基于电气负载特性测试的电源分配设计

关于作者
作者：李东浩，束照坤
单位：安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，汽车智能网联技术安徽省重点实验室

前言
随着科技的发展，汽车比以前任何时候装备了更多的用电设备。在车辆的使用寿命期间，这些系统的正常运行，受到的众多潜在干扰的影响。比如电动机的启动电流、堵转电流、点火线圈的高压等过电流、瞬态高压等干扰会通过过载、静电放电、噪声等叠加方式去影响线束及电路保护器件的寿命及功能，进而影响车辆的正常使用和行车安全。然而面对这些问题时，电气系统设计者很难考虑周全。本文介绍了对汽车上常见用电器的负载特性的研究，进而分析在整车电子电气架构设计、电源分配设计、保险丝选择设计、线束设计等方面尽量减小由于不了解各用电器的特性而带来的电气故障，为各个用电器提供一个良好的电气环境，提高整车电气系统的可靠性。
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整车用电器特性研究
我们对某款车型上的用电器进行了全面的电气负载特性测试，下面以该车型采集到的雨刮系统系统相关回路试验数据为例，说明整车用电器的种类和对整车用电环境的影响。我们进行的试验项目包括： 单负载测试：测量单个负载在动态和稳态（包括电机堵转状态）下电压和电流特性。
全负载测试：使用一个特殊的电路保护装置测量所有的负载（被特殊电路保护装置保护）在动态（从“OFF”到“ON”）和稳态（包括电机堵转状态）下的电压和电流特性。电压和电流数据通过这个电路保护装置进行存档，测试是将一个设定为 14.5V（±0.2V）的稳压电源跟蓄电池并联，所有的负载被触发一段时间以确保数据的记录。雨刮电机单负载测试如图1 所示，雨刮洗涤系统全负载测试如图2 所示。

图1 雨刮电机单负载测试

图2 雨刮洗涤系统全负载测试
通过测试，我们采集到的有代表性的数据如下：

图3 雨刮洗涤系统全负载测试电流

图4 雨刮洗涤系统全负载测试电压

图5 雨刮洗涤系统堵转测试电流

图6 雨刮洗涤系统堵转测试电压

图7 雨刮电机单负载测试电流

图8 雨刮电机单负载测试电压

图9 洗涤泵单负载测试电流

图10 洗涤泵单负载测试电压
分析以上测试数据，我们可以得出以下结论：
（1）从图4 和图10 可以看出，雨刮电机和洗涤泵都是感性负载，在工作和断开的瞬间会产生电压的下降，图4 中电压的最低值为-5.469V，图10 中电压的最低值为-5.921V。
（2）从图3、图7 和图9 可以看出，雨刮电机和洗涤泵都是感性负载，在开始工作的瞬间，会产生尖峰脉冲，图 3中电流的最高值为28.71，图7中电流的最高值为17.17A, 图9 中电流的最高值为12.79A。
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整车电源分配设计
2.1 整车电源分配的设计规则
整车电源分配设计应遵守以下基本的设计规则：
（1）保护每条线束回路
（2）将关键用电器和一般的提高方便性的用电器分开
（3）将“噪音”信号从“干净”的信号分离开
（4）通用化回路设计
2.2 公共车载电源的电流耦合
所有机动车辆的电气系统都依靠单一的车载电源网络供电。然而通到各个单独系统的导线和线束常常包扎成一根线束，因而反馈脉冲就能轻而易举地从一个系统传入相邻系统的输入和输出接口。各种电气部件接通和断开时，如雨刮电机和洗涤泵，产生的干扰会以信号脉冲的形式传播，即电流和电压的突然急剧跳变。这些脉冲进而通过公共的导体，如电源，传到相邻系统的输入和输出口（电流耦合），或由电磁辐射通过电容和电感耦合来传播。流经同一导电路径的两个不同电路的电流，通过车体接地，都会因公共导线的电阻而在其上产生压降。干扰源 U1产生的电压，在信号电路2 内会形成一个附加信号电压，此信号将使传感器信号的输出产生错误。一个补救的办法就是把各电路分开。
2.3 雨刮和洗涤系统电源分配的设计
由于雨刮和洗涤系统特殊的工作特性，它们都是感性负载，在接通和断开时，产生的干扰会以信号脉冲的形式传播，即电流和电压的突然急剧跳变。考虑到在电源分配设计时应该将关键用电器和一般的提高方便性的用电器分开，并将“噪音”信号从“干净”的信号分离开。所以对于雨刮和洗涤系统，不应该和其它系统，如车身控制模块，传感器信号采集回路等共用电源和地。在进行电源分配和接地点设计时应该注意这个问题。
另外，由于雨刮和洗涤同属一个系统，在洗涤功能开启时雨刮电机需要联动工作，所以两者可以共用一个保险。雨刮洗涤系统电源分配示意图如图11 所示。

