汽車附件和電子控制設備受益于電源管理方案，從而防止蓄電池電量耗盡和高油耗。低功率電子子系統對于下一代電動轎車和插電式電動汽車尤其重要。

       要點

       睡眠狀態下每天的功率預算不到50mA，因此穩壓器自身的靜態電流應當低于50mA。

       處于熄火狀態時，現代網絡轎車可以防止其電子設備耗盡車載蓄電池電量，但來自售后市場的電子設備依然可能耗盡蓄電池電量。

       提高轎車燃油經濟性的簡便方法依然是減小發動機大小。

       理想的汽油轎車將司機和乘客從A地舒舒服服地運送到B地，在這一過程中雖然消耗汽油，但排放的尾氣幾乎無害。不過，買車一族對于“舒服”的定義急劇擴大，許多車主現在希望愛車配備衛星導航、安保、氣候控制、互聯網接口，甚至飲料冷藏功能。特性的升級導致當發動機關閉、轎車的電子設備處于睡眠狀態時，轎車蓄電池的負荷相應增加。轎車電子附件的設計者必須平衡以下兩方面：轎車特性和附件的電力需求；睡眠狀態時，轎車蓄電池包含的有限電力。此外，由于汽油價格持續上漲，燃油經濟性對于消費者日益重要，因此，汽車原始設備制造商（OEM）紛紛開始為供油、空調等子系統打造復雜但高效的電子控制系統。

       以前，轎車電子設備較原始，汽油價格較便宜的時候，人們對于降低汽車電子設備的耗電幾乎沒有興趣。不過，由于今天的轎車幾乎普遍依賴控制器局域網絡（CAN）等網絡，并且對電子子系統具有嚴格的睡眠狀態功率預算，因此汽車附件和子系統的設計者必須研制出耗電量盡可能少的設計。例如，睡眠狀態功率預算可以避免以下情況的發生：車主出差兩個星期后，回到機場的停車場，結果發現一直處于開啟狀態的電子設備在他離開期間已經耗盡了蓄電池電量。

       氣囊等系統在轎車停放后完全關閉；停放的轎車中不需要部署氣囊。無鑰進入系統、報警系統等其它在汽車停放后依然工作的子系統將依然開啟，但處于睡眠狀態，只需要消耗少量的“維生”電流。它們依靠蓄電池直接供電。轎車OEM在網絡架構內部界定了轎車平臺的配電，從而確保始終處于開啟狀態的系統有電可用，而其它系統處于睡眠狀態，等待網絡的喚醒信號。盡管各公司向來不公開附件和子系統的睡眠狀態功率預算，但凌力爾特公司電源產品部產品營銷經理TonyRichardson估計，每天持續消耗20mA~50mA是合理范圍。

       對于蓄電池狀況良好的轎車來說，網絡架構和睡眠狀態功率預算幾乎消除了“在機場耗盡電池”的情形。不過，來自售后市場的附加電子設備依然可能耗盡電池電量。來自售后市場的電子設備無法直接接入網絡，因此需要點煙器等電源連接器供電。

       飛思卡爾公司模擬產品部系統與應用經理KevinAnderson表示：“各OEM牢牢掌控著信息，絕不向售后市場廠商開放。就數據完整性而言，這并不是一個開放的系統。”

       即使轎車發動機正在運行且電力充足，電子附件和子系統依然需要省電，以便管理轎車散熱熱點，并提高日益重要的燃油經濟性（見附文1：《寄生功率損耗》）。半導體和IC制造商不斷涉足汽車領域，甚至還向較簡單的電子設備添加低功率特性和智能技術。

       智能開關

       固態器件正在取代繼電器（一度普遍的汽車負載開關），以便增強可靠性并降低導通電阻。繼電器的電阻可能為25mΩ~100mΩ，而固態繼電器（SSR）的電阻可能只有2mΩ，大約相當于幾英尺標準規格的銅導線。由于發動機啟動器等子系統的電流可能高達700A，因此低電阻在這些系統中很重要。其它電路即使一直處于開啟狀態，它們的電流也不斷變化。例如，白熾大燈剛剛打開時，燈泡很冷，并且允許持續20ms~50ms的100A~150A初始涌流。但是隨著電流不斷加熱燈泡，電阻增加，此時電流下降為5A~40A，根據燈泡大小有所不同。飛思卡爾的eXtremeSwitch產品系列等智能固態繼電器允許很大的初始涌流，這是因為它們具有可變設定點。隨著燈泡升溫以及電阻變化，設定點會移至新閾值來適應較低電流。但是，如果此時電流突然升高（這表明出現了短路），芯片會充當保險絲并關斷，從而保護開關和負載。這些智能開關不但更加省電，還提高了可靠性，降低了材料成本。

