车载综合电源优化设计

摘要：车载综合电源是特种车辆电力供应的核心，旨在提供稳定、可靠且不间断的电力。设计贯彻“小型化、集成化、智能化、通用化”理念，采用BUCK-BOOST型电源管理芯片及同步整流式开关稳压电源，提高转化效率。控制单元集成MCU电路、稳压与隔离电源电路等，实现智能控制及与外界通信。功率分配单元灵活调整输出路数及保护功率，满足多样化需求。本设计充分考虑了复杂运行环境和多样用电设备，实现了电源的高效、可靠和智能化管理。

关键词：综合电源；供电切换；功率分配；

特种车辆指的是设计用于执行特定任务或具备特殊功能的汽车，它们常依据特定的应用需求进行定制和改造，配备专业的相关配套设备和工具，从而拥有了特定的性能特点和功能配置。在特种车辆的应用场景中，车载设备的重要性不言而喻。这些设备不仅为特种车提供了关键的支持和保障，还大大提升了车辆在各种复杂任务中的执行能力和效率，而这些设备的运行离不开稳定、高效的电力供应。车载综合电源作为特种车辆不可或缺的一环，其设计旨在满足多样化的电力需求，从而保障车辆上所有设备的顺畅运行。

车载综合电源能对不同类型的输入电源进行整合，并对输入电源进行滤波净化处理，为设备提供高精度、高可靠的交流供电和直流供电[1]，是集功率控制、功率变换、供电分配和对蓄电池组充电和维护于一体的设备，可完成车内供电、分配、控制、保护和管理。

设计思路

车载综合电源在设计过程中贯彻“小型化”、“集成化”、“智能化”、“通用化”、的计思路。采用通用的成熟设计，优化控制结构及接口，减少设备内部的线缆，核心连接线缆采用双冗余屏蔽线缆，进一步提高设备的可靠性。

“小型化”：电源通过优化功率变换设备的拓扑结构，整合前后级的滤波、储能设计、保护设计，进一步缩小功率单元的尺寸，提高变换效率，减小散热需求。

“集成化”：电源内部集成AC-DC变换、DC-DC变换、DC-AC变换按照功能划分，将同一类型功能进行整个优化，降低互联风险。

“智能化”：随着用电设备的增加，单个设备的损坏，增加了系统崩溃的风险，基于此种理念，用电输出设计有故障隔离、保护、自动切断功能。

“通用化”：按照模块化的设计理念开发产品，满足产品快速设计、迭代、升级的需求。

设备工作原理

车载综合电源主要由AC/DC转换单元、逆变单元、稳压单元、控制单元、功率分配单元以及充电单元等构成，其原理框图如图1所示。其中，ACDC转换单元负责将外部的交流电源输入转换为稳定的直流输出，为稳压单元提供了可靠的电力来源。逆变单元则负责将直流电压进一步转换为AC220V的正弦交流电压，以满足车上交流用电设备的供电需求。控制单元扮演着至关重要的角色，它能够实时地监测交流输入、硅发电机输入以及备用蓄电池输入这三路电源的电压状态。基于预设的优先级策略，控制单元会自动选择最优的输入源作为当前供电电源，其优先级顺序为交流输入、硅发电机输入、设备备用蓄电池输入。同时，控制单元还通过功率分配单元的信息来监控所有输出端口的状态，对端口实施过流、过压等保护措施，协调各种电气模块，并将电气模块的工作情况反馈给上位机形成闭环控制系统 ，控制面板是上位机图形界面控制系统之间的通信手段。[2]功率分配单元则根据实际的用电需求，将稳压单元输出的电力合理地分配到多个输出端口，确保多种设备能够同时获得所需的电力供应。而充电单元则专门用于为硅发电机的蓄电池以及备用蓄电池进行充电，以保证它们的电量充足，随时准备为车辆提供电力支持。

3  单元设计

3.1 稳压单元设计

车载场合系统能源供给无法持久，对电源的利用应本着高效的设计原则。开关电源有着转化效率高的优点，而其中同步整流式开关稳压电源可获得较高效率。针对备用蓄电池及硅发蓄电池的宽压输入特点，选用BUCK-BOOST型电源管理芯片。如上图2所示，电源输入端增加压敏电阻及TVS管以保护后端系统免受浪涌冲击及静电伤害，提高了单元的可靠性。而针对高频开关电源设计，输入滤波电路显得尤为重要，可改善模块的电磁兼容特性。大功率的场效应管组成的H桥功率电路是稳压单元降低损耗的关键环节。在输出端增加滤波和储能电路，减小输出纹波小，可以提高用电设备的寿命。

