2.3 电气负荷

汽车的供电系统由汽车发电机和蓄电池构成，同时汽车起动机作为汽车发动的主要部件也是与供电系统直接相连的。蓄电池在汽车起动时为起动机提供电力，旋转的起动机拖动发动机旋转，帮助发动机正常起动。在发动机起动以后起动机与发动机脱开，并与供电系统脱离。发动机运转带动发电机运行，对蓄电池进行补充充电，与蓄电池一起对车载的所有电子电气模块供电；当汽车发动机不工作时，由蓄电池对整个系统供电，因此整个供电系统的连接图如图2-7所示。发电机通过熔断器与蓄电池和起动机相连，电源的正极通过电源分配盒连接到所有的电子模块，地线通过搭铁连接回来。

发电机部分由交流发电机和调节器两部分组成。由于汽车发动机转速是在变化的，导致发电机的转速也在变化，通常情况下的充电电压在14V左右，因此需要调节发电机内部磁场电流大小，转速低时调节的电流就大，转速高时调节的电流就小，从而使发电机输出较为稳定的电压。

这里主要集中讨论乘用车的应用，采用12V蓄电池系统。整个乘用车电气系统的供电主要分为两个部分：蓄电池供电和发电机供电。经过测量和统计，发现两种状态下电气系统的电压并不相同，如图2-8所示。下面对这两种状态下的电压范围进行讨论。

1）当发动机没有起动，只有蓄电池对所有的电气系统供电时，电压范围可分为以下几类：

蓄电池电压范围为13～16V时：当汽车行驶较长一段时间，汽车蓄电池充满时，电压处在一个较高的范围。

蓄电池电压范围为11～13V时：此时的蓄电池处在正常的电量范围内，蓄电池上连接的电气负载也较为正常。

蓄电池电压范围为10.5～11V时：这种情况发生在蓄电池电量较低或电气负载较重（如长时间开启车内空调）时，通常车辆在车库停放过久则会发生此情况。当蓄电池电压大于10.5V时，蓄电池可以提供足够的能量发动起动机。

蓄电池电压范围小于10.5V时：一般发生在蓄电池电量过低或蓄电池有一部分损坏时，此时车辆已经无法顺利发动，需要将蓄电池取下充电后才能顺利起动，汽车电子模块静态电流的要求较高主要就是这个原因。

2）当发动机起动，发电机与蓄电池连接以后，整个电气系统的电压范围如下：

蓄电池电压范围在15V以上时：在极端低温下，为了保持蓄电池的充电速度和对蓄电池加热，往往需要更高的电压，因此在发电机对蓄电池充电时，供电系统可能出现高于15V甚至16V以上的电压。

蓄电池电压范围为12～15V时：当发电机与蓄电池相连时，电气系统的电压往往高于仅与蓄电池相连的情况，当电气负荷处在正常范围内时，电气系统的电压一般为12～15V。

蓄电池电压范围为10.5～12V时：当电气负荷大于发电机所能提供的电力时，电压会跌落下来，在挂入空档时这个电压范围较为常见。

蓄电池电压范围为9～10.5V时：跌落至10.5V以下往往很少发生，只有在极端负荷的情况下才可能发生。

蓄电池电压范围小于9V时：这种情况只有在发动机失速或接近失速状态下才可能发生，电气系统电压可能跌落至9V以下，不过一般情况下电压会随着发动机的重新运转而返回到稳定状态。

2.3.1 过电压与反向电压

1.过电压实验

通过上节的介绍，我们知道了汽车上可能出现的电压范围，在实际测试中，可采用实验验证的方法来验证电子模块在不同电压下的工作情况。在ISO 16750中有两项过电压实验来验证异常的电气系统电压，如图2-9所示。

1）18V过电压实验：实验目的是模拟发电机调节器失效，引起发电机输出电压上升，高于正常电压的情况。注意：此时电子模块的环境温度设置为最高环境温度-20℃，施加电压为18V，持续时间为60min。

