车辆辅助电源的电容型UPS设计

【中心议题】

•        * 设计了一种车辆辅助电源的电容型UPS
•        * 进行了电路设计和仿真

【解决方案】

•        * 能量存储介质采用锂电池或铝电解电容来构成
•        * 充放电的合理设计

1　前言

车用辅助电源是为车辆电子控制系统提供供电的装置,其输入电压是由蓄电池供应的直流电压,通过DC-DC技术转换成低压直流电压。如CAN总线接口的供电电压是5 V;各种传感器信号由15 V供电等,如图1。

当车辆启动时,由于蓄电池供应发动机转动需要很大电流,会在数百毫秒内产生低压脉冲,对于使用时间较长的蓄电池,由于内阻较大,这种低压脉冲有可能造成辅助电源重启,使控制系统陷入混乱。

如图2, 24 V蓄电池在车辆启动时电压可跌至8V,维持时间长达100 ms,如果由于电池内阻和导线电阻较大造成跌落电压更低,则车辆将由于控制系统不断重启而不能启动发动机。

固然可以设计可以在蓄电池电压范围内工作的辅助电源来解决这一问题,这也是实际普遍采用的办法,不过由于将电压输入比从2∶1提升至4∶1,相应的辅助电源成本也几乎翻倍。

2　UPS瞬时辅助电源设计

考虑到低压脉冲只在车辆启动时发生数百毫秒的时间,只要能够给辅助电源的输入端配上微型的UPS,就能保证辅助电源不会因为电压过低而重启,这种UPS足够廉价,就能保证方案的可行性。

如图3,蓄电池的常态电压为24 V,电压范围为16 V到32 V,由于电源线上的各种噪音,包括充电器和发动机启动的瞬态大电流,蓄电池电压最高可达40 V,最低可达8 V。

UPS电源可先将能量存储,一旦检测到蓄电池电压跌落至某一门限,即自动将存储能量释放维持后级辅助电源输入电压在一段时间内稳定。供电回路的切换可以由大功率场效应晶体管来实现,这里不做详述,只是集中研究UPS电源的设计。

2. 1 UPS能量存储介质

能量存储介质采用锂电池或铝电解电容来构成,因为车用辅助电源的工作温度范围是-40℃

到85℃,在不使用冷却措施的条件下,铅酸蓄电池和超级电容无法长期工作。

假设电容最高工作电压V,电容值C,则存储能量见式(1)E =12C×V2(1)假设锂电池工作电压V,容量XAh,则存储能量见式(2)E =12X×V×3600(2)锂电池的能量密度高,但放电电流小;铝电解电容能量密度虽然远低于锂电池,然而在提供1 s以内的不间断供电的前提下,电容的放电电流几乎不受限制,而且,铝电解电容在体积和价格上有绝对优势,详细参数比较见表1。

可以看到,锂电池由于受到最大放电电流的限制,为了提供300W的瞬间功率,需要180节3. 3 V锂电池才能提供相当于12节, 63 V, 12 mF的铝电解电容能够提供的电流,而这样的12节铝电解电容提供的能量足够维持700 ms电流供应。所以,在此类应用中,铝电解电容在价格、重量上有绝对优势,最终采用温度范围-40℃~105℃的铝电解电容阵列作为存储介质。

2.2　充放电方案

考虑到电流传导的损耗和电压的降额,采用的电容阵列是66 mF, 126 V;充电电压设计为95 V,

降压输出电压设计为12V,最大输出电流为300W,如图4。

升压模块采用由凌特LT1243构成的Boost开关电源,如图5。开关频率工作在225 kHz,采用电流模式环路控制, 66 mF电容,充电限流电阻为10Ω。降压模块采用由凌特LTC3703构成的Buck开关电源,如图6。工作频率设计为250 kHz,采用三路并联输出提高瞬间大电流供应(25 A),采用电压控制模式,输出电压设计为12 V,总输出功率为300W。

3　电路设计和仿真

升压模块开环Bode图显示,环路是不稳定的,配置Type II相位补偿电路后,相位裕度增大到55

度,具有足够的稳定性,如图7。

降压模块开环Bode图显示,相位裕度只有30度,配置Type III相位补偿电路后,相位裕度增大到70度,具有足够的稳定性,如图8。

TYPE II和III补偿环节的电路由运算放大器和RC网络构成传递函数如下,电路结构,如图9。

应用SPICE电路模型的瞬态仿真结果,可见充电时间在5 s以内,能量存储290 J,如图10。

应用SPICE电路模型的仿真结果,可见电源输出可以维持0. 8 s,达到0. 7 s的设计目标,有效能量释放240 J,电容能量利用率达到240 J/290 J=82. 8%,如图11。

4　电容UPS性能参数

电容UPS的主要性能,如表2。

注意到UPS的工作电压最低不低于16 V,是由于低于8 V的情况只有在发动机启动的瞬间发

生,在发动机启动之前,输入电压是在16 V之上的,并且有足够的时间进行充电,所以UPS充电电路并不需要在低于16 V的情况下工作。

设计完成的UPS总重量3. 6 kg,外观尺寸,如图12。

5　结论

综上所述,采用电容设计短时UPS配合压比例2: 1的汽车辅助电源可以替代昂贵的入电压比例的汽车辅助电源。从而提供一种的方案,解决由于发动机启动造成的蓄电池落问题,和由此引发的控制系统混乱问题.