探究智能汽車系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

劉文

摘 要：在人工智能技術(shù)不斷發(fā)展的影響下，汽車領(lǐng)域與人工智能結(jié)合的全新產(chǎn)物之一就是智能汽車，對(duì)于其內(nèi)部的智能控制系統(tǒng)而言，電源一直都是核心組成部分，一個(gè)電源質(zhì)量判定的標(biāo)準(zhǔn)就是能否給予智能控制系統(tǒng)一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓及電流。但是較之傳統(tǒng)的汽車控制系統(tǒng)，智能汽車系統(tǒng)對(duì)電源具有特殊的要求。為此，在設(shè)計(jì)智能汽車系統(tǒng)電源的過程中，就需要在這些特殊要求之下做出合理設(shè)計(jì)，本文圍繞智能汽車系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)展開了相關(guān)的討論。

關(guān)鍵詞：智能汽車 控制系統(tǒng) 電源設(shè)計(jì)

對(duì)于智能汽車而言，其控制系統(tǒng)電源通常情況下都在7.2V左右，并且整個(gè)系統(tǒng)的電路有著較大的電流需求，由此出發(fā)，其電源基本選用的都是可以提供較大工作電流的鎳鎘電池。與此同時(shí)，智能汽車內(nèi)部的各個(gè)工作系統(tǒng)在電壓及電流的需求量上有著較大的差異，電源或降壓或升壓，有的工作系統(tǒng)則是需要使用較大功率的器件。正是因?yàn)橹悄芷囅到y(tǒng)在電壓電流需求上的差異，在其電源設(shè)計(jì)工作中需要考慮的因素才會(huì)變得越發(fā)復(fù)雜。

1 智能汽車系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)

1.1 紅外線光電傳感模塊

以飛思卡爾智能小車作為例子，其內(nèi)部的整個(gè)系統(tǒng)主要是由紅外線傳感、CCD攝像頭、舵機(jī)電源等諸多模塊共同組成的。就目前的智能汽車的集成電路發(fā)展看來，最為常用的三端穩(wěn)壓形式的集成電路主要包括78××以及79××兩大系列，除此之外，還有包括的LM317及LM337在內(nèi)的三端可調(diào)穩(wěn)壓形式的集成電路。前者兩大系統(tǒng)中，在正常情況下，只有在輸入電壓高出輸出電壓3到5V的情況下，才可以保障集成穩(wěn)壓器的工作在線性區(qū)，這兩大系列的穩(wěn)壓形式集成電路其內(nèi)部為串聯(lián)形式，導(dǎo)致其工作效率相對(duì)不高，并且從節(jié)能降耗的角度來看，需要盡最大可能的選擇開關(guān)穩(wěn)壓性的穩(wěn)壓形式集成電路。

在設(shè)計(jì)紅外線光電傳感模塊的過程中，可以選用TCRT5000反射性光電傳感器，這一類型的傳感器，單一的工作電流數(shù)值可以維持在15毫安左右，從其電源電壓、電流等需求出發(fā)，可以使用12個(gè)同一類型傳感器，其電流總數(shù)值就維持在180毫安上下，并且在這一電流數(shù)值之下，可以做到和其中的霍爾元件、CCD攝像頭視頻同步分離電流共同使用同一個(gè)穩(wěn)壓電源。由此出發(fā)，在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，這一部分的電路可以使用具備大電流及高效率的LM2575穩(wěn)壓性質(zhì)集成電路，這一類電路的輸入電壓最低值為6.5V，工作電流可以維持在1，從理論角度上來看，完全可以滿足該模塊電路的具體需求。

1.2 舵機(jī)和后輪電機(jī)

對(duì)于飛思卡爾智能小車來說，其內(nèi)舵機(jī)的工作電流正常數(shù)值維持在700毫安上下，電壓數(shù)值為6V。在設(shè)計(jì)的這一模塊的過程中，之前由LM1117-ADJ組成的調(diào)壓形式穩(wěn)壓電路，在正式工作的時(shí)候，會(huì)將LM1117三端穩(wěn)壓輸入電壓從6V降低到4V，這一電壓數(shù)值直接影響到了舵機(jī)正常工作。在這種情況下，就需要針對(duì)舵機(jī)的電源電路做出相應(yīng)的調(diào)整，去除其中的調(diào)壓電路，并將兩個(gè)大功率的硅二極管串聯(lián)在電路中即可，硅二極管自身的額定壓降數(shù)值為0.7V，在兩個(gè)硅二極管串聯(lián)到電路的情況下，兩端的壓降就可以達(dá)到1.4V，在電流流經(jīng)硅二極管的情形下，輸出端的電壓就達(dá)到了6V，在滿足舵機(jī)本身工作電壓的同時(shí)也可以提供穩(wěn)定工作電流，為舵機(jī)的正常穩(wěn)定工作提供了保障。除此之外，為了將電路中存在的高頻雜波干擾有效消除，還可以在電源端上將一個(gè)0.1μF的電容安裝其上。

