基于電氣負載特性測試的電源分配設計

李東浩，束照坤

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，汽車智能網(wǎng)聯(lián)技術安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230000）

前言

隨著科技的發(fā)展，汽車比以前任何時候裝備了更多的用電設備。在車輛的使用壽命期間，這些系統(tǒng)的正常運行，受到的眾多潛在干擾的影響。比如電動機的啟動電流、堵轉(zhuǎn)電流、點火線圈的高壓等過電流、瞬態(tài)高壓等干擾會通過過載、靜電放電、噪聲等疊加方式去影響線束及電路保護器件的壽命及功能，進而影響車輛的正常使用和行車安全。然而面對這些問題時，電氣系統(tǒng)設計者很難考慮周全。

本文介紹了對汽車上常見用電器的負載特性的研究，進而分析在整車電子電氣架構(gòu)設計、電源分配設計、保險絲選擇設計、線束設計等方面盡量減小由于不了解各用電器的特性而帶來的電氣故障，為各個用電器提供一個良好的電氣環(huán)境，提高整車電氣系統(tǒng)的可靠性。

1 整車用電器特性研究

我們對某款車型上的用電器進行了全面的電氣負載特性測試，下面以該車型采集到的雨刮系統(tǒng)系統(tǒng)相關回路試驗數(shù)據(jù)為例，說明整車用電器的種類和對整車用電環(huán)境的影響。

我們進行的試驗項目包括：

單負載測試：測量單個負載在動態(tài)和穩(wěn)態(tài)（包括電機堵轉(zhuǎn)狀態(tài)）下電壓和電流特性。

全負載測試：使用一個特殊的電路保護裝置測量所有的負載（被特殊電路保護裝置保護）在動態(tài)（從“OFF”到“ON”）和穩(wěn)態(tài)（包括電機堵轉(zhuǎn)狀態(tài)）下的電壓和電流特性。電壓和電流數(shù)據(jù)通過這個電路保護裝置進行存檔，測試是將一個設定為 14.5V（±0.2V）的穩(wěn)壓電源跟蓄電池并聯(lián)，所有的負載被觸發(fā)一段時間以確保數(shù)據(jù)的記錄。雨刮電機單負載測試如圖1所示，雨刮洗滌系統(tǒng)全負載測試如圖2所示。

圖1 雨刮電機單負載測試

圖2 雨刮洗滌系統(tǒng)全負載測試

通過測試，我們采集到的有代表性的數(shù)據(jù)如下：

圖3 雨刮洗滌系統(tǒng)全負載測試電流

圖4 雨刮洗滌系統(tǒng)全負載測試電壓

圖5 雨刮洗滌系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)測試電流

圖6 雨刮洗滌系統(tǒng)堵轉(zhuǎn)測試電壓

圖7 雨刮電機單負載測試電流

圖8 雨刮電機單負載測試電壓

圖9 洗滌泵單負載測試電流

圖10 洗滌泵單負載測試電壓

分析以上測試數(shù)據(jù)，我們可以得出以下結(jié)論：

（1）從圖4和圖10可以看出，雨刮電機和洗滌泵都是感性負載，在工作和斷開的瞬間會產(chǎn)生電壓的下降，圖4中電壓的最低值為-5.469V，圖10中電壓的最低值為-5.921V。

（2）從圖3、圖7和圖9可以看出，雨刮電機和洗滌泵都是感性負載，在開始工作的瞬間，會產(chǎn)生尖峰脈沖，圖 3中電流的最高值為28.71，圖7中電流的最高值為17.17A, 圖9中電流的最高值為12.79A。

2 整車電源分配設計

2.1 整車電源分配的設計規(guī)則

整車電源分配設計應遵守以下基本的設計規(guī)則：

（1）保護每條線束回路

（2）將關鍵用電器和一般的提高方便性的用電器分開

（3）將“噪音”信號從“干凈”的信號分離開

（4）通用化回路設計

2.2 公共車載電源的電流耦合

所有機動車輛的電氣系統(tǒng)都依靠單一的車載電源網(wǎng)絡供電。然而通到各個單獨系統(tǒng)的導線和線束常常包扎成一根線束，因而反饋脈沖就能輕而易舉地從一個系統(tǒng)傳入相鄰系統(tǒng)的輸入和輸出接口。各種電氣部件接通和斷開時，如雨刮電機和洗滌泵，產(chǎn)生的干擾會以信號脈沖的形式傳播，即電流和電壓的突然急劇跳變。這些脈沖進而通過公共的導體，如電源，傳到相鄰系統(tǒng)的輸入和輸出口（電流耦合），或由電磁輻射通過電容和電感耦合來傳播。

流經(jīng)同一導電路徑的兩個不同電路的電流，通過車體接地，都會因公共導線的電阻而在其上產(chǎn)生壓降。干擾源 U1產(chǎn)生的電壓，在信號電路2內(nèi)會形成一個附加信號電壓，此信號將使傳感器信號的輸出產(chǎn)生錯誤。一個補救的辦法就是把各電路分開。