2）24V上电实验：实验目的是模拟蓄电池与起动机连接情况下的蓄电池电压环境。在室温下进行实验，施加电压为24V，持续时间为60s。

在这两项实验过程中，不仅是电子模块电源线上的电压提高了，电子模块所有的输入/输出端口只要与蓄电池直接相连，这些接口电压也会提升。因此实验的要求也包含在设计之中，比如在产品规范书中要定义电子模块在过电压和上电实验中需要达到的功能和性能要求。在后面第6章的设计中，将详细介绍电源管理策略。

2.反向电压实验

实验目的是检验当蓄电池与起动机连接时，电子模块对蓄电池反向连接的抵御能力；除此以外，在汽车维修的过程中，也容易出现接反的情况。反向电压实验是用14V的反向电压，施加到电子模块所有相关的输入端上持续60s的时间。与过电压实验情况相同，反向电压实验也是全局性的电压实验，从蓄电池开始的所有电压极性全部反接，电源和输入/输出端口都暴露在负电压之下，这种情况对电子模块可能会造成较大的影响。图2-10反映的是在反向电压实验时输入/输出端口的情况。

2.3.2 开路实验与短路实验

汽车电子模块是通过线束连接的，对于模块连接器上的接口来说，可能存在不同的状态。短路和断路是两种最为基本的状态，电子模块不仅需要承受这种状态，还要求对其有识别的能力。

1.开路实验

这项实验主要验证线束断开时的特性，是对所有连接器上的端口而言的，包括输入信号、输出信号、通信连接信号和电源地线信号。

单线断路：该测试验证模块的某一路连接断开时模块的工作情况。

多线断路：该测试验证模块的多路连接断开时模块的工作情况。

断路时间在9～11s，开路阻抗大于10MΩ。要求是：电子模块允许一定的功能异常，不过恢复连接后需要自动恢复到功能良好的状态。对于断路测试的问题，实际上也存在着一些现实的考量。比如说电子模块往往存在很多个不同的连接器组成接口，在装配过程中还会有不同的持续连接的情况。在一定的时间内，经常存在某些电路已经连接、某些电路还没有连接的情况，这也对后期进行潜在路径分析提出了要求。

2.短路实验

这项实验主要验证模块的输入和输出端短路至电源或地线时模块的工作情况。

信号输入电路：在其他输入端处于一定的状态下，使得模块的所有输入口依次连接到电源和地线，并持续60s，需要确定短路是否会对模块的电路造成损坏。

功率输出电路：此项测试验证模块功率输出的抗短路能力。一般来说有3种输出电路的形式：短路保护能力、熔断保护能力和不具备短路保护能力，在第8章中将进行详细的介绍。

对于具有短路保护能力的输出端来说，端口往往能够承受短路电流且在切断短路电流后能恢复到正常工作状态。通常汽车电子模块有低边开关输出、高边开关输出、恒定输出、继电器和电源传输等几种输出形式，通过表2-4可定义各种输出接口类型的详细测试要求。

对于具有熔断保护能力的输出端，应确保能承受短路电流且在更换熔丝后能恢复到正常工作状态。熔断器的结构和制造工艺简单，且成本低廉。通常熔断器的电流越大，熔断或开路时间越短。熔断器的功耗与通过熔断器电流的二次方成正比，当功耗过高时，熔断器熔断。因为熔断器是一次性的保护元件，一旦熔断则必须进行替换，才能保证正常使用，因此往往将熔断器放在一起，置于电气分配盒中，且放置在容易检修的位置。当然也可在模块内部使用熔断器，不过这样就会与设计线束布线有关，这些限制和保护功能增加了模块的成本和可制造的难度。

对于不具备短路保护能力的输出端，可能会由于短路电流过大而引起端口损坏，这是设计时需要尽量避免的。

如表2-4所列，带保护的输出电路种类较多，因此这里对每类输出口进行细致的探讨。

（1）固态输出（包括低边开关输出和高边开关输出）保护

短路实际上也不是完全没有等效阻抗的直连，短接回路也存在一定的阻抗。按照阻抗的大小划分，一般存在硬短路和软短路两种不同的形式。在AECQ10012中规定了集成芯片本身所做的实验，如图2-11所示。