       在轎車中，大燈是僅次于HVAC（加熱/通風/空調）系統的電力負荷。高亮度LED由于功耗較低、耐用、使用壽命長，被廣泛應用于城市照明系統，并且在未來幾年內，這些特性很可能會成為一些轎車內部和外部照明的標準特性。高亮度LED已經被應用于尾燈和日間行駛燈中，并且卡迪拉克宣布，在今年夏季推出的EscaladePlatinum（凱雷德白金版）中采用高亮度LED做大燈（圖1）。

       除去用電效率外，LED大燈也更易于把光線投射到司機需要的地方。目前的高端轎車一般采用電機驅動可轉向大燈，可以在轉彎時跟蹤轎車的路線。如果采用一組LED來照明路線，則可省卻可靠性較低的跟蹤電機。

       成本問題是阻礙轎車采用固態照明的主要障礙。因此，必須增加高亮度LED的產量來大幅度降低其價格，以便用于雪佛萊和卡迪拉克各型號。此外，溫度變化對LED燈的輸出影響很大，冬天汽車溫度可達零下，輸出變化幅度可達50%；而在夏天，變化幅度則高達三位數。

       大燈LED需要配備復雜的電源管理IC。飛思卡爾公司的Anderson解釋說：“大燈中并不只有一個LED，而是成串的多個LED，并且盡管在正常行駛狀態下，轎車蓄電池電壓可能在8V~16V范圍內變化，但LED的亮度必須恒定。此時需要開關電源，在輸入變化的情況下保持恒定輸出。此外，LED本身的亮度并非始終一樣，也會隨時間而老化，因此必須調整每一個LED以確保獲得恒定輸出。”

       大燈中的高亮度LED并非轎車中需要采用開關穩壓器的子系統：與較老較簡單、效率較低的線性穩壓器相比，CAN總線控制的幾乎任何模塊都可受益于開關穩壓器的高效率和可變的輸出狀態。盡管轎車OEM均未公布CAN總線所連接模塊的功率預算，但凌力爾特公司的Richardson表示，OEM中間普遍存在一種共識，即為終端系統中的微處理器供電的穩壓器在睡眠狀態下需要的靜態電流應低于100mA，從而使更高效的開關穩壓器具有優勢。有關低靜態電流開關設計的詳情，請參閱附文2《低靜態電流開關瞄準汽車電子設計》。

       事實上，所有電子子系統都包含處理器，并且一些基于核的處理器可通過單獨或同時降低電壓和頻率，在系統睡眠狀態下省電（參考文獻1）。例如，德州儀器公司（TI）基于ARM的TMS470系列產品利用了動態電壓調節，這樣可把電壓從1.2V正常工作電壓降至睡眠狀態下的1V，相應節省電流20%。為什么不徹底關閉處理器呢？即使系統處于睡眠狀態，也依然需要響應一些簡單命令，盡管響應速度更慢。

       盡管這些基于處理器的IC在芯片自身內具備電壓管理功能，但這些部件依賴外部電源管理部件把蓄電池電壓（約為13V）降至IC的2V～3V輸入電壓范圍。這些汽車電源管理部件面臨未來轎車設計所用的一套嚴格的規格：必須將靜態電流由目前的100mA降至30mA～50mA，以便支持電源管理芯片的睡眠狀態功率預算。此外，它們在系統喚醒命令方面也需要與CAN總線更緊密地合作。人們有望看到，汽車市場的電源管理芯片在來年開始把CAN收發器集成到電源管理芯片和穩壓芯片中。此外，電源管理IC必須防止開關電路EMI（電磁干擾）影響通信收發器。為了滿足汽車OEM和模塊設計者的要求，這些新型芯片將面臨嚴格的設計標準。

