电源系统是汽车的核心之一，电源控制着车上所有带电的零件，就像下面这位美女从长相、身材、气质到声音吸引着你的眼睛一样，电源系统驱动着所有功能件，让你感受到整车所有的功能！
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汽车电源系统的设计与开发
现代汽车发动机技术不断地更新，车上用电器的负载也越来越大，整车电源系统的重要性就越发显得更加重要了。汽车电源系统合理严谨的设计方法是保证后续验证措施有效的前提。
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一、电源系统概述
汽车电源系统的功用是向整车用电设备提供电能。
蓄电池、发电机与汽车用电设备都是并联的。
1）起动电机
使发动机曲轴上的飞轮齿圈啮合，带动飞轮及曲轴转动，同时发动机喷油点火，直至发动机起动。
2）蓄电池
在发动机起动时，向起动机和点火系统供电；在发电机不发电或电压较低的情况下向用电设备供电；当发电机超载时，协助发电机供电；在发电机正常工作时，蓄电池将发电机发出的多余电能储存起来。
3）发电机
汽车的主要电源，正常工作时，发电机向用电设备供电和向蓄电池充电。
4）充电指示灯
用来指示蓄电池的充放电状况。
5）调节器
使发动机在转速变化时保证发电机输出稳定的电压。
6）点火开关
让起动机工作，发动机点火。
1）低压
汽车电系的额定电压有12V、24V两种，汽油车普遍采用12V电系，而柴油车多采用24V电系。电器产品额定运行端电压，对发电装置12V电系为14V；对24V电系为28V。对用电设备电压在0.9～1.25倍额定电压范围内变动时应能正常工作。
2）直流
汽车电系采用直流是因为起动发动机的启动机，为直流串激式电动机，其工作时必须由蓄电池供电，而蓄电池消耗电能后又必须用直流电来充电。
3）单线制
是指从电源到用电设备只用一根电线连接，而另一根导线则由金属部分如车体、发动机等代替作为电器回路的接线方式，具有节省导线、简化线路、方便安装检修、电器元件不需与车体绝缘等优点而得到广泛采用。但在个别情况下，也采用双线制。
4）负极搭铁
采用单线制时，蓄电池的负极必须用导线接到车体上，称为负极搭铁，这是国家标准规定的，也是交流发电机正常工作的必要条件。
二、汽车电源设计的基本原则
12V电池电压的瞬变范围决定了电源转换IC的输入电压范围。典型的汽车电池电压范围为9V至16V，发动机关闭时，汽车电池的标称电压为12V；发动机工作时，电池电压在14.4V左右。但是，不同条件下，瞬态电压也可能达到±100V。ISO7637-1行业标准定义了汽车电池的电压波动范围。以下两张图所示波形即为ISO7637标准给出的部分波形，图中显示了高压汽车电源转换器需要满足的临界条件。除了ISO7637-1，还有一些针对燃气发动机定义的电池工作范围和环境。大多数新的规范是由不同的OEM厂商提出的，不一定遵循行业标准。但是，任何新标准都要求系统具有过压和欠压保护。
散热需要根据DC-DC转换器的最低效率进行设计。
空气流通较差甚至没有空气流通的应用场合，如果环境温度较高(>30°C)，外壳存在热源(>1W)，设备会迅速发热(>85°C)。例如，大多数音频放大器需要安装在散热片上，并需要提供良好的空气流通条件以耗散热量。另外，PCB材料和一定的覆铜区域有助于提高热传导效率，从而达到最佳的散热条件。如果不使用散热片，封装上的裸焊盘的散热能力限制在2W至3W(85°C)。随着环境温度升高，散热能力会明显降低。
将电池电压转换成低压(例如：3.3V)输出时，线性稳压器将损耗75%的输入功率，效率极低。为了提供1W的输出功率，将会有3W的功率作为热量消耗掉。受环境温度和管壳/结热阻的限制，将会明显降低1W最大输出功率。对于大多数高压DC-DC转换器，输出电流在150mA至200mA范围时，LDO能够提供较高的性价比。
将电池电压转换成低压(例如：3.3V)，功率达到3W时，需要选择高端开关型转换器，这种转换器可以提供30W以上的输出功率。这也正是汽车电源制造商通常选用开关电源方案，而排斥基于LDO的传统架构的原因。
大功率设计(>20W)对于热管理要求比较严格，需要采用同步整流架构。为了获得高于单个封装的散热能力，避免封装“发热”，可以考虑使用外部MOSFET驱动器。
