基于车载启停系统辅助电源模块的研究

林 玲

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

汽车启停系统是为了节能和环保应运而生的．2015年欧洲和美国新车装配启停系统的比例已经分别达到80%和60%．同年，我国华晨、长安、广汽、江铃等车厂开始在新车型装配启停系统[1,2]．

汽车启停系统是一个总成控制器，其中的辅助电源技术已经在日、欧、美等汽车制造厂得到广泛应用，但目前主要的供应商是博世、法里奥、电装和德尔福等国际汽车电子巨头公司．由于价格过高，使国内整车成本提高，失去整车的市场竞争力，于是国内汽车零部件供应商开始投入资金和研发团队来研究这个辅助模块，以降低成本，但由于汽车电子零部件的标准非常严格，到目前为止，还没有一个国产化辅助电源模块在国内车厂得到量产．本文就是研究一种基于汽车启停系统辅助电源模块的方案，给国内汽车零部件厂商提供参考和借鉴．

1 汽车启停系统

1.1 汽车启停系统

汽车启停系统就是在汽车遇到红灯或需要较长时间停车等候时，驾驶员深踩刹车板，发动机会自动停止运行，当需要汽车重新前时，驾驶员放开刹车板，发动机会自动重新启动．由于发动机在停车时自动熄火，除了可以减少燃油消耗，也可以减少汽车尾气排放，达到节能环保的双重作用．据数据统计，一部安装了启停系统的汽车，可以平均减少燃油消耗3%-15%，可以减少尾气排放量12%[3]．

汽车启停系统包含发动机控制模块、电池管理模块、空调管理模块、启停辅助电源管理模块等若干模块．

1.2 汽车启停系统辅助电源模块

发动机从停止到重新启动，会产生很大的启动电流，这会显著地拉低汽车电瓶电压，蓄电池电压有可能降低到7V，甚至更低．而汽车内部各种电子控制器，要求工作电压范围是9V-16V，蓄电池电压低于这个范围，会使各种控制器工作不正常，甚至损坏失效，比如会使音响出现卡顿噪音、仪表板白光闪烁、汽车空调系统不制冷、汽车大灯亮度降低等故障，影响乘坐的安全性和舒适性．这时需要有一个电源管理模块，在汽车启停系统工作时，发动机从停止进入启动瞬间，可以将拉低的电压转换为满足汽车内部控制器所需的工作电压，既输出稳定的12V电压供给其它控制器，当发动机启动完成，经过4-6秒的时间后，汽车电瓶电压恢复到12V以上，这个模块退出运行，恢复由汽车电瓶给其它控制器供电．这个电源管理模块就是汽车启停系统辅助电源模块．它承担着给汽车各个控制器稳定的电源供给任务，当发动机频繁启停时，虽然蓄电池电压在波动，但它可以保证输出电压稳定在 12V，给各个控制器提供稳定的电压．

2 汽车启停系统辅助电源模块硬件系统组成及原理

辅助电源模块的控制原理如图1．以下是它的硬件组成及原理．

图1 启停辅助电源控制原理图

2.1 辅助电源模块硬件

辅助电源模块硬件包括CPU、信号连接器、输入/输出、交错同步电路以及反馈电路等五个单元．

（1）CPU单元：采用32位微处理器，负责各个硬件单元的控制．

（2）信号连接器单元：采用汽车专用连接器，将电瓶电源（BAT+，BAT-）以及部分使能信号（KL15，KL50）与模块建立连接．

（3）输入EMI滤波和输出EMI滤波单元：不仅消除外界输入电磁干扰，同时对自身高频开关信号的谐波进行滤波，防止其输出到汽车电源，对其它电器产生干扰，且符合汽车EMC的标准．

