车载电源管理：车载电源控制和电源设计标准

如今车队管理创新技术已有了巨大进步。无论货车、公交车、出租车还是其它运输工具都运用了无线卫星定位系统，调度员可藉此了解所有车辆的位置、状态和油耗状况，因而大大改善了对车队的控制和管理。乘客也得到了更好的服务。显示屏可提供各种娱乐内容，以及实用、实时的信息，如出发和到达时间、天气栏和紧急通知。

    上述车载系统需要一套复杂的电源管理方案。新一款专为车载应用设计的研华ARK-1388嵌入式工控机，能够通过基于微控器的硬件和软件来提供给不同客户，非常弹性的安全启动和关闭时间设定。而启动和关闭过程是由车载电池状态和点火状态直接控制。此外，ARK-1388可以同时支持12 V和24 V车载电池系统。这款新型电源管理系统主要适用于出租车、货车、矿车和公交车。
    电源管理系统的挑战
    不论在什么条件下工作，机动车的电气系统都必须满足苛刻的电源要求，如负载突降、冷启动、以及待机时必须低功耗等。怎样才能避免交换机充电时电池电缆断开引起的负载突降？怎样才能在电压突然过高或过低时保护电气系统，如内置车载空调？怎样才能保证车载设备的稳定性和安全性？下面将作解释。
    机动车电源设计的常规限制
    如12 V电池电源线的电压瞬变范围（VIN）非常宽广，小至6V，，大至87V。典型的车载电力系统的工作电压范围往往只有在9V ~ 16 V。引擎关闭时电池的正常额定电压为12 V，启动时为14.4 V。但是，这个范围在瞬变状态时很容易扩大到80 V峰值以上。
   
    图1：模拟输入电压
    由于车载电子控制单元（ECUS）急剧增加，车载电池的总电流也随之增加，这就影响到静态（IQ）和关闭（ISD）电流预算。引擎关闭时仍有一些电气系统单元在运行，这也会损耗电池。为了控制静态（IQ）电流预算，大多数用户设置了单个ECU IQ的最大值。CAN收发器、实时时钟和微控器等设备可消耗ECU的多数IQ预算，因此电源的IQ预算可降到最低。ARK-1388通过微控器监视车载电源状态，因此休眠模式时功耗可低于10 mA。
    为了解决上述问题，设计师过去不得不采用独立的车载电源模块将电子设备连接到车载电源系统。这种多为客制化的外置模块在受到冲击和振动时容易损坏，因此削弱了车载系统的稳定性。
    这种附加模块还给制造商带来了额外开支，且占据了车辆空间。而研华产品采用整合化方案，且具有硬件电源保护和软件智能监控功能，因此可保证安全启动和关闭。
    测试通过ISO 7637认证
    ISO-7637-2:2004标准指定测试了客车以及安装12 V或24 V电气系统的商用车辆中设备的电瞬态传导的兼容性。抗瞬态失效程度的等级也有定义。该标准适用于所有安装电气系统的道路车辆，不受推进模式的约束。
    ISO-7637标准附件2中说明了车辆电子设备功能状态的区分方法。不同的测试条件说明了可能存在的系统工作环境。功能状态分为几类，相应的失效机制也有所不同。选择的测试等级和测试时间可根据研华公司和车辆制造商的约定定义。

    ARK-1388 嵌入式工控机已测试适用于12 V和24 V电池系统。一种测试是电源断开电感负载时的瞬态模拟。一种测试是模拟由于连接电汽配线电感在测试装置并联设备中产生的电流突然中断。还有一种测试是点火装置关闭后DC发动机充当动力时的瞬态模拟。模拟转换过程的结果表明，瞬态可能发生，并受分布电容和连接电汽配线电感的影响。
    若没有定义具体值，建议使用I ~ IV栏的等级。ARK-1388通过适用于12 V和24 V系统的测试等级III；各个测试脉冲的详细规格请参考ISO-7637-2认证。
   