随着汽车中电子控制单元(ECU)数量的快速增长，从汽车电池消耗的总电流也不断增长。即使当发动机关闭并且电池电量耗尽时，有些ECU单元仍然保持工作。为了保证静态工作电流IQ在可控范围内，大多数OEM厂商开始对每个ECU的IQ加以限制。例如欧盟提出的要求是：100μA/ECU。绝大多数欧盟汽车标准规定ECU的IQ典型值低于100μA。始终保持工作状态的器件，例如：CAN收发器、实时时钟和微控制器的电流损耗是ECUIQ的主要考虑因素，电源设计需要考虑最小IQ预算。
OEM厂商对于成本和规格的折中是影响电源材料清单的重要因素。
对于大批量生产的产品，成本是设计中需要考虑的重要因素。PCB类型、散热能力、允许选择的封装及其它设计约束条件实际受限于特定项目的预算。例如，使用4层板FR4和单层板CM3，PCB的散热能力就会有很大差异。
项目预算还会导致另一制约条件，用户能够接受更高成本的ECU，但不会花费时间和金钱用于改造传统的电源设计。对于一些成本很高的新的开发平台，设计人员只是简单地对未经优化的传统电源设计进行一些简单修整。
在电源设计中PCB和元件布局会限制电源的整体性能。
结构设计、电路板布局、噪声灵敏度、多层板的互连问题以及其它布板限制都会制约高芯片集成电源的设计。而利用负载点电源产生所有必要的电源也会导致高成本，将众多元件集于单一芯片并不理想。电源设计人员需要根据具体的项目需求平衡整体的系统性能、机械限制和成本。
随时间变化的电场会产生电磁辐射，辐射强度取决于场的频率和幅度，一个工作电路所产生的电磁干扰会直接影响另一电路。例如，无线电频道的干扰可能导致安全气囊的误动作，为了避免这些负面影响，OEM厂商针对ECU单元制定了最大电磁辐射限制。
为保持电磁辐射(EMI)在受控范围内，DC-DC转换器的类型、拓扑结构、外围元件选择、电路板布局及屏蔽都非常重要。经过多年的积累，电源IC设计者研究出了各种限制EMI的技术。外部时钟同步、高于AM调制频段的工作频率、内置MOSFET、软开关技术、扩频技术等都是近年推出的EMI抑制方案。
三、整车电源系统设计
电源系统主要包含3个部分，在设计的过程中需要遵循一定的步骤，按照起动电机、蓄电池、发电机的顺序来进行设计。
作为发动机起动的能量输人端，对于发动机的起动十分重要。因此，设计起动电机时，发动机的各项参数对起动电机就显得很重要，如发动机的功率、使用的最低环境温度、气缸数和气缸布局，最后这些信息反映到量化的指标上，即发动机在-30C稳态拖动的反扭矩。这个数值可以通过发动机设计时由发动机相关工程设计方给出，也可以由实际发动机样机测得。
实际测试的情况，需要在-30C的环境舱中，使用发动机测功机对发动机在此环境温度下稳态拖动时所测得的等效扭矩来获得。起动电机所需要输出的扭矩通过下式来获得：
Ts—起动电机输出扭矩
TE—发动机反扭矩
ns—起动电机小齿轮齿数
nE—发动机飞轮齿圈齿数
在计算得出小齿轮所需输出扭矩后，通过起动电机输出所示，可以通过扭矩、转速、功率曲线的相互关系，得到起动电机拖动时需要的电流值。
一般规定起动电机的输出图上标注该曲线的外部电路阻值，通常情况下为5-15mΩ不等，可以根据实车情况而定。
该电流值的最佳范围在起动电机最大功率点处附近，设计在这个点附近拖动，可以最有效地利用起动电机的最大功率，并能减少因功率损失而引起的发热。同时，在此点上起动电机的转速也可以由此图得出，在经过下式来换算出发动机的转速：
NE—发动机转速
Ns—起动电机转速
ns—起动电机小齿轮齿数
nE—发动机飞轮齿圈齿数
发动机能够自启动的转速通常由下表来定义，可以根据个别系统的不同来具体调整。
起动电机输出图确定后，在满足起动电机输出扭矩的情况下，如果对应的起动电机转速在换算后，发动机转速过低，可以通过调整起动电机内部行星减速机构的减速比来调整起动电机输出图上的扭矩和转速曲线，对应的起动电机输出功率曲线也会因此调整而向左或者向右移动。
要注意的是，当任何调整都不能满足所有转速、扭矩、功率要求时，意味着该起动电机的功率过小，需要重新选择功率更大的起动电机来满足设计要求。
蓄电池为起动电机提供电能来使起动电机工作，其主要参数有：冷启动电流(CCA)，A；20h率容量，Ah。
1）冷起动电流的确定
冷启动电流定义为蓄电池在-18C时，充满电的12V蓄电池在30S内，其端电压下降到7.2V时，蓄电池所能供给的最小电流。