       隨著電子控制設備進一步成為轎車設計的一部分，它們在提高效率方面的潛力超過了穩壓方面的機會。對于傳統上由機械子系統執行的許多功能，電機驅動壓縮機（比如空調用皮帶驅動壓縮機）可以更高效地執行這些功能。與此類似，在降低皮帶驅動液壓系統中常見的寄生損耗的過程中，電機驅動可變式動力轉向可把燃油經濟性提高0.5英里/加侖。福特公司已經宣布，它將在未來車型中推行其6速自動變速器標準。這一變速器采用電子變速，比目前的自動或手動變速器的燃油效率更高。

       通過交流發電機為蓄電池充電，也可以實現省電。如果天氣不錯汽車就不需要開啟空調、加熱、或照明系統，從而需要較少的電能，交流發電機的負荷也較小。但是，交流發電機提供輸出為蓄電池持續充電，并且其規格被設定用于提供負荷——比如在冬季的雪夜，加熱和照明系統全部開啟。更高效的交流發電機會根據負荷調整速度。

       電動轎車和插電式混合動力車

       電動汽車（EV）和插電式混合動力車（PHEV）在僅靠蓄電池供電行駛時，需要省電的電子子系統（參考文獻2）。通用汽車公司工程技術副總裁BobLutz曾經探討過電子附件（甚至是普通的雨刷）的用電效率對于ChevyVoltPHEV的重要性，畢竟任何需要電池供電的子系統都會縮短Volt在僅用電池供電模式下的里程，目前約為40英里（參考文獻3）。

       TeslaMotors公司正在開發一款鋰離子電池供電的高端電動汽車，行駛里程240英里。與傳統轎車一樣，座艙降溫也是電動汽車的附屬負載。Tesla公司系統與集成部機械工程師DanAdams估計，在電動汽車中，這部分一般大約消耗2kW電力。功耗第二大的部分是座艙升溫。不過對于內燃機轎車來說，冷卻發動機所需的廢棄能量足以使座艙升溫，因此是“免費”的。由于電動汽車的電力傳動效率很高，因此只需片刻即可升溫，并且廢棄熱力遠比汽油發動機提供的熱力低很多。傳統上用于使座艙升溫的3kW將嚴重消耗蓄電池能量。Tesla等電動汽車制造商正在為座艙升溫另辟蹊徑，比如利用座椅加熱器來局部加熱，以及利用正溫度系數（PTC）進行整體座艙升溫。

       Tesla公司汽車電動裝置發行工程師ScottBrenneman評價了運行中的加熱器或收音機等附件如何影響汽車的行駛里程。

       他說：“一般來說，一些簡單的數學計算就可顯示對行使里程的影響。大體而言，假設知道其它負載的情況下，給定負載對50kWhr蓄電池組會產生可計量的影響。

       粗略來說，我們假設特定路線上的里程為240英里，平均行駛速度為30英里/小時，總時間為8小時。我認為大部分電動子系統對行駛距離的影響很小，當然HVAC部件等個別系統除外。例如，1kW的負載如果有一半時間處于運行狀態，其耗電將為4kWhr，也就是4/50，即蓄電池電量的8%。我認為這種情形很極端，畢竟1kW不論對于加熱還是冷卻都是大數目。外部照明燈等典型的12V負載在這種情況下的耗電低于0.2kW，從而使電池使用時間縮短1.5%。”

       對于如何彌補無處不在的汽車中的較低用電效率，Adams提出了自己的觀點。“座艙的舒適性（一般是指轎車交通）與人的基本能量需要相比，需要消耗大量能量。因此，一輛時速20英里行駛的轎車，動輒消耗10kW，如果冷氣系統開啟，HVAC還將消耗2.5kW。而如果用自行車作為自己的交通工具，消耗的能量則遠遠低于1馬力。”當然，作為一名忠實的自行車粉絲，Adams的話稍有偏頗。

       轎車電子設備在汽車燃油經濟性方面處于什么位置？從美國能源部的燃油經濟性網站（參考文獻A）可以看出，汽車電子設備在榜單上的排名并不靠前：油箱中的燃油提供的能量只有不到13%用于汽車實際行駛，其余能量則由發動機和動力傳動系統的低效率、空轉以及附件（如空調）損耗。表A顯示了總體明細。