探究智能汽车系统的电源设计

刘文

摘 要：在人工智能技术不断发展的影响下，汽车领域与人工智能结合的全新产物之一就是智能汽车，对于其内部的智能控制系统而言，电源一直都是核心组成部分，一个电源质量判定的标准就是能否给予智能控制系统一个稳定的工作电压及电流。但是较之传统的汽车控制系统，智能汽车系统对电源具有特殊的要求。为此，在设计智能汽车系统电源的过程中，就需要在这些特殊要求之下做出合理设计，本文围绕智能汽车系统的电源设计展开了相关的讨论。

关键词：智能汽车 控制系统 电源设计

对于智能汽车而言，其控制系统电源通常情况下都在7.2V左右，并且整个系统的电路有着较大的电流需求，由此出发，其电源基本选用的都是可以提供较大工作电流的镍镉电池。与此同时，智能汽车内部的各个工作系统在电压及电流的需求量上有着较大的差异，电源或降压或升压，有的工作系统则是需要使用较大功率的器件。正是因为智能汽车系统在电压电流需求上的差异，在其电源设计工作中需要考虑的因素才会变得越发复杂。

1 智能汽车系统的电源设计

1.1 红外线光电传感模块

以飞思卡尔智能小车作为例子，其内部的整个系统主要是由红外线传感、CCD摄像头、舵机电源等诸多模块共同组成的。就目前的智能汽车的集成电路发展看来，最为常用的三端稳压形式的集成电路主要包括78××以及79××两大系列，除此之外，还有包括的LM317及LM337在内的三端可调稳压形式的集成电路。前者两大系统中，在正常情况下，只有在输入电压高出输出电压3到5V的情况下，才可以保障集成稳压器的工作在线性区，这两大系列的稳压形式集成电路其内部为串联形式，导致其工作效率相对不高，并且从节能降耗的角度来看，需要尽最大可能的选择开关稳压性的稳压形式集成电路。

在设计红外线光电传感模块的过程中，可以选用TCRT5000反射性光电传感器，这一类型的传感器，单一的工作电流数值可以维持在15毫安左右，从其电源电压、电流等需求出发，可以使用12个同一类型传感器，其电流总数值就维持在180毫安上下，并且在这一电流数值之下，可以做到和其中的霍尔元件、CCD摄像头视频同步分离电流共同使用同一个稳压电源。由此出发，在设计电路的时候，这一部分的电路可以使用具备大电流及高效率的LM2575稳压性质集成电路，这一类电路的输入电压最低值为6.5V，工作电流可以维持在1，从理论角度上来看，完全可以满足该模块电路的具体需求。

1.2 舵机和后轮电机

对于飞思卡尔智能小车来说，其内舵机的工作电流正常数值维持在700毫安上下，电压数值为6V。在设计的这一模块的过程中，之前由LM1117-ADJ组成的调压形式稳压电路，在正式工作的时候，会将LM1117三端稳压输入电压从6V降低到4V，这一电压数值直接影响到了舵机正常工作。在这种情况下，就需要针对舵机的电源电路做出相应的调整，去除其中的调压电路，并将两个大功率的硅二极管串联在电路中即可，硅二极管自身的额定压降数值为0.7V，在两个硅二极管串联到电路的情况下，两端的压降就可以达到1.4V，在电流流经硅二极管的情形下，输出端的电压就达到了6V，在满足舵机本身工作电压的同时也可以提供稳定工作电流，为舵机的正常稳定工作提供了保障。除此之外，为了将电路中存在的高频杂波干扰有效消除，还可以在电源端上将一个0.1μF的电容安装其上。

除此之外，后轮驱动电机的正常工作电流维持在1.5A上下，在堵转的时候可以达到2A之上，并且这一电机可以在7.2V的电压下工作，基于此，可以将电机的驱动和电源电压做出直接的连接，以便为其正常运转提供一个较大的工作电流数值。

1.3 CCD图像传感模块

较之其他系统的7.2V原始工作电压，CCD图像传感模块的工作电压需要维持在9到12V之间，在这种情形下，就是使用一个斩波升压电路做出电源的升压处理。因为MAX734类型的开关稳压芯片的输入电压极限值可以维持在4.75V左右，且具备较高的工作效率，为此，在该模块的电路设计环节中，就可以通过使用该类型的开关升压电路，来实现提升摄像头工作到12V的目标。

除此之外，还可以使用的脉宽调制的斩波升压电路来实现CCD图像传感模块工作电压提升的目标，这一类型的斩波升压电路，在工作效率上有着一定的提升，同时场效应管自身带有的输出电阻数值较低，使其驱动负载能力得到了较大的进步。