   
    图2：ISO-7637-2中用于12 V / 24 V系统的测试等级
    研华硬件电源设计
    车载电源保护机制可检查和监控多种系统状态，并发出故障警报。
    电源保护机制可防止设备可能遭受反极性造成的损坏。即使电池装反了，或者DC电源接反，该机制也可使DC供电设备正常工作。
    设备还配有电涌保护器，使其免受电压峰值造成的损坏。若电压超过安全值，该机制会通过地面抑制或短接电压调节电气设备的电压。
    冷启动是机动车环境应用中的突出问题。车辆引擎遇冷或冻结一段时间后，机油会变得很黏，需要发动机增大输出扭力，进而增大电池电流。这个高电流负载可将点火时的电池电压降到6 V，然后再返回额定电压13.8 V（典型）。但是某些子系统要求整个冷启动过程中的电压恒定为5 V，这时问题就会产生。这包括ECU、环境和应急系统微处理器等与车辆安全和性能息息相关的应用。
    研华的理想电源方案还支持负载突降。电池电缆断开时，若交换机在充电，而电路上还有其它电流负载，就会产生负载突降。引擎运行时可能由于电缆腐蚀，连接不稳定或故意断开而切断电池。交换机充电时若电池突然断开，瞬时电压峰值可高达80 V。这种情况下多数计算机系统可能会崩溃。负载突降幅值取决于电池断开时交换机的速率和当前集电量。而负载突降脉冲持续时间主要取决于当前集电电路的持续时间和脉冲幅值。多数新交换机的负载突降幅值受附加限制二极管的限制。
    研华软件电源设计
    除了硬件电源管理功能，研华产品还具有软件智能监控特性。安装的微控器可稳定车载电源系统。用户友好的实用程序接口可允许用户自行设置时序和电压。例如，延迟时间的多组电源可通过实用程序和硬件跳线进行设置。覆盖设置时将发出报警提示。
    用户可通过跳线将电源设置为“车辆模式”或“ATX模式”。设置为“车辆模式”时，基于微控器的PIC软件会检查车辆的点火和电池状态。系统启动前，软件会自动判断电池类型，并检查阀值电压为12 V还是24 V。若电池电压足够启动系统，软件会检查点火状态。实用程序中设置的点火电压很高，如8 V以上。软件会确保计算系统在点火打开前不自动启动。进行点火打开和关闭切换时，系统电源会顺利启动。稳定电压的时序状态可按默认值设置，如10 s以后。若电压在设定值后没有稳定下来，系统会自动关闭。
    系统运行时，PIC软件会持续监控电池电压状态。若电量不足，驱动会接到通知，然后系统会在设定时间内自动关闭。
    PIC软件也会检查点火状态。车辆点火装置关闭后，操作系统会延迟关闭，待数据保存好后彻底关闭。延迟时间为30 s（断电延迟）~ 180 s（硬断电延迟），取决于软件设置。若系统由于某种原因不能顺利关闭，硬断电延迟设定将确保数据自动强制进入待机模式，避免车上电池电力被耗尽，造成车子无法开动。
    研华嵌入式工控机管理器提供XP/XPe环境下的用户友好接口；根据需要显示电源电压准位、点火和电池状态；根据电池状态调节最小电压；根据应用目的延迟启动/关闭时序；并可通过UI信息或邮件给服务器发出警报。
    嵌入式工控机的系统功能
    研华电源管理方案基于功能强大、灵活的嵌入式工控机产品线，特别适合多样化、苛刻的车载环境应用。嵌入式嵌入式工控机的主要优势在于结构紧凑、可靠性高、被动冷却和散热有效。IMS调查报告显示，嵌入式工控机在以后几年内形势最好的市场在于交通和基础建设领域。嵌入式坚固型嵌入式工控机凭借其实用性、抗振性以及恶劣环境应用的适用性,使这种趋势更加明朗。数字看板和客户信息系统是目前嵌入式工控机的流行应用。
    研华嵌入式工控机是运行嵌入式操作系统的紧凑、坚固型计算机，如Windows? CE、Windows? XPe或Linux Embedded。
    嵌入式工控机大大改善了恶劣环境应用的性能。工业电脑没有整合硬盘或旋转组件，因此抗冲击和抗振性比较高。无风扇IPC设计、铝质外壳以及有限的内部接线，保证了多应用的高可靠性。由于散热性能良好，工业电脑专用于户外和机动车应用。研华提供具有可扩展计算和I/O性能、功能完善的ARK嵌入式工控机。
    新型ARK-1388 嵌入式工控机属于超紧凑型ARK-1300系列，特别适用于空间有限的应用。低功耗计算机方案整合了Intel? Celeron M ULV 423或Intel? CoreTM 2 Duo U7500处理器（带1.06 GHZ时钟频率），Intel? 82945GM芯片组，以及板载2 GB DDR 2内存。
    嵌入式工控机电脑提供了灵活的GSM/GPRS/EDGE或UMTS/HSDPA模块安装空间，并具有50通道GPS功能，便于整合特别的导航模块。该产品符合802.11 b/g WLAN规格，可以进行无线LAN通信。前面板还带有VGA和18/36-bit LVDS接口，便于连接显示屏或触摸屏。 ARK-1388支持双独立显示，分别适用于驾驶员和乘客。此外，设备还带有4个USB 2.0接口、4个串行端口、4个带隔离的数字输入接口和2个带继电器的数字输出接口。为了娱乐和客户信息起见，ARK-1388音频输出接口通过一个6 W立体声左右通道扩音器，有助于克服噪音问题。数据存储通过CF卡可高达8 GB。
    研华嵌入式工控机ARK-1388可在 -20°C ~ 60°C宽温条件下正常工作（Intel? Celeron M处理器），或者高达55°C（Intel? Core 2 Duo CPU），并支持9 V ~ 32 V宽泛电源输入。
    针对车载应用，ARK-1388可控制媒介和信息系统，通过UMTS/HSDPA或GSM/GPRS/EDGE下载数据。工业电脑还整合了能够监视车辆引擎和电池状态的电源控制机制。启动/关闭延迟时序可通过实用程序快速设置。
   
    图3：ARK-1388车载嵌入式工控机
    结论
    研华整合化方案取代了外部电源管理模块，并保证了车载应用的稳定性。紧凑型ARK-1388 嵌入式工控机系统不仅节省空间，还避免了额外开支。其工业电脑规格支持宽温工作，并抗冲击和抗振动，是车载应用的理想选择。
    车载电源设计具有硬件电源保护和软件智能监控功能，可保证安全启动和关闭。