直接移送到單片機內進行處理。同時，通過靈活的采用微控制器所發出的指令來對小車的運動進行控制。其中，在整個系統的運行過程中，主要涉及到紅外傳感器模塊、CCD攝像頭、霍爾元件計數模塊、舵機電源模塊、后輪電機驅動模塊、單片機系統電源模塊等幾個重要的模塊。

2.1 蓄電池的監控與保護

合理估計電池電量是電池管理的重要依據，電池管理可以靈活地調節電池傳感器，采集電池電壓和電流數據。然后，通過全面分析電池的使用情況，便可以合理的進行蓄電池的電量估計，通過結合當前應用頻率較高的算法，在共享電池電源的情況下，應用頻率較高，電池分區保護可能激活已實施。這樣電量則能夠在不同的區間內使用不同的充放電策略。通常蓄電池的分區則主要涉及到回收、循環、保留和虧電幾種?？傮w而言，電源在恢復區，電池能夠放電，所以可以創造足夠的空間來回收制動能量;當電源在循環區域內時，整個電池便處于能夠充電和放電循環的狀態。這樣換句話來分析，什么時候在充電過程中，蓄電池達到循環的負載上限，蓄電池處于放電狀態，反之亦然，電池處于充電狀態，以確保電池功率始終能控制在循環區域內。

2.2 發電機的控制

發電機是智能汽車能源系統的重要能源，也是整車智能動力系統產生電能消耗的直接途徑，關鍵燃料穩定能量流是控制系統的關鍵電源。由于工作模式和輸出電壓恒定，傳統的汽車發電機經常對蓄電池和負載來調節固定的工作方式和輸出電壓情況，這在一定程度上增加了配電能量的分配程度。一般來說，智能車輛發電機的控制主要包括識別蓄電池的分區和車輛的運動狀態，然后靈活利用磁場電流進行動態工況控制電池，并且能夠綜合采用磁電流的形式來動態調節發電機的工作模式?？傮w而言，智能汽車的主要運動狀態是由啟動、怠速/勻速、加速、停轉和制動幾個環節組合而成，所以可根據以下發電機控制策略來快速回收制動蓄電池隔板的能量。同時，當電量在充滿的情況下，便可以充分利用高速充電，使制動能量恢復到制動狀態下的充電狀態。這時，再轉換可充電模式，充分利用浮夸的模式來降低能耗;二是在加速的狀態下，當電量允許的情況下便可以將發電機關閉，再通過利用蓄電池的功能來有效降低能耗;三是當汽車處于正常行駛的狀態下，在循環區域內發電，可合理調整能源生產方式，并預留相應的制動能量回收區域，盡量保留足夠的有效靜電能。

2.3 突發模式超低電流管理

縱觀整個發動機系統的運轉過程，無論是娛樂系統還是防盜系統，都主要取決于電源的供電。為了能夠讓娛樂系統和防盜系統能夠在正常的工作狀態下應用突發性模式，而在采用突發模式系統時可具體涉及到下列幾個方面的內容：一是當整個智能汽車電源系統在運行過程中處于待機的狀態下，則必須要保證車輛系統的電流不被阻塞;二是通過消除車輛系統中的電流阻塞情況，才能夠保證整個汽車系統在應用的過程中能夠始終處于靜態電流的狀態下;三是電流的數值應該盡量低于100μA。大功率控制器可安裝在電源中，智能汽車的電氣化能夠有效地提高能耗。

2.4 高低電壓電路的集成

通常結合電壓、系統電流、電源等不同的要求設計智能汽車，部分集成系統直接連接蓄電池。此外，當信號處理工作的性能不斷升級的情況下，工作電壓低，信號處理的效率和耐久性也必須不斷提高。因此，在車載電源管理中，對信號處理的要求也越來越高。同時，當應用的制造工藝屬于亞微米級的時候，當工作電壓處于低壓的狀態下，便需要讓高低壓與供電系統緊密結合起來。這樣通過靈活的應用兩項工藝優勢，便能夠在滿足各類型元件在電壓上的差異需求，集成電源管理系統和控制處理器的控制和診斷則很容易發生功能缺失的情況。

總之，隨著智能制造時代不斷發展，智能機械制造設計技術的應用價值逐步凸顯出來。通過合理的應用智能制造時代下的智能汽車系統的電源設計技術，不但能夠提升智能汽車系統的電源使用效率，而且還能夠保證智能汽車系統正常運行。同時，通過全面做好智能分類、網絡技術應用和制造設計思維創新工作，便能夠大幅度提升機械制造的智能化程度，逐步推動我國的機械制造業朝著可持續性的方向發展。

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