3.2 控制单元设计

控制的设计集成了多个关键电路，主要包括MCU电路、稳压与隔离电源电路、继电器驱动控制电路、RS232串行通讯电路、RS485通讯电路、充电电流采样电路、电压信号采样电路等。MCU电路负责接收并处理其他来自各个电路的信息，执行智能控制策略，并发出相应的指令.稳压与隔离电源电路将输入电源进行降压处理，并实施电气隔离，为各个电路模块提供电力。RS232串行通讯电路是车载综合电源和外界通信的桥梁，使得车载综合电源能够与外部进行有效的数据交换和指令控制。RS485通信电路可以将控制单元、功率分配单元建立起统一的数据链路，实现电源系统对输出通道的全面监控和协调控制。继电器控制电路能够稳定的控制输入电源继电器组的接通与断开，通过精确控制继电器的开管动作，系统能够实现对不同电源输入的灵活切换。此外，电流、电压采样负责综合电源内部工作状态的采集，MCU 通过A/D转化电路采集电路的各种模拟量参数，并进行逻辑转换[3]，还原为实际值为MCU智能化控制提供数据支撑。

3.3 功率分配单元设计

功率分配板是将单输入电源分配成多路输出，在保持稳压单元及功率分配单元硬件状态不变的情况下，只需调整其软件配置，即可实现了输出保护功率的灵活多变，也可在一定范围内调整输出的路数，满足电源潜在的设备加装需求。

如图3所示，功率分配单元主要由输出开关电路、电流采样电路、稳压电源电路、MCU电路及RS485通讯电路组成。稳压电源电路为MCU电路提供供电，MCU电路是功率分配模块的大脑，实现多路电子开关的闭合与关断、多路供电支路的电压和电流的采样以及负责和外部设备之间进行通讯，以实现对多路输出的功率控制，并将每一路供电的状态数据上报给控制单元，实现系统级的智能化管理。电流采样电路用于实时监测每一路输出通道的电流情况。输出开关电路是功率分配板中直接控制电源输出通断的部分。RS485通讯电路是功率分配板与控制单元之间数据传输的桥连，通过RS485通讯电路，控制板可以监控功率分配板的工作状态，包括通道的电压、电流、开关状态等信息

3.4 其他单元设计

充电单元采用了与稳压单元相同的DCDC模块设计，这一策略不仅确保了两者在技术上的一致性和兼容性，还有效地利用了DCDC模块高效、稳定的电压转换能力，然而与稳压单元标准的24V输出电压不同的是，充电单元的DCDC模块经过专门调整，其输出电压被精确地设定为28V，28V的充电电压能够更好地匹配这些蓄电池的充电特性，确保它们能够高效、安全地进行充电，从而维持良好的工作状态和较长的使用寿命。

ACDC转换单元的核心原理建立在整流电路之上，它遵循降压、整流、滤波及稳压这一系列流程，以实现交流电到稳定直流电的转换。交流输入电压首先通过变压器降低至适宜的电压水平，降压后的交流电流进入整流环节，被转换成含有脉动成分的直流电。紧接着脉动直流电流经滤波电路，该电路负责消除其中的交流波动，从而使直流电的输出波形更加平稳。为确保输出一个恒定的直流电压，滤波步骤之后还需接入稳压电路。稳压电路凭借负反馈机制，对整流后的直流电压进行精细调节，以保障输出电压的稳定性和可靠性。

4  软件控制流程

控制单元的软件设计是其功能实现的核心所在，其主要功能涵盖了综合管理输入与输出信号、实时监控电源的工作状态以及快速响应用户的各种操作动作等多个方面。为了确保软件的高效运行和易于维护，采用了软件工程化的设计思路，

在具体实现上，根据控制单元所需处理的不同事务，将软件划分为多个独立的子模块。每个子模块都承担着特定的功能，如输入信号处理模块负责接收并解析来自外部设备的信号，输出控制模块则根据系统状态和用户指令生成相应的控制信号，电源状态监控模块则实时跟踪电源系统的电压、电流等关键参数，确保其在安全范围内运行。通过这种模块化设计，有效地降低了各个子模块之间的耦合度，当某个模块需要更新或修复时，对其他模块的影响将降到最低，从而提高了软件的整体稳定性和可维护性。此外，模块化设计还有助于实现软件的并行开发和测试，进一步缩短了开发周期，提高了开发效率。主程序流程流程图如图4所示。

5 结束语

本设计文档详细介绍了一种车载综合电源的设计理念、核心构成及其实现方式。充分考虑了特种车辆环境的复杂性和用电设备的多样性，实现了电源的高效、可靠和智能化管理。未来，随着技术的不断发展和进步，还将持续优化和完善设计方案，以满足更高层次的需求和挑战。

参考文献

[1] 薛鸿.某型车载综合电源的研发[J].山西电子技术，2019：82-84.

[2] 赵刚，王中洋，秦益鹏.电源系统在车载中的运用和设计研究[J].《通信电源技术》，2020.

[3] 夏梦雷;张德磊;陈峰雷;苏红钧.新型车载电源系统的优化设计[J].电气技术，2020：4.