除此之外，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正常工作電流維持在1.5A上下，在堵轉(zhuǎn)的時(shí)候可以達(dá)到2A之上，并且這一電機(jī)可以在7.2V的電壓下工作，基于此，可以將電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和電源電壓做出直接的連接，以便為其正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供一個(gè)較大的工作電流數(shù)值。

1.3 CCD圖像傳感模塊

較之其他系統(tǒng)的7.2V原始工作電壓，CCD圖像傳感模塊的工作電壓需要維持在9到12V之間，在這種情形下，就是使用一個(gè)斬波升壓電路做出電源的升壓處理。因?yàn)镸AX734類型的開關(guān)穩(wěn)壓芯片的輸入電壓極限值可以維持在4.75V左右，且具備較高的工作效率，為此，在該模塊的電路設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，就可以通過使用該類型的開關(guān)升壓電路，來實(shí)現(xiàn)提升攝像頭工作到12V的目標(biāo)。

除此之外，還可以使用的脈寬調(diào)制的斬波升壓電路來實(shí)現(xiàn)CCD圖像傳感模塊工作電壓提升的目標(biāo)，這一類型的斬波升壓電路，在工作效率上有著一定的提升，同時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管自身帶有的輸出電阻數(shù)值較低，使其驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力得到了較大的進(jìn)步。

3 智能汽車電源控制分析

3.1 蓄電池的監(jiān)控與保護(hù)

在電池管理的過程中，其基礎(chǔ)就是電量的合理估計(jì)，可以通過蓄電池傳感器的設(shè)置，通過收集電池的電壓、電流等數(shù)據(jù)，在結(jié)合上汽車的使用情況做出蓄電池的電量合理估計(jì)。根據(jù)目前使用較高的算法來看，就是在得到蓄電池自身的電量分區(qū)之后，開展蓄電池的分區(qū)保護(hù)工作，換言之就是在電量處于不同區(qū)間的時(shí)候的使用不同的充放電策略。目前，對(duì)于蓄電池的分區(qū)可以劃分為回收、循環(huán)、保留及虧電分區(qū)，當(dāng)電量處于回收區(qū)的時(shí)候，蓄電池就處于放電狀態(tài)，借此來為回收制動(dòng)能量預(yù)留出相應(yīng)的空間。而在電量處于循環(huán)區(qū)的情況下，電池本身就處于一個(gè)充電及放電循環(huán)的狀態(tài)下。換言之，充電達(dá)到循環(huán)電量數(shù)值上限的時(shí)候切換為放電狀態(tài)，反之就切換為充電狀態(tài)，借此來保障蓄電池自身的電量得以始終保持在循環(huán)區(qū)內(nèi)。當(dāng)電量數(shù)值進(jìn)入保留區(qū)的時(shí)候，就會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的情況下進(jìn)行充電，當(dāng)發(fā)電機(jī)關(guān)閉的情況下，就會(huì)進(jìn)入I級(jí)的放電保護(hù)狀態(tài)，就會(huì)將娛樂及舒適性的負(fù)載全部關(guān)閉。在蓄電池電量進(jìn)入虧電區(qū)的時(shí)候，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)候進(jìn)行快速充電，而在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉的時(shí)候則會(huì)進(jìn)入II級(jí)放電保護(hù)狀態(tài)，就是將一切的非必要性質(zhì)的負(fù)載全部關(guān)閉。

