电源系统在车载中的运用和设计研究

赵 刚，王中洋，秦益鹏

（65370部队，吉林 长春 130103）

0 引 言

汽车行业快速发展中，高效节能的车载终端系统直接决定汽车的整体性能水平。车载终端系统以电源系统为运行基础，通过优化设计电源系统节约电能，提高车载终端的高效性和节能性。在汽车设计与制造中，要加强车载电源系统的设计和运用，优化车载终端体系，保证电源系统的使用性能，为多功能车载终端提供稳定的供电电源，提高汽车供电使用的整体效能。因此，本文将重点探究电源系统在车载中的运用和设计[1]。

1 车载电源系统的设计要求

在车载电源系统设计中，要求电源输入必须具备检测功能和分配功能，为车载用电设备提供稳定的供电电能，使得车载设备可以稳定高效运行。设计方案中，实时监控综合电源具备自动报警功能和自动保护功能，可以达到用电安全的效果，通过各种输入方式的切换实现持续性直流输出。此外，历史查询模块可以查看历史故障相关信息[2]。车载电源系统设计目标是实现车辆供电系统智能化控制，准确控制输入源、电源电压转换、蓄电池充放电以及上位机通信等各个子系统，且需实现以下功能。

（1）车辆电源各个线路的交流电和直流电的输出电压必须要稳定且安全，各路电源输出需具备符合设计要求的负载能力，保证车载终端设备正常稳定运行。

（2）识别和判断各个电源输入接口，设定供电逻辑，根据车辆行驶要求和使用需求自动控制优先供电。上电逻辑设计中，要求具备电源输入自动切换功能，一旦市电、油机以及硅发等输入口出现故障，系统可自动切断故障点，由蓄电池对输入口供电，保证不间断的直流供电。根据使用情况自动识别需要优先供电的输入口，优化供电选择。驾驶人员可自行选择蓄电池供电以外的供电方式，提高控制效果。

（3）设置移动智能终端接入口，以网口通信的方式连接车载综合电源和移动端，借助上位机GUI和箱体显示面板，实时监控各个电源输入端和输出端的接入情况，显示电源输入/出的异常情况，提示驾驶人员检查和处理。

（4）必须及时识别车载电源系统交、直流电的输出情况，保证稳定输出，及时诊断出欠压和过流等故障，做好保护处理，及时在GUI和箱体显示板中提示。

（5）充电控制交流输入、直流输出以及24 V电池组等系统，使系统具备电池荷电状态的监测功能和电池保护功能。

2 车载电源系统的控制设计方案

图1 某车载电源系统设计框架

通过分析车载电源，合理规划控制板，尽量用最低的成本消耗得到最大的供电效果。以下面以实例为参考，介绍如何实现车载电源控制的设计[3]。车载电源系统可以实现电源功率切换和控制管理功能，某车载电源系统设计框架如图1所示。

2.1 上位机

上位机GUI设计中，借助TCP/IP协议实现上位机和电源箱控制板的通信，可以实时监控车载系统中用电模块运行的电压和电流，及时判断异常电流值和电压值作以警报提示处理。上位机中具备历史数据查询功能，上位机GUI可以借助控制板控制配电箱中用电模块供电，实现用电模块的通电或断电处理。系统运行中，控制面板可将数据及时传输到上位机，由上位机GUI显示出来，而上位机也可以控制控制板。上位机界面设计中，以QT框架为主，实现上位机GUI的设计开发，提高界面设计的完整性和友好性，语言简单[4]。在通信方面，设置端口号和IP地址，用户首次登录必须注册账号，后期登录注册账号即可。

某上位机GUI显示界面如图2所示。仔细观察可发现，通过地址和端口号实现了上位机与控制板的通信连接，设置输入选择、电池状态提示以及系统状态提示等模块。其中，输入选择模块与电池状态提示模块不具备控制控制板的功能，只显示各个用电模块的运行状态。系统状态提示可对用电模块进行开关控制和状态监控，不同的颜色显示具有不同的含义：黑色为不可操作；深绿色为可操作未启动；亮绿色为工作状态；红色为异常报警状态。在主界面中显示各个用电设备的电压值、电流值以及系统状态。

图2 某上位机GUI显示界面

2.2 电源箱

某电源箱控制面板示意图如图3所示，通过观察可发现，控制面板中囊括了电池电量信息、5路输入电源开关和相关提示灯、4路输出电源开关和相关提示灯、充电维护灯以及警报灯等，该电源箱控制面板中的控制操作优先于上位机软件界面，二者相辅相成，实现电源供电控制[5]。电源箱具备功率变换功能，选择STM32F407芯片控制器可以检测各路电源输入，根据预设的上电逻辑分配电源，实现车载系统的供电。车载电源系统设计框架共5路电源输入（见图1）。油机2属于空调专用供电，油机2正常工作时，交流稳压模块会为油机2口供电；油机2无法正常运作时，由蓄电池进行转换供电。油机1和市电提供电能时，流经隔离降压模块，将输入电源转化为直流48 V电压，为用电设备提供电能，检查蓄电池充电管理能力，利用隔离降压模块的处理和转换实现蓄电池充电。硅发（DC 28 V）和蓄电池（DC 24 V）提供电能时，要通过升压模块将DC 24 V和DC 28 V转化为DC 48 V，然后为用电设备提供电能。