3 智能汽车电源控制分析

3.1 蓄电池的监控与保护

在电池管理的过程中，其基础就是电量的合理估计，可以通过蓄电池传感器的设置，通过收集电池的电压、电流等数据，在结合上汽车的使用情况做出蓄电池的电量合理估计。根据目前使用较高的算法来看，就是在得到蓄电池自身的电量分区之后，开展蓄电池的分区保护工作，换言之就是在电量处于不同区间的时候的使用不同的充放电策略。目前，对于蓄电池的分区可以划分为回收、循环、保留及亏电分区，当电量处于回收区的时候，蓄电池就处于放电状态，借此来为回收制动能量预留出相应的空间。而在电量处于循环区的情况下，电池本身就处于一个充电及放电循环的状态下。换言之，充电达到循环电量数值上限的时候切换为放电状态，反之就切换为充电状态，借此来保障蓄电池自身的电量得以始终保持在循环区内。当电量数值进入保留区的时候，就会在发动机正常运行的情况下进行充电，当发电机关闭的情况下，就会进入I级的放电保护状态，就会将娱乐及舒适性的负载全部关闭。在蓄电池电量进入亏电区的时候，在发动机运行的时候进行快速充电，而在发动机关闭的时候则会进入II级放电保护状态，就是将一切的非必要性质的负载全部关闭。

3.2 发电机的控制

汽车电源系统的能量来源之一就是发电机，同时这也是汽车电气系统的产生油耗的直接来源，基于此，整个系统的能量稳定流动的关键就在于电源系统的控制。传统的汽车发电机因其自身有着固定的工作方式及输出电压，在电池及负载情况的调节上较为被动，导致能量的优化分配存在着较大的难度。而智能汽车的发电机控制是在识别蓄电池的分区及车辆运动状态的前提下，借助励磁电流实现发电机工作模式的動态调节的目标。

汽车的运动状态基本可以分为启动、怠速/匀速、加速、停转、制动等几类，并且在结合上面的蓄电池分区，就可以得出如下的几种发电机控制策略：第一，制动状态下借助快充将制动能量回收，在电量已经充满的情况下，就可以转变为浮充模式来降低整个的能耗。第二，在加速状态下，如若电量条件允许，发电机可关闭，通过使用蓄电池降低能耗。第三，汽车在正常行驶的状态下，通过调节发电机模式保障电量可以始终处于循环区，在保留相应制动能量回收空间的同时预留出静态下的充足使用电量。

4 汽车电源管理的常用技术分析

4.1 突发模式超低电流管理

在整个的汽车系统中，娱乐及防盗系统也十分依赖于电源供给，并且这两个系统的工作模式都属于突发模式。通常来说，突发模式下的系统都遵循了如下几个原则：第一，突发模式下运行的工作模式只可以在汽车电源系统处于待机情形的时候才可以正常运行。第二，系统内的电流除了畅通之外，还需要维持在静态电流状态下。第三，其电流数值不可超过100μA。由于智能汽车电源内部需要一些大功率的控制器，使得能耗出现了一定程度的提升。而新进出现的低功率MOSFET在通态下的能耗相对较低，为此，成为了智能汽车电源系统的效率提升的关键所在。

4.2 高低电压电路的集成

智能汽车内部诸如汽车音频、充电插口等相关的电路是依赖于较高电压进行工作的。但其中的信号处理芯片内核心技术的运行是依靠低电压的，在这种情形下，智能汽车的电源设计及管理中就需要使用到高低电压电路集成技术。当前的智能汽车电源设计出于各系统工作电压及电流的需求，部分集成电路是直接和蓄电池进行连接的。除此之外，信号处理工作的性能及强度也需要做出不断的升级，又因其使用的制造工艺是亚微米级的，再加之其工作电压是低压，为此，汽车电源的管理工作中，就需要在电源系统中，有效的将高电压及低电压的元件进行集成。当前在这方面取得的成果就是将DMOS及COMS二者做出了有机结合，很好的解决了因为高低压之间矛盾引发的电路短路安全隐患。在同时使用两项工艺优势的前提下，全面满足了各类型元件在电压上的差异需求，并且也可在电源管理控制芯片中集成电路的保护、控制及故障诊断功能。

5 总结

受到人工智能技术的纵深发展的影响，汽车领域内的智能汽车得以诞生及发展，对于内部控制系统的稳定运行来说，电源提供的电压及电流需要在满足各部分系统工作需求的同时维持稳定，基于此，本文基于智能汽车电源设计中的红外线光电传感模块、舵机和后轮电机以及CCD图像传感模块设计做出了相应的分析，并针对其电源控制中的监控保护蓄电池及控制发电机两个方面做出了阐述，并在最后针对使用频率较高的包括突发模式超低电流管理以及高低电压电路的集成在内的管理技术做出了分析，以期为今后的智能汽车电源设计提供一些参考。

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