2.3 雨刮和洗滌系統(tǒng)電源分配的設計

由于雨刮和洗滌系統(tǒng)特殊的工作特性，它們都是感性負載，在接通和斷開時，產(chǎn)生的干擾會以信號脈沖的形式傳播，即電流和電壓的突然急劇跳變?？紤]到在電源分配設計時應該將關鍵用電器和一般的提高方便性的用電器分開，并將“噪音”信號從“干凈”的信號分離開。所以對于雨刮和洗滌系統(tǒng)，不應該和其它系統(tǒng)，如車身控制模塊，傳感器信號采集回路等共用電源和地。在進行電源分配和接地點設計時應該注意這個問題。

另外，由于雨刮和洗滌同屬一個系統(tǒng)，在洗滌功能開啟時雨刮電機需要聯(lián)動工作，所以兩者可以共用一個保險。雨刮洗滌系統(tǒng)電源分配示意圖如圖11所示。

圖11 雨刮洗滌系統(tǒng)電源分配示意圖

3 整車脈沖干擾問題分析

3.1 雨刮洗滌系統(tǒng)脈沖干擾現(xiàn)象

由于眾多線束和導線包扎成一根線束，所以每根導線都可以成為電感性和電容性的耦合干擾。電容耦合使變化的周期信號（如脈沖電壓和正弦交流電壓）在相鄰電路內(nèi)產(chǎn)生干擾和交調(diào)失真，甚至不存在直接物理連接的情況下仍然如此。容性干擾電壓的電平正比于一些因素，如相鄰電路的靠近程度和脈沖電壓的上升速率等。電感耦合是指在一導體內(nèi)以變動周期循環(huán)的電流，能在相鄰的電路中感應出電壓脈沖，這些電壓脈沖將在二次電路內(nèi)產(chǎn)生電流。

決定耦合敏感度的一個主要因素是信號上升和下降的時間；還有一個重要因素，就是有效互感。它由導線粗細和布線的情況等因素決定。最終脈沖電壓還可能成為寄生信號出現(xiàn)在相鄰系統(tǒng)的輸入端和控制輸出端。

從前面的測試分析知道，雨刮電機和洗滌泵都是感性負載，在工作和斷開的瞬間會產(chǎn)生電壓的下降，在開始工作的瞬間，會產(chǎn)生尖峰脈沖。這些都是在進行雨刮洗滌系統(tǒng)和與其相關的系統(tǒng)設計電源分配時應該考慮到的因素。

3.2 如何避免雨刮洗滌系統(tǒng)脈沖干擾

要避免雨刮洗滌系統(tǒng)脈沖干擾問題對與其相關的其它系統(tǒng)的影響，如車身控制模塊，傳感器信號采集回路等，應該從降低干擾源的脈沖強度、提高敏感系統(tǒng)的抗干擾能力以及優(yōu)化線束布線等方面進行控制。

4.2.1 雨刮電機

圖12 雨刮電機內(nèi)部原理圖

圖12是一款雨刮電機內(nèi)部原理圖，由圖12可以看出，在雨刮電機內(nèi)部原理設計時，需要分別在高速和低速工作回路中串聯(lián)電感來減緩回路中的電流變化，進而降低雨刮電機的浪涌電流通過電流耦合對其它系統(tǒng)的干擾；以及分別在高速和低速工作回路中并聯(lián)電容來減小回路中的脈沖電壓的變化。從而達到降低對外的傳導發(fā)射等級。

4.2.2 控制模塊的防反向脈沖保護

此處以車身控制模塊的防反向脈沖保護設計為例，介紹如何提高敏感系統(tǒng)的抗干擾能力。

圖13 車身控制模塊內(nèi)部輸入接口電路

圖 13是車身控制模塊內(nèi)部洗滌開關信號的輸入接口電路，為了防止反向脈沖對BCM的干擾，在輸入信號采集部分加上二極管D7，以濾除反向脈沖對車身控制器的干擾。

5 結(jié)論

本文以試驗數(shù)據(jù)為基礎研究了雨刮電機和洗滌電機的單負載工作特性，以及雨刮洗滌系統(tǒng)的全負載的作特性。基于實車測試的結(jié)果，分析了在進行整車電子電氣架構(gòu)設計時，如何進行電源分配設計，以及如何避免類似雨刮電機和洗滌泵這樣的感性負載給其它系統(tǒng)帶來的脈沖干擾。汽車電氣電子系統(tǒng)組成了一個很復雜的電器工作環(huán)境，在進行整車電子電氣架構(gòu)設計和各用電器系統(tǒng)設計時有許多必須考慮的問題。本文僅以雨刮洗滌系統(tǒng)為例，進行了一些分析和研究，嘗試在電源分配，減小脈沖干擾等方便尋找了一些解決方法。

[1] 德國BOSCH公司著,魏春源等譯. BOSCH汽車電氣與電子[M].北京:北京理工大學出版社,2004年7月第1版. 70-86.