胡毅

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

混合動(dòng)力客車整車控制器電源電路設(shè)計(jì)

胡毅

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

介紹混合動(dòng)力客車整車控制器的功能以及整車控制器工作所處的電氣環(huán)境。設(shè)計(jì)一種能夠滿足ISO7637-2和ISO16750-1標(biāo)準(zhǔn)的低壓電源電路，并進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。

混合動(dòng)力汽車；整車控制器；電源電路；電磁干擾

整車控制器是混合動(dòng)力汽車的核心控制部件，它可以根據(jù)加速踏板位置、擋位、制動(dòng)踏板力等駕駛員的操作意圖和蓄電池的荷電狀態(tài)，計(jì)算出運(yùn)行所需要的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，從而來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)動(dòng)力部件的運(yùn)動(dòng)，保障電動(dòng)汽車的正常行駛。此外，可通過(guò)行車充電和制動(dòng)能量回收等實(shí)現(xiàn)較高的能量效率。因此，整車控制器的設(shè)計(jì)直接影響著汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和其它性能。

1 低壓電源設(shè)計(jì)是整車控制器可靠工作的關(guān)鍵

汽車低壓電源設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的工業(yè)電源設(shè)計(jì)要求苛刻，在抗擾性、可靠性、防振動(dòng)等方面要求更高；而新能源汽車的整車電氣環(huán)境中除了傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、前照燈、刮水、喇叭、繼電器等干擾源外，還多了一些高壓高頻干擾源：高壓動(dòng)力電池、電機(jī)控制器 （變頻器）、DC／DC、DC／AC等。同時(shí)，現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展，使得大量的車載電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于汽車，如車載衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、車載影音娛樂(lè)系統(tǒng)、車身照明系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)、自動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)等。各種各式的車載電子設(shè)備穩(wěn)定工作，相互配合，需要有穩(wěn)定的供電系統(tǒng)。因此，高性能的車載電源設(shè)計(jì)是整車控制器可靠工作的保障。

2 混合動(dòng)力整車控制器的電氣環(huán)境

混合動(dòng)力整車控制器所處的電氣條件包括電池電壓和搭鐵偏移、浪涌電壓、無(wú)線電磁波干擾等方面。

1）電池電壓和搭鐵偏移 針對(duì)24 V商用車系統(tǒng)，電池電壓可能會(huì)低于24 V，甚至最低時(shí)為12 V。充電系統(tǒng)存在故障時(shí)，電池電壓會(huì)超過(guò)36V。因此，整車控制器需要經(jīng)受一個(gè)很寬的電壓范圍。汽車上不同的搭鐵回路接點(diǎn)，各自之間也會(huì)存在一定的電壓差，這是搭鐵線回流引起的，也被稱為搭鐵偏移。整車控制器的輸入／輸出信號(hào)較多時(shí)，由于不同信號(hào)的電線分布在不同的搭鐵點(diǎn)上，因此需要慎重考慮信號(hào)的搭鐵偏移。

2）浪涌電壓 電壓尖峰主要是由于打開(kāi)或關(guān)閉負(fù)載引起的，模塊后的負(fù)載和其他模塊控制都有可能引發(fā)電壓尖峰。除了在同一個(gè)電源線上的負(fù)載，也有可能是別的電源線上的負(fù)載。大電流負(fù)載的導(dǎo)通與斷開(kāi)，會(huì)在電源線上引起電源電壓和搭鐵線的波動(dòng)干擾。

3）無(wú)線電磁波干擾 汽車內(nèi)部有很多噪聲源，如刮水電機(jī)、燃油泵電機(jī)、點(diǎn)火線圈感性負(fù)載、空調(diào)電機(jī)、汽車發(fā)電機(jī)輸出線連接的間歇切斷、車窗電機(jī)等；隨著無(wú)線電子設(shè)備的普及，如手機(jī)、GPS、MP3和其他消費(fèi)類電子設(shè)備等，整車控制器需要經(jīng)受很寬的頻帶干擾。特別需要注意的是，在混合動(dòng)力客車中，除了上述干擾源之外，還有高壓動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)引起的電磁干擾，這些干擾具有輻射能量大、頻率高的特點(diǎn)。

3 整車控制器電源電路設(shè)計(jì)

在進(jìn)行汽車低壓電源設(shè)計(jì)時(shí)，除了盡量對(duì)干擾源進(jìn)行消除外，更重要的是提升低壓電源系統(tǒng)的抗干擾能力。提升低壓電源抗干擾能力的方法有：吸收法——吸收尖峰濾除，消除正向脈沖干擾，采用的電子器件可以有TVS（Transient Voltage Suppressor）管、壓敏電阻等；針對(duì)負(fù)向脈沖，通常采用二極管來(lái)攔截干擾。針對(duì)電源跌落干擾，通常是增加電源端的電容，在滿足性能指標(biāo)和成本的前提下，盡可能選用寬電壓輸入范圍的電源芯片。針對(duì)ISO 7637-2對(duì)汽車電子設(shè)備對(duì)沿電源線上的抗擾度要求，本文給出一種低壓電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