（4）同步交错整流BOOST电路：通过PWM信号驱动MOS管Q1、Q2、Q3和Q4，通辅助电源模块的控制原理如图1．以下是它的硬件组成及原理．

过电感L2和L3的储能和放电，将拉低的电瓶电压升高为稳定的12V工作电压输出，同步交错电路也保证了输出纹波较小．

（5）反馈电路单元：对输入和输出信号进行采样，得到电压差，经过计算，得出PWM的输出占空比，驱动MOS管来自动调节输出电压的大小．

2.2 辅助电源模块的工作原理

电瓶电压由 BAT+输入，分两路进入系统，一路是经过继电器直接输出电瓶电压 12V_OUT，在此称之为通路 A；另外一路就是进入同步交错BOOST电路，在此称之为通路B．在汽车正常行驶过程中，CPU检测到电瓶电压高于 9V，将继电器接通，通路A打开，同时CPU控制Q1/Q2截止，通路B关闭，这时电瓶电源直接给各个汽车控制器供电．当汽车进入怠速停车状态时，如果启停系统具备启动条件，则发动机熄火，这时通路A仍然打开，通路B保持关闭．当汽车准备由静止状态进入行驶状态时，启停系统控制发动机启动，在启动瞬间，启动的大电流会把电池电压严重拉低，极限情况下（蓄电池老化，环境温度低等）可能低到3V，CPU检测到电瓶电压极速下降，瞬间打开通路B，通过交错同步BOOST电路[4]，使被拉低的电瓶电压瞬时升高到 12V，关闭通路A．各个控制器的电源转为由辅助电源模块供电，维持12V稳定的电源输出．发动机启动经过4-6秒后，蓄电池电压恢复到12V，这时辅助电源模块关闭通路B，打开通路A，各个控制器的电源恢复到电瓶供电．

启停系统工作时，蓄电池电压的变化及辅助电源模块的输出电压波形见图2，发动机启动瞬间，蓄电池电压会从12V极速降低到7.5V，这时辅助电源开始工作，辅助电源输出电压经过0.15秒的短暂电压下降，输出12V的电压．T1是发动机启动时电瓶电压的恢复时间，一般 0.6-0.8秒，其后蓄电池电压会恢复到13.5V．T2是辅助电源模块的工作时间，为了保证汽车电源维持在12V，T2应该大于T1，本方案设定T2为5秒．不同车厂对 T2的定义不同，在实际应用时可以根据车厂要求做调整．

图2 电瓶电压与辅助电源模块输出电压波形

3 车载启停系统辅助电源模块硬件设计要点

同步交错BOOST电路是一个成熟的拓扑结构，已经在很多领域得到应用，但作为车载电器，汽车制造厂为了对产品可靠性做出严格保障，设计上还需要作一些特殊考虑．

3.1 BOOST电路的储能电感L2和L3

电感L2和L3在BOOST电路中不断地储能和放电，对磁芯的材料有严格的要求．磁粉芯的导磁率随磁场强度变化大，储能小，损耗大，热量高，体积大．而铁氧体材料高频损耗小，选择铁氧体材料做电感磁芯，可以满足车载电器对汽车模块体积小，效率高，发热量小的要求．

3.2 PWM的工作频率

PWM 工作频率的选择，会影响到整个模块是否能够通过 EMC测试．汽车制造厂一般都有自己的车载电器电磁兼容 EMC标准，国内推荐执行GB/T21437.3-2012．

PWM信号驱动MOS管Q3和Q4，使得电感L2和L3按照PWM工作频率进行充放电，输出的电压也就包含了PWM的谐波，如果PWM的频率落入到车厂 EMC测试的频率扫描区，那就要在电路中增加滤波电路，以满足车厂的 EMC要求，这样就提高了电路的复杂度，也提高了模块成本．因此，PWM工作频率最好可以避开车厂的EMC检测频率范围．PWM 的工作频率越高，电感的体积就越小，成本越低；PWM 的工作频率越低，电感的体积就越大，成本越高．车厂 EMC检测频率一般从150KHZ开始，因此，我们选择140KHZ的PWM工作频率，既能使电感设计到最小，又能避开车厂的EMC检测频率，简化模块设计，降低成本．

3.3 MOS管Q1和Q2

常规BOOST电路采用二极管，以防止负载端向电感端回流．如果将辅助电源模块设计为200W，那么二极管上0.6-0.8V的压降就会消耗12.6W的热量，由于车载电器不能有风扇散热，只能依靠金属外壳散热，就需加大二极管金属外壳体积来向外散发其热量，这样导致模块体积变大，成本提高．因此，我们在这里用MOS管来代替传统的二极管，MOS管内阻可以做的很小，达到毫欧级[5]，这样就极大减少了整机热量，使得整个模块体积小，成本低．