图3 某电源箱控制面板示意图

2.3 配电箱

配电箱中应含有多个DC-AC模块和DC-DC模块，可以实时监控各个用电设备的电能使用情况。其中，DC-DC模块运行中，由上位机下达供能命令传输到控制板，控制板自动变换IO口中的电平，且利用ADC功能采集电压和电流。一旦发生异常信号或故障问题，DC-DC模块会自动关闭，将异常信息上传到上位机和电源箱控制面板中，发生提示和警报。此外，DC-DC模块可以把母线电压DC 48 V转化为DC 28 V、DC 24 V，实现直流负载供电，利用使能管脚控制通电和断电，并及时把输出电压、电流以及相关报警信息传输到控制模块中，排查和治理用电隐患。DC-AC模块主要负责将母线电压DC 48 V转换为AC 220 V，供给空调用电需求，实现交流备份，将工作状态和运行信息传输给上位机控制面板，由上位机向控制板发出指令。控制板可借助光耦隔离模块实现对DC-AC模块的控制[6]。

2.4 控制板

控制板主要执行上位机发出的指令，协调各个用电模块，将用电模块的运行情况反馈给上位机形成闭环控制系统。可见，控制板是上位机GUI控制系统和各个用电模块间的通信介质。控制板设计包含20个DC-DC电源模块、20个IO使能线、1个交流稳压模块、1个485接口、1个隔离降压模块、1个逆变器模块、1个升压模块、1个充电模块、1个升压模块，1个共用CAN接口以及5个继电器。此外，点面板配置13个LED，电池指示配置5个LED和18个IO使能线。在实际应用中，控制板可显示不可操作状态、关闭状态以及打开状态；电源箱前面板和上位机都具备用电设备的供电控制，但电源箱前面板优于上位机。系统中具有市电、油机1、油机2、硅发以及蓄电池5个输入源。上位机界面可以显示出实际接入的输入源，默认5个输入源不可用后，界面选择为灰色，输入源接通后显示深绿色。

3 车载电源系统的实际应用研究

3.1 所要改进车载电源系统的不足

例如，某种车用电功率为3 kW，供电方式为12 V低压供电。在升级发展中，这种车用电功率达到10 kW，仍以12 V低压供电，车用硅整流交流发电机效率仅为60%左右，怠速输出仅为满负荷输出的1/4，整体发电性能较低，寿命短，电源系统故障率较高。车载电源改进升级中仍然延续传统的“蓄电池+励磁发电机+调节器”结构，尽管使用中有一些缺陷，但技术已经成熟，可满足改进车载设备的使用要求。对不足之处的改进措施如下：（1）将有电刷励磁电路更换成无电刷励磁电路，节省电刷和电刷环，防止碳刷和电刷接触不良；（2）将六管整流电路改成九管整流电路、八管整流电路或十一管整流电路，有效增加输出功率；（3）用集成电路调节器替换机械触点式调节器。这些措施提高了输出功率，但无法解决低速发电性能低的问题。

3.2 车载电源系统的功能应用与分析

（1）所引用设计方案的车载电源系统中，电源箱设置升压模块和降压模块。根据各个用电模块的使用需求，通过升压/降压模块的转换和处理自动改变功率，具备自动变换功率的功能，能够解决传统车载电源系统使用中的问题和不足。

（2）所引用设计方案的车载电源系统中设置多路输入源，通过DC/DC模块转换适配电压，为车载用电设备供电。但是，在DC/DC变换器应用中会存在以下两个问题。一是次谐波振荡。峰值电流控制中，通过对比实际电感电流和电压外环输出电流确定PWM波输出值，当占空比超过0.5时，变压器原边电流的扰动量会持续增加形成振荡，且振荡频率达到开关频率的1/2即为次谐波振荡，需要使用斜坡补偿技术进行抑制。二是软件开关范围受限。DC/DC变换器依靠谐振实现开关控制，开关两端电压值的控制变化并非瞬间实现，变化过程是从Vds到Vin再到0，若开关信号间死区时间Td较短，在Vds尚未下降到0就启动开关，将造成开关管失去软开关功能，限制软开关范围。

3.3 DC-DC变换器改进措施

3.3.1 斜坡补偿技术

针对DC-DC变换器次谐波振荡问题，采用斜坡补偿技术抑制次谐波振荡，即在电流环控制量中剔除斜率是m的斜坡信号，通过斜坡补偿使变压器原边电流扰动变化恢复正常。发生电流扰动中的变化量计算公式为：

其中：

系统稳定条件为：

在0≤m≤m2时，抑制次谐波振荡；在m=2m2时，可以实现完全抑制。

3.3.2 自动死区控制技术

自动死区控制流程如图4所示，I0越大，Td越小，也就是输出电流越大，同桥臂驱动信号间的死区时间越少，可以通过调节输出电流调整死区时间Td，扩宽软开关范围。设计自动死区控制操作流程，连接输出电流采样和ADC通道，采集寄存器数值得到当前负载情况，把超前桥臂死区时间计数值和滞后桥臂死区时间计数值传输到ePWM1和ePWM2模块中。死区发生器中的DBRED寄存器和DBFED寄存器接收数据信号，自动化调节超前桥臂和滞后桥臂死区时间。

图4 自动死区控制流程示意图

4 结 论

综上所述，设计车载电源系统首先需明确车载电源系统中的稳定供电、逻辑供电、移动端接入以及用电监测等设计要求，优化上位机设计、电源箱设计、配电箱设计以及控制板设计，实现车载电源系统的控制，其次分析所要改进车载电源系统的弊端，显示设计系统的应用效益，最后针对DC-DC变换器电流峰值控制问题，引入斜坡补偿技术和自动死区控制技术，从而保证电源系统的高效稳定运行。