圖1 整車控制器電源電路設(shè)計(jì)

4 電源電路各功能模塊

上述整車控制器低壓電源系統(tǒng)包括防靜電設(shè)計(jì)、防反接保護(hù)電路、防浪涌電路、低壓電壓轉(zhuǎn)換電路4個(gè)部分。各部分工作原理如下。

1）C53和C54是2個(gè)防靜電電容。瓷片電容耐壓普遍較低，加上電源線的特殊需求，需要電容串聯(lián)，防止單個(gè)電容短路時(shí)引起電路短路。

2）防反接電路使用一個(gè)二極管就可以實(shí)現(xiàn)。圖1中D21的二極管持續(xù)電流可達(dá)3A，反向電壓可達(dá)100V。

3）防浪涌保護(hù)電路由一個(gè)功率電阻R114和TVS二極管D29組成，可以有效抵抗汽車拋負(fù)載形成的脈沖干擾。TVS是瞬態(tài)電壓抑制二極管，汽車電子系統(tǒng)中TVS管的選用有很多參數(shù)需要計(jì)算，但實(shí)際應(yīng)用中，12V系統(tǒng)用SM8S24A較多，24V系統(tǒng)用SM8S36A較多。當(dāng)有超過(guò)TVS電壓值的干擾脈沖進(jìn)入電源線路時(shí)，TVS會(huì)被導(dǎo)通，對(duì)流向TVS管后端電路的瞬間電流進(jìn)行分流，進(jìn)而保護(hù)TVS管后端電壓被限制在TVS的箝制電壓。在TVS管前面加另一個(gè)限流電阻，就是充分應(yīng)用電阻瞬間過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，有效保護(hù)TVS管在長(zhǎng)時(shí)間的高電壓時(shí)被擊穿；同時(shí)，此電阻的另一目的是防止模塊上電時(shí)由于去耦電容過(guò)大引起二極管的損壞。

4）低壓電源轉(zhuǎn)換電路根據(jù)實(shí)際電路應(yīng)用完成電源轉(zhuǎn)換，例如10V、5V、3.3V等。本電源系統(tǒng)選用車載級(jí)電源芯片LM2576。它具有7～40V的寬電壓輸入范圍，電源持續(xù)輸出驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到3A，能滿足各種負(fù)載及傳感器的需求。LM2576是一個(gè)DC／DC轉(zhuǎn)換器，電源輸入管腳上設(shè)計(jì)了一大一小2個(gè)電容，除了濾除高頻噪聲，還具有儲(chǔ)能功能。其中C100為高品質(zhì)電解電容，因?yàn)殡娫葱酒琇M2576的最低工作電壓為8 V，整車電壓有可能會(huì)跌落到6V，為保證在整車電源跌落的瞬間芯片仍能提供正常輸出電壓，C100的容值要足夠大，在低壓電源跌落時(shí)能提供足夠電流，方案實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明電容C100的值至少要為110 μF。由于LM2576是開(kāi)關(guān)電源，其后端需要接一個(gè)電感，此案例中LM2576的輸出選的是5V，所以根據(jù)后端負(fù)載電流不同，可以按照?qǐng)D2選擇電感，本文選擇470μH。

圖2 電源芯片輸出端電感選擇表

5 電路測(cè)試

包含上述低壓電源的整車控制器如圖3所示。該整車控制器按ISO 7637-2和ISO 16750-1的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括：疊加交流電壓、反向電壓測(cè)試、過(guò)電壓測(cè)試、供電電壓緩降和緩升試驗(yàn)、電壓瞬斷試驗(yàn)、掉電復(fù)位能力試驗(yàn)、啟動(dòng)時(shí)電壓波動(dòng)試驗(yàn)、短路測(cè)試、耐電壓試驗(yàn)、絕緣阻抗、溫度快速變化沖擊試驗(yàn)、溫度梯度、輻射抗擾度 （BCI法）、靜電放電試驗(yàn)、沿電源線傳導(dǎo)的瞬態(tài)騷擾抗擾度 （脈沖群）。測(cè)試過(guò)程照片如圖4所示。

圖3 整車控制器

圖4 整車控制器電源電路測(cè)試

測(cè)試結(jié)果全部符合ISO 7637-2和ISO 16750-1標(biāo)準(zhǔn)中分級(jí)中的A級(jí)，即：在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的條件下和返回設(shè)定的條件后，模塊所有功能滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

包含以上電源電路的整車控制器在某款國(guó)產(chǎn)混合動(dòng)力客車上應(yīng)用，并且批量生產(chǎn)。該整車控制器單元滿足ISO 7637-2中所有波形的設(shè)計(jì)要求。

［1］ 朱玉龍.汽車電子硬件設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［2］ 李建秋.汽車電子學(xué)教程 （第2版）［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

［3］ Mehrdad Ehsani，等．現(xiàn)代電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車和燃料電池汽車基本原理、理論和設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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.

（編輯 楊 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