图11 雨刮洗涤系统电源分配示意图
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整车脉冲干扰问题分析
3.1 雨刮洗涤系统脉冲干扰现象
由于众多线束和导线包扎成一根线束，所以每根导线都可以成为电感性和电容性的耦合干扰。电容耦合使变化的周期信号（如脉冲电压和正弦交流电压）在相邻电路内产生干扰和交调失真，甚至不存在直接物理连接的情况下仍然如此。容性干扰电压的电平正比于一些因素，如相邻电路的靠近程度和脉冲电压的上升速率等。电感耦合是指在一导体内以变动周期循环的电流，能在相邻的电路中感应出电压脉冲，这些电压脉冲将在二次电路内产生电流。决定耦合敏感度的一个主要因素是信号上升和下降的时间；还有一个重要因素，就是有效互感。它由导线粗细和布线的情况等因素决定。最终脉冲电压还可能成为寄生信号出现在相邻系统的输入端和控制输出端。从前面的测试分析知道，雨刮电机和洗涤泵都是感性负载，在工作和断开的瞬间会产生电压的下降，在开始工作的瞬间，会产生尖峰脉冲。这些都是在进行雨刮洗涤系统和与其相关的系统设计电源分配时应该考虑到的因素。
3.2 如何避免雨刮洗涤系统脉冲干扰
要避免雨刮洗涤系统脉冲干扰问题对与其相关的其它系统的影响，如车身控制模块，传感器信号采集回路等，应该从降低干扰源的脉冲强度、提高敏感系统的抗干扰能力以及优化线束布线等方面进行控制。
3.2.1 雨刮电机

图12 雨刮电机内部原理图
图12 是一款雨刮电机内部原理图，由图12 可以看出，在雨刮电机内部原理设计时，需要分别在高速和低速工作回路中串联电感来减缓回路中的电流变化，进而降低雨刮电机的浪涌电流通过电流耦合对其它系统的干扰；以及分别在高速和低速工作回路中并联电容来减小回路中的脉冲电压的变化。从而达到降低对外的传导发射等级。
3.2.2 控制模块的防反向脉冲保护
此处以车身控制模块的防反向脉冲保护设计为例，介绍如何提高敏感系统的抗干扰能力。

图13 车身控制模块内部输入接口电路
图 13 是车身控制模块内部洗涤开关信号的输入接口电路，为了防止反向脉冲对BCM 的干扰，在输入信号采集部分加上二极管D7，以滤除反向脉冲对车身控制器的干扰。
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结论
本文以试验数据为基础研究了雨刮电机和洗涤电机的单负载工作特性，以及雨刮洗涤系统的全负载的作特性。基于实车测试的结果，分析了在进行整车电子电气架构设计时，如何进行电源分配设计，以及如何避免类似雨刮电机和洗涤泵这样的感性负载给其它系统带来的脉冲干扰。汽车电气电子系统组成了一个很复杂的电器工作环境，在进行整车电子电气架构设计和各用电器系统设计时有许多必须考虑的问题。本文仅以雨刮洗涤系统为例，进行了一些分析和研究，尝试在电源分配，减小脉冲干扰等方便寻找了一些解决方法。