混合动力客车整车控制器电源电路设计

胡毅

（同济大学，上海 201804）

混合动力客车整车控制器电源电路设计

胡毅

（同济大学，上海 201804）

介绍混合动力客车整车控制器的功能以及整车控制器工作所处的电气环境。设计一种能够满足ISO7637-2和ISO16750-1标准的低压电源电路，并进行了相关测试。

混合动力汽车；整车控制器；电源电路；电磁干扰

整车控制器是混合动力汽车的核心控制部件，它可以根据加速踏板位置、挡位、制动踏板力等驾驶员的操作意图和蓄电池的荷电状态，计算出运行所需要的发动机输出功率、电动机和发电机转矩等参数，从而来协调各个动力部件的运动，保障电动汽车的正常行驶。此外，可通过行车充电和制动能量回收等实现较高的能量效率。因此，整车控制器的设计直接影响着汽车的动力性、经济性、可靠性和其它性能。

1 低压电源设计是整车控制器可靠工作的关键

汽车低压电源设计比传统的工业电源设计要求苛刻，在抗扰性、可靠性、防振动等方面要求更高；而新能源汽车的整车电气环境中除了传统汽车发动机、前照灯、刮水、喇叭、继电器等干扰源外，还多了一些高压高频干扰源：高压动力电池、电机控制器 （变频器）、DC／DC、DC／AC等。同时，现代汽车工业的发展，使得大量的车载电子设备广泛应用于汽车，如车载卫星导航系统、车载影音娱乐系统、车身照明系统、防盗系统、自动空调系统等。各种各式的车载电子设备稳定工作，相互配合，需要有稳定的供电系统。因此，高性能的车载电源设计是整车控制器可靠工作的保障。

2 混合动力整车控制器的电气环境

混合动力整车控制器所处的电气条件包括电池电压和搭铁偏移、浪涌电压、无线电磁波干扰等方面。

1）电池电压和搭铁偏移 针对24 V商用车系统，电池电压可能会低于24 V，甚至最低时为12 V。充电系统存在故障时，电池电压会超过36V。因此，整车控制器需要经受一个很宽的电压范围。汽车上不同的搭铁回路接点，各自之间也会存在一定的电压差，这是搭铁线回流引起的，也被称为搭铁偏移。整车控制器的输入／输出信号较多时，由于不同信号的电线分布在不同的搭铁点上，因此需要慎重考虑信号的搭铁偏移。

2）浪涌电压 电压尖峰主要是由于打开或关闭负载引起的，模块后的负载和其他模块控制都有可能引发电压尖峰。除了在同一个电源线上的负载，也有可能是别的电源线上的负载。大电流负载的导通与断开，会在电源线上引起电源电压和搭铁线的波动干扰。

3）无线电磁波干扰 汽车内部有很多噪声源，如刮水电机、燃油泵电机、点火线圈感性负载、空调电机、汽车发电机输出线连接的间歇切断、车窗电机等；随着无线电子设备的普及，如手机、GPS、MP3和其他消费类电子设备等，整车控制器需要经受很宽的频带干扰。特别需要注意的是，在混合动力客车中，除了上述干扰源之外，还有高压动力电池、驱动电机引起的电磁干扰，这些干扰具有辐射能量大、频率高的特点。

3 整车控制器电源电路设计

在进行汽车低压电源设计时，除了尽量对干扰源进行消除外，更重要的是提升低压电源系统的抗干扰能力。提升低压电源抗干扰能力的方法有：吸收法——吸收尖峰滤除，消除正向脉冲干扰，采用的电子器件可以有TVS（Transient Voltage Suppressor）管、压敏电阻等；针对负向脉冲，通常采用二极管来拦截干扰。针对电源跌落干扰，通常是增加电源端的电容，在满足性能指标和成本的前提下，尽可能选用宽电压输入范围的电源芯片。针对ISO 7637-2对汽车电子设备对沿电源线上的抗扰度要求，本文给出一种低压电源系统设计方案，如图1所示。