在起动电机设计完成后，起动电机输出图也确定了，从抛负载电压波形图可知，起动电机转速为0时，起动电机输出扭矩最大，这里的电流值接近于起动电机堵转时的电流值，所以蓄电池冷启动电流的值需要大于等于起动电机输出图上的堵转电流值。
2）20h率容量的确定
20h率容量是蓄电池容量的一个量化单位，如某蓄电池容量为60Ah，表示该蓄电池在25C水浴中，以3A电流持续放电的时间至端电压小于10.5V的时间要大于20h。
由于整车用电器在锁车后存在静态电流(一般为10~30mA)。这主要是因为虽然整车机械部件停止运行了，但是部分电子控制模块依然在工作，如防盗系统、车身控制系统等，这部分模块仍以微电流放电的模式在工作着。
由于一般要求整车静置6周后仍能正常起动，蓄电池的充电状态在50%以下时，就存在整车无法起动的风险，故可按下式来估算蓄电池的20h率容量
BAh=（IQ*24*42）/50%
BAh—蓄电池20h率容量 IQ—整车静态电流
发电机作为整车电源，给整车的电器负载供电及给蓄电池补充电量。发电机的工作参数主要有:发电机转速、输出电流、输出电压和环境温度。汽车行驶时，这4个参数是在不断变化的，在发电机设计时需要考虑到整车的用电平衡，4个参数间的相互关系，也是在设计发电机时不可缺少的一个考虑环节。
1）电量平衡的评判方法
电量平衡的评判方法，可表示为：
Σ（Iin△tin）＞Σ（Iout△tout）
Iin—蓄电池在△tin时间内平均充电电流
△tin—蓄电池在充电状态下的一个时间段
Iout—蓄电池在△tout时间内平均放电电流
△tout—蓄电池在放电状态下的一个时间段
电量平衡即是以蓄电池的充放电平衡为评判标准，以用户感受为第一的设计准则为∑（Iin△tin）＞∑（Iout△tout），而比较经济的设计准则为∑（Iin△tin）略小于∑（Iout△tout），一般5A左右是比较理想又不失经济性的选择。
2）整车常用电器电量统计
整车的用电量理论估算是发电机设计和选型的重要依据之一。正确的估算来自于科学地分析计算。为了分析计算方便，首先引人电器使用频度系数。随着季节和环境的不同，各种电器的使用机会也不同，即使用频度系数不同，用μ0、μs、μw分别表示电器与季节气候无关、电器在夏季使用和电器在冬季使用3种情况。
其次，按电器使用范围不同，可分为3类，I类电器为汽车长期行驶必需的用电器，包括无条件长期使用的用电器(如点火系统)和有条件长期使用的用电器(如冷却风扇)；II类为安全行驶所必备的短期使用电器，如喇叭、转向灯等；III类为提高车辆行驶舒适性的随机使用电器，如电动门窗等。整车常用电器电量分析表见表2，其中加权电流为
I加权=Iiμi
I加权—加权电流
Ii—第i个电器的用电电流
μi—第i个电器所对应的使用频度系数。
表中最后总计的Isum即计算得出的整车加权用电电流之和。
3）发电机的选用
在计算得到整车加权用电电流之和之后，可以对应查看发电机的输出图，如下图所示。
25℃时一般发电机调节器的输出电压设定为13.5V，而发电机的输出是随着发电机的转速而上升的，比较关注的发电机稳态输出电流为上图中n1，n2输出电流，n1一般为1800-2000r/min，n2一般为6000r/min。因为考虑到城市工况，怠速和低速状态比较多，于是在计算得到I加权之后，发电机在n1的输出电流基本与I加权相近或略小，才能符合电量平衡经济性的考虑；如果大于I加权。可以认为完全满足各个工况下的电量平衡；如果远小于I加权，那么该发电机的设计是不正确或欠考虑的。
由上图及发电机的输出特性，即可以对发电机做出有根据的设计了。
四、结语
在汽车电源系统的整个设计过程中，还需要考虑到发动机在不同地区的起动需求，蓄电池在整个寿命过程中的充放电量，发电机在整车上的电量平衡应用，以及蓄电池抗热环境的保护。
电动汽车已经成为汽车发展的一个重要方向，对于以电池供电的全电动力系统或者以发动机和蓄电池混合动力系统而言，电源管理系统设计是关系车辆性能的一个重要因素，设计时需要考虑综合车辆总体设计方案和外部使用环境，为了节约电源，还需要设计一定的控制策略保证电源的最佳利用。综上，对电源系统的优化设计，对整车的能量管理及节能起着至关重要的作用。
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