硬短路是指输出直接短路到地，短路的等效电阻是100～200mΩ。在AECQ实验中分为4种不同的测试状态：

1）引脚短路的情况： R _SHORT =20mΩ并且 L _SHORT <1μH。

2）负载短路情况1：当短路电流 I _SHORT ≤20A时， R _SHORT =110mΩ -R _SUPPLY 。

3）负载短路情况2：当短路电流在20A< I _SHORT ≤100A时， R _SHORT =100mΩ并且 L _SHORT =5μH。

4）负载短路情况3：当短路电流 I _SHORT >100A时， R _SHORT =50mΩ并且 L _SHORT =5μH。

软短路是指负载过大的情况，一般可根据原有负载电阻的5%、10%、25%和50%等不同等级划分。

硬短路使得固态开关快速地满足电流保护的条件，往往会快速关断。而软短路由于负载可能存在一定的冲击电流，使得开关只能通过热保护进行关断。在8.2.4小节将详细介绍固态开关的诊断和保护策略的分析与制定。

（2）继电器和电源传输保护

对于继电器和熔断器来说，不是通过阻抗来考虑电气负荷，而是通过额定电流来进行测试。一般分为短时测试和较长时间测试：前者采用130%的负荷，后者一般负担200%的瞬时负荷。继电器保护分成内部和外部两部分：外部使用熔断器保护，内部采用分流器电阻电流检测的方法进行。

（3）恒定输出保护

往往某些模块需要输出一个恒定的电压，这类输出一般通过稳压器来实现，对恒定输出也要比较多地考虑短路保护的问题。因此，电子模块并不允许使用低压稳压器向外供电，因为这会导致短路时整个功能的瘫痪，甚至逻辑电源的损坏。

2.3.3 地偏移

从蓄电池引出正极和负极，对汽车所有的电子电气系统进行供电。汽车上的电子设备很多，有传感器、开关、灯泡、电动机和电子模块。如果采用双线制的连接方法，即所有连接回路都通过线束连接到蓄电池的两个接线端上，与蓄电池直接连接的导线就会有上百条甚至更多，这对于布置线束来说，成本很高且复杂程度也令人无法接受。为了节约电线材料和安装方便，现在大部分汽车的电气系统都采用单线制，电源线通过蓄电池正极与电气分配盒连接，然后分配至各个电气回路，如图2-12a所示，这样电源线就必须考虑漏电现象的发生。

大部分地线回路通过车身的金属回路引导至蓄电池的负极，地线回路直接搭在车架金属机件上，负载和开关的地线也就近搭在车架金属机件上，利用发动机和汽车底盘的金属体作为公共通道。这种地线与车体相连接的方式称为搭铁，也称为接地或接铁，如图2-12b所示。重要信号的地线回路通过线束连接。

通过上面的布置，可以使线束显得并不那么复杂，成本也能有效地降低。采用地线搭铁，具有对电子元器件干扰少、对车架及车身电化学腐蚀小、连接牢固等优点。为了整车的安全性，还要考虑设置两条以上的搭铁线，因此与蓄电池负极相连的搭铁线有以下不同的选择：发动机与大梁之间、变速器与大梁之间、汽车车厢壳体与大梁之间。为了增加电流承载能力和降低导线阻抗，搭铁线一般采用扁平的铜质或铝质编织线，如图2-12b所示。

正是由于单线制的接法，导致了不同负载上的电流在不同的节点进入，因此可以将整个汽车的搭铁看成一条很长的电阻带。如果发生搭铁不良的情况，则地偏移的现象更为明显。例如，发动机搭铁线紧固螺栓松动，或重接布置搭铁线时随意安装，或搭铁线接头腐蚀电阻增大，这些因素都会造成接触不良，从而迫使电流试图通过另外的回路，引起电压降增大。