图1 整车控制器电源电路设计

4 电源电路各功能模块

上述整车控制器低压电源系统包括防静电设计、防反接保护电路、防浪涌电路、低压电压转换电路4个部分。各部分工作原理如下。

1）C53和C54是2个防静电电容。瓷片电容耐压普遍较低，加上电源线的特殊需求，需要电容串联，防止单个电容短路时引起电路短路。

2）防反接电路使用一个二极管就可以实现。图1中D21的二极管持续电流可达3A，反向电压可达100V。

3）防浪涌保护电路由一个功率电阻R114和TVS二极管D29组成，可以有效抵抗汽车抛负载形成的脉冲干扰。TVS是瞬态电压抑制二极管，汽车电子系统中TVS管的选用有很多参数需要计算，但实际应用中，12V系统用SM8S24A较多，24V系统用SM8S36A较多。当有超过TVS电压值的干扰脉冲进入电源线路时，TVS会被导通，对流向TVS管后端电路的瞬间电流进行分流，进而保护TVS管后端电压被限制在TVS的箝制电压。在TVS管前面加另一个限流电阻，就是充分应用电阻瞬间过载能力强的特点，有效保护TVS管在长时间的高电压时被击穿；同时，此电阻的另一目的是防止模块上电时由于去耦电容过大引起二极管的损坏。

4）低压电源转换电路根据实际电路应用完成电源转换，例如10V、5V、3.3V等。本电源系统选用车载级电源芯片LM2576。它具有7～40V的宽电压输入范围，电源持续输出驱动电流达到3A，能满足各种负载及传感器的需求。LM2576是一个DC／DC转换器，电源输入管脚上设计了一大一小2个电容，除了滤除高频噪声，还具有储能功能。其中C100为高品质电解电容，因为电源芯片LM2576的最低工作电压为8 V，整车电压有可能会跌落到6V，为保证在整车电源跌落的瞬间芯片仍能提供正常输出电压，C100的容值要足够大，在低压电源跌落时能提供足够电流，方案实际测试结果表明电容C100的值至少要为110 μF。由于LM2576是开关电源，其后端需要接一个电感，此案例中LM2576的输出选的是5V，所以根据后端负载电流不同，可以按照图2选择电感，本文选择470μH。

图2 电源芯片输出端电感选择表

5 电路测试

包含上述低压电源的整车控制器如图3所示。该整车控制器按ISO 7637-2和ISO 16750-1的标准进行了测试，测试内容包括：叠加交流电压、反向电压测试、过电压测试、供电电压缓降和缓升试验、电压瞬断试验、掉电复位能力试验、启动时电压波动试验、短路测试、耐电压试验、绝缘阻抗、温度快速变化冲击试验、温度梯度、辐射抗扰度 （BCI法）、静电放电试验、沿电源线传导的瞬态骚扰抗扰度 （脉冲群）。测试过程照片如图4所示。

图3 整车控制器

图4 整车控制器电源电路测试

测试结果全部符合ISO 7637-2和ISO 16750-1标准中分级中的A级，即：在标准设定的条件下和返回设定的条件后，模块所有功能满足设计要求。

6 结束语

包含以上电源电路的整车控制器在某款国产混合动力客车上应用，并且批量生产。该整车控制器单元满足ISO 7637-2中所有波形的设计要求。

［1］ 朱玉龙.汽车电子硬件设计［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

［2］ 李建秋.汽车电子学教程 （第2版）［M］.北京：清华大学出版社，2011.

［3］ Mehrdad Ehsani，等．现代电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车基本原理、理论和设计［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］ Powers W.F.，Nicastri P.R．Automotive vehicle control challenges in the 21st century［J］.Control Engineering Practice，2000（8）：605-618.

（编辑 杨 景）

Design of Power Supply Circuit on Hybrid Power Bus Vehicle Control Unit

HU Yi
（Tongji University，Shanghai 201804，China）

This paper introduces function of the vehicle control unit of the hybrid electric bus，as well as its electronic environment.A design of low voltage power supply circuit， which could meet the ISO7637-2 and ISO16750-1 standards，is illustrated and tested.

hybrid power vehicle；vehicle control unit；power supply circuit；electromagnetic interference

U469.72

A

1003－8639（2016）10－0001－03

2016-06-23