3.2 發(fā)電機(jī)的控制

汽車電源系統(tǒng)的能量來源之一就是發(fā)電機(jī)，同時(shí)這也是汽車電氣系統(tǒng)的產(chǎn)生油耗的直接來源，基于此，整個(gè)系統(tǒng)的能量穩(wěn)定流動(dòng)的關(guān)鍵就在于電源系統(tǒng)的控制。傳統(tǒng)的汽車發(fā)電機(jī)因其自身有著固定的工作方式及輸出電壓，在電池及負(fù)載情況的調(diào)節(jié)上較為被動(dòng)，導(dǎo)致能量的優(yōu)化分配存在著較大的難度。而智能汽車的發(fā)電機(jī)控制是在識(shí)別蓄電池的分區(qū)及車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的前提下，借助勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)工作模式的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)基本可以分為啟動(dòng)、怠速/勻速、加速、停轉(zhuǎn)、制動(dòng)等幾類，并且在結(jié)合上面的蓄電池分區(qū)，就可以得出如下的幾種發(fā)電機(jī)控制策略：第一，制動(dòng)狀態(tài)下借助快充將制動(dòng)能量回收，在電量已經(jīng)充滿的情況下，就可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦〕淠Ｊ絹斫档驼麄€(gè)的能耗。第二，在加速狀態(tài)下，如若電量條件允許，發(fā)電機(jī)可關(guān)閉，通過使用蓄電池降低能耗。第三，汽車在正常行駛的狀態(tài)下，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)模式保障電量可以始終處于循環(huán)區(qū)，在保留相應(yīng)制動(dòng)能量回收空間的同時(shí)預(yù)留出靜態(tài)下的充足使用電量。

4 汽車電源管理的常用技術(shù)分析

4.1 突發(fā)模式超低電流管理

在整個(gè)的汽車系統(tǒng)中，娛樂及防盜系統(tǒng)也十分依賴于電源供給，并且這兩個(gè)系統(tǒng)的工作模式都屬于突發(fā)模式。通常來說，突發(fā)模式下的系統(tǒng)都遵循了如下幾個(gè)原則：第一，突發(fā)模式下運(yùn)行的工作模式只可以在汽車電源系統(tǒng)處于待機(jī)情形的時(shí)候才可以正常運(yùn)行。第二，系統(tǒng)內(nèi)的電流除了暢通之外，還需要維持在靜態(tài)電流狀態(tài)下。第三，其電流數(shù)值不可超過100μA。由于智能汽車電源內(nèi)部需要一些大功率的控制器，使得能耗出現(xiàn)了一定程度的提升。而新進(jìn)出現(xiàn)的低功率MOSFET在通態(tài)下的能耗相對(duì)較低，為此，成為了智能汽車電源系統(tǒng)的效率提升的關(guān)鍵所在。

4.2 高低電壓電路的集成

智能汽車內(nèi)部諸如汽車音頻、充電插口等相關(guān)的電路是依賴于較高電壓進(jìn)行工作的。但其中的信號(hào)處理芯片內(nèi)核心技術(shù)的運(yùn)行是依靠低電壓的，在這種情形下，智能汽車的電源設(shè)計(jì)及管理中就需要使用到高低電壓電路集成技術(shù)。當(dāng)前的智能汽車電源設(shè)計(jì)出于各系統(tǒng)工作電壓及電流的需求，部分集成電路是直接和蓄電池進(jìn)行連接的。除此之外，信號(hào)處理工作的性能及強(qiáng)度也需要做出不斷的升級(jí)，又因其使用的制造工藝是亞微米級(jí)的，再加之其工作電壓是低壓，為此，汽車電源的管理工作中，就需要在電源系統(tǒng)中，有效的將高電壓及低電壓的元件進(jìn)行集成。當(dāng)前在這方面取得的成果就是將DMOS及COMS二者做出了有機(jī)結(jié)合，很好的解決了因?yàn)楦叩蛪褐g矛盾引發(fā)的電路短路安全隱患。在同時(shí)使用兩項(xiàng)工藝優(yōu)勢(shì)的前提下，全面滿足了各類型元件在電壓上的差異需求，并且也可在電源管理控制芯片中集成電路的保護(hù)、控制及故障診斷功能。

5 總結(jié)

受到人工智能技術(shù)的縱深發(fā)展的影響，汽車領(lǐng)域內(nèi)的智能汽車得以誕生及發(fā)展，對(duì)于內(nèi)部控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行來說，電源提供的電壓及電流需要在滿足各部分系統(tǒng)工作需求的同時(shí)維持穩(wěn)定，基于此，本文基于智能汽車電源設(shè)計(jì)中的紅外線光電傳感模塊、舵機(jī)和后輪電機(jī)以及CCD圖像傳感模塊設(shè)計(jì)做出了相應(yīng)的分析，并針對(duì)其電源控制中的監(jiān)控保護(hù)蓄電池及控制發(fā)電機(jī)兩個(gè)方面做出了闡述，并在最后針對(duì)使用頻率較高的包括突發(fā)模式超低電流管理以及高低電壓電路的集成在內(nèi)的管理技術(shù)做出了分析，以期為今后的智能汽車電源設(shè)計(jì)提供一些參考。

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