因此，在实验中也对地偏移测试情况作了规定，在设计中也要考虑这个必定存在的现象。在模块存在两条或多条地线回路时，需要对这些地线回路施加一定的压降，以检验模块在这种条件下是否能可靠运转。在大多数情况下，地偏移的大小为±1V。在很多时候地偏移都会对模拟采集和功率器件的控制造成一定的困扰，因此，往往会将某些重要传感器信号的地线回路直接连接至模块的地线；也有部分电路会考虑在两个地线之间采用较大功率的二极管进行钳位，以降低地偏移的大小，防止逻辑电平的不匹配。

2.3.4 供电不理想

汽车的供电是通过很长的线束完成的，因此电源的连接可能存在潜在的不理想因素，可以通过以下5个典型的电压实验来表征这种不理想的供电情况。

1.交流电压叠加实验

该实验主要模拟直流供电电源中残留的交流电，如图2-13所示。其参数为-1V和-4V两个电压等级，内阻范围为50～100mΩ，交流波形的频率范围为50Hz～20kHz。此实验要求整个模块处于正常的功能状态，因此一般在高的等级，电压为8～16V的情况下，电路需要正常工作。

2.供电电压缓降和缓升实验

该实验模拟蓄电池逐渐放电和充电的情况，通过缓慢的变化电压来确认电子模块在渐变过程中是否能正常工作。在实验中会以（0.5±0.1）V/min的速率，将供电电压由最大电压降到0V，然后再从0V升到最大电压。实验一般有4个等级，在最小电压至最大电压范围内，电路一定要保证正常工作。在电压范围外，部分功能需要做一定的定义。测试电压见表2-5。

3.供电电压瞬间下降实验

该实验模拟其他电路内的典型熔丝熔断时造成的影响，如图2-14所示。注意：实验脉冲的上升和下降时间≤10ms。在这个过程中，大部分功能是需要正常工作的，对于座椅模块等重要的记忆型模块需要完全正常工作。当然有些厂商对这个下降过程的时间要求更苛刻，在12V跌落至0V后持续时间可达50ms，因此需要考虑如何避免这个问题，在6.3.4小节中缓冲电路的设计部分将会详细介绍如何防止此项实验造成的影响。

4.电压骤降复位性能实验

该实验检验电压骤降情况下模块的复位性能，适用于具有复位功能的电子模块，如图2-15所示。供电电压以5%的速率从最小电压（ U _Smin ）降到0.95×最小电压（ U _Smin ），保持5s，再上升到最小电压，至少保持10s并进行功能实验。然后将电压降至0.9×最小电压，以最小电压的5%梯度继续进行实验直到电压降到0V，然后再将电压升到最小电压。

5.浪涌脉冲5a和5b实验

该实验模拟抛负载瞬态现象，是在断开蓄电池的同时，交流发电机正在产生电流对蓄电池充电，而发电机电路上仍有其他负载时产生的瞬态。抛负载的幅度取决于断开蓄电池连接时，发电机转速和发电机励磁场强的大小，如图2-16所示。抛负载的脉冲宽度主要取决于励磁电路的时间常数和脉冲幅度。

为了防止全局性干扰，目前通过在新型交流发电机中添加内部钳位电路来实现，用于吸收抛负载能量，承受起动时的蓄电池电压。钳位措施将钳位电压设置为大于最大起动电压，汽车电压峰值仍会达到36～40V。在ISO 16750中，将未钳位信号定义为5a，钳位信号定义为5b。

脉冲5属于能量比较大的脉冲，除了考验电子模块在浪涌脉冲作用下的抗干扰能力外，事实上很大程度也会对内部的元器件构成很大的威胁。

抛负载可能产生的原因是电缆腐蚀、接触不良等，值得庆幸的是，这是一种故障状态，并不是经常会发生的。脉冲5的实际波形和参数如图2-17所示。