Определение параметров источника питания блок-фары при распределенной гибридной структуре электроснабжения автомобиля с повышенным напряжением бортовой сети.

Яковлев Вадим Фридрихович,

доцент Самарского Государственного Технического Университета.

По мере усложнения электрооборудования автомобиля возрастает потребляемая им мощность, что и является основной причиной перехода от сегодняшнего напряжения бортовой сети 14 В к напряжению 42 В. Переход на напряжение 42 В позволит ввести в состав электрооборудования автомобилей некоторые мощные потребители, которые невозможно использовать для сетей с напряжением 12 В.

Системы электроснабжения автомобилей на напряжение 42 В могут иметь различные структуры [2]:

Структура с напряжением только 42 В состоит из 42-х вольтового генератора, 36-и вольтового стартера, 36-и вольтового аккумулятора и распределительной шины на 42 В. Это наиболее дорогое и сложное в реализации техническое решение, поскольку необходимо перепроектировать и наладить производство всех компонентов автомобильного электрооборудования на 42 В.

Гибридная структура на два напряжения (42 В и 14 В). Эта структура является переходной и позволяет использовать многие компоненты, рассчитанные на привычное напряжение 14 В.

Переход к напряжению бортовой сети автомобиля с уровнем 42 В происходит постепенно. Сначала в эксплуатации появились автомобили с гибридной сетью с напряжениями 42 В и 14 В, например, гибридные автомобили Toyota Crown или GMC Sierra. Отметим, что на первом отечественном гибридном автомобиле ИЖ-21261 напряжение бортовой сети также повышено (96 В) [2].

Возможны различные варианты реализации гибридных структур. Например, в системе электроснабжения автомобиля может быть два генератора на напряжения 42 В и 14 В или один генератор на 42 В и различные преобразовательные устройства понижающие напряжение до 14 В. Может быть применен один аккумулятор на напряжение 12В, или две батареи – на 12 и 36 В, или одна батарея на 36 В.

Возможна распределенная структура с напряжением в сети 42 В, аккумулятором на 36 В и маломощными преобразователями постоянного напряжения для питания отдельных низковольтных потребителей: комбинации приборов, правой блок-фары и т.д. Преобразователи монтируются в непосредственной близости от потребителей, управляемых по локальной сети CAN [2], система является децентрализованной. Мощные нагрузки подключаются к шине 42 В.

Рассмотрим методику определения параметров преобразователя 42/14 В на примере источника электропитания ламп блок-фар.

Считаем, что в блок-фаре перспективного автомобиля установлены лампы: дальний/ближний свет – АКГ12-60+55, указатель поворота – А12-21-3, габаритный фонарь – А12-4, кроме того, в боковом повторителе поворота – А12-3-1 [1].

В стационарном режиме преобразователь 42/14 В должен обеспечить для питания двух блок-фар и повторителей поворота мощность до 176 Вт и выходной ток до 12.6 А.

На автомобилях начинают применять электронное управление световыми приборами. По сравнению с классическими электромеханическими схемами облегчается диагностика световых приборов и повышается надежность.

Нить накала автомобильной лампы представляет собой терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления. В холодном состоянии это сопротивление составляет около 10% от значения в рабочем режиме [1]. Из-за этого возникает скачок тока через транзистор электронного реле при включении лампы. Схемотехническими методами несложно ограничить ток до номинального значения. Однако при этом задержка в нагревании нити накала приводит к запаздыванию в начале свечения и выхода лампы в рабочий режим на 0.5-1 с, что недопустимо для стоп-сигнала и указателей поворота. Электронное реле, управляющее лампами, должно пропускать этот импульсный ток, а дополнительная энергия поступает из буферного конденсатора, параллельного выводам преобразователя 42/14 В [2].

Для расчета емкости конденсатора требуется информация о переходных процессах в электрической цепи при включении лампы. Такие сведения недоступны потребителю, дешевле экспериментально получить информацию, чем ее найти в каких-либо источниках и оплатить.

Чтобы получить недостающую для проектирования информацию следует провести следующий измерительный эксперимент: записать кривую изменения тока, потребляемого лампой в блок-фаре при подаче на нее напряжения от аккумулятора. По кривой тока затем определим емкость дополнительного источника энергии, который должен компенсировать импульс тока потребления холодной лампы.

В эксперименте была использована компактная плата сбора данных Personal Daq/55 IOtech Inc, размещаемая вне корпуса компьютера, использующая шину USB, с простым программным обеспечением.

Записывались ток лампы с шунта 75ШС150 и напряжение на ней. Экспериментальные данные в табличном виде экспортировались в Excel и обрабатывались.

Для лампы АКГ12-60+55 ток в импульсе превышал 20 А, переходный процесс длится более 200 мс. Для лампы А12-21-3 ток в импульсе превышал 10 А, длительность переходного процесса более 80 мс.

Ток лампы указателя поворота ограничивать недопустимо, поэтому именно для нее определим параметры буферного источника энергии. Расчет показал, что для ламп указателей поворота от буферного конденсатора должна быть обеспечена дополнительная энергия 6.52 дж. Емкость конденсатора при условии уменьшения напряжения на нем за время импульса отдачи энергии в цепь лампы не более чем на 0.25 В составит 0.94 Ф.

Малогабаритные суперконденсаторы выпускаются с относительно низким рабочим напряжением. Применим для реализации накопителя конденсаторы семейства PowerStor типа B1030-2R5685 с параметрами: емкость – 6.8 ф, рабочее напряжение 2.5 В, диаметр 10 мм, длина 30 мм.в последовательном включении из-за низкого рабочего напряжения, например, Результирующая емкость последовательной цепи из шести конденсаторов 1.13 ф, сопротивление уравнивающих резисторов 1 кОм.

Сведения об электронных реле для управления автомобильными световыми приборами есть на сайте производителя www.st.com.

Двухканальный коммутатор VND920 с током канала до 35 А может управлять лампами указателей поворота без ограничения пусковых токов через холодные лампы.

Два четырехканальных коммутатора VNQ05XP16 с током канала до 5 А могут управлять, лампами фар в режиме ближнего и дальнего света АКГ12-60+55 (4 канала), лампами передних габаритных фонарей А12-4 (2 канала) и лампами боковых повторителей поворота А12-3-1 (2 канала).

Реле имеют встроенные мультиплексированные датчики тока, сигналы которых используются микроконтроллером с диагностическими целями.

Литература.

1. В.Е.Ютт, Электрооборудование автомобилей, 2-е издание. -М. Транспорт,1995.

2. Д.А.Соснин, В.Ф.Яковлев Новейшие автомобильные электронные системы, - М., Солон-Пресс, 2005.

Поступила в редакцию 24 января 2008 г.