3.4 保护电路

车载电器对电器的抗干扰能力、抗恶劣环境能力以及自身保护能力要求非常高，以适应汽车在不同恶劣环境下的稳定使用．因此，车载电源模块除了完成基本功能外，还应具备过压保护、过载保护、反极性保护等保护电路，确保 EMC的抗电磁干扰能力．

图1中的输入/输出采样电路，除了做为PWM 的计算依据外，还可以做为过压保护和过载保护的采样依据，当CPU检测到输入电压高于设定值，或输出电流高于设定值，电源模块会进入保护状态，停止工作．

图1中二极管D1是用来反接保护的．当输入电源正负极反接时，系统停止工作．

图1中的输入EMI滤波用来对外界电器的杂波输入进行滤波，以提高电源模块的抗外界电磁干扰能力．输出EMI滤波对BOOST电路产生的谐波进行滤波，防止谐波输出到汽车电源系统，对其它车载电器造成电磁干扰[6]．

3.5 设计指标

车载电器应严格按照各个汽车制造厂的电器标准进行指标控制，一般至少应该达到下述指标：

1）工作电压：6-16V；

2）稳压额定输出功率：150W-400W（客户定制）；

3）输出电压：12.0V±4%；

4）过载承受能力：大于额定功率200%，时间不低于2S；

5）稳压持续时间：2-5秒；

6）空载工作电流：≤50mA；

7）静止电流损耗：≤0.1mA；

8）启动电压：≥9V；

9）效率：85%

10）工作温度：-40-85 ℃；

11）防护等级：IP6K7；

12）存储温度：-40-105 ℃．

4 软件系统流程图

图3 辅助电源模块软件流程图

辅助电源模块的软件流程图如 3．首先进行系统初始化，设置基本初始条件．然后模块开始持续检测输入电压，既蓄电池电压．在汽车正常行驶或熄火时，电池电压通常大于9V（9-13.5V），这时模块CPU发出信号，使继电器导通（通路A），让蓄电池电源直接做为模块的输出电源，既模块后面所带的所有车载电器都使用蓄电池电源．当模块检测到蓄电瓶电压低于9V时，这时有两种情况，一种是汽车冷车启动，这时使能信号KL15及KL50信号（车厂可自定义）为低电平，辅助电源模块认为是汽车正常冷启动（钥匙启动），不参与工作，继续使用通路A，输出蓄电池电压．另外一种情况是使能信号KL15及KL50为高电平，这时表示这个低电压的产生是因为汽车启停系统起作用后的发动机热启动，辅助模块介入工作，启动同步交错BOOST电路，断开通路A，接通通路B，让BOOST电路的升压输出做为模块的输出电源，BOOST电路工作5秒，在这5秒的时间里，BOOST电路采用反馈电路，不断计算输出电压和输入电压的差，持续计算PWM的占空比，来修正MOSFET的通断时间，以保证输出电压是 12.0V±4%，使模块后面带的所有车载电器能够得到稳定的12V电压，从而持续正常工作．BOOST电路工作 5秒后，汽车发动机热启动完成，这时蓄电池电压稳定在13.5V，模块停止BOOST电路，切断通路B，接通通路 A，车载电器继续使用蓄电瓶电源．模块又进入下一个电压监测周期．

这个电源模块其实就是在启停系统作用下发动启动瞬间，介入电源控制，持续5秒，使汽车电源维持在12V，等发动机启动完成后（4-6秒），该模块就退出控制，恢复到汽车电瓶给全车电器供电．

5 结束语

本文给出了一款汽车启停系统辅助电源的设计方案并制作了样机，如图4，其后对样机进行综合测试，实验数据见表1和表2，测试结果证明各项性能指标能够达到设计要求且功能稳定，符合DV（Design Verification）测试指标．受限于试验条件，目前尚未进行车厂的 PV（Process Verification）试验，在实际装车测试时，对环境及可靠性方面标准要求非常高，需要在实际装车测试时针对具体问题不断完善技术细节．

图4 辅助电源模块样机

表1 电瓶电压变化对输出电压的影响（恒定负载300W）

表2 负载功率变化对输出电压的影响（恒定电瓶输入电压12V）