客車(chē)新型智能化電源控制盒的開(kāi)發(fā)與研究

鄭 毅，卓 勛，李 偉，周小輝

（廈門(mén)金龍聯(lián)合汽車(chē)工業(yè)有限公司工程研究院，福建 廈門(mén) 361023）

隨著人們對(duì)客車(chē)的安全性、舒適性及人性化要求的提高，客車(chē)裝備的電子安全設(shè)備和娛樂(lè)設(shè)備也越來(lái)越多，這對(duì)客車(chē)電流管理系統(tǒng)提出了更高的要求。因電路故障引起的客車(chē)事故時(shí)有發(fā)生，由于客車(chē)電源盒沒(méi)有起到真正監(jiān)控安全的作用，更多的作為數(shù)據(jù)采集裝置而不能對(duì)電源系統(tǒng)安全進(jìn)行預(yù)警和報(bào)錯(cuò)。所以，隨著技術(shù)的發(fā)展，客車(chē)電源控制盒技術(shù)已經(jīng)從原來(lái)的監(jiān)控逐漸向管理方向轉(zhuǎn)變。而現(xiàn)有客車(chē)電源盒缺乏蓄電池充放電電流、電壓、起動(dòng)電流、用電器電流、關(guān)鍵部位溫度等參數(shù)監(jiān)測(cè)；未對(duì)鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)SOC進(jìn)行估算，容易造成電池過(guò)充和虧電，縮短蓄電池壽命，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、報(bào)警、控制等功能。因此，開(kāi)發(fā)一款智能化電源控制盒具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 電源控制盒開(kāi)發(fā)方案

基于CAN總線技術(shù)的客車(chē)智能化電源控制盒，可以實(shí)現(xiàn)：監(jiān)測(cè)蓄電池充放電電流和發(fā)電機(jī)發(fā)電電流；監(jiān)測(cè)起動(dòng)電流以保證安全起動(dòng)，蓄電池SOC估算，通過(guò)CAN總線技術(shù)在儀表實(shí)時(shí)顯示上述測(cè)量數(shù)據(jù)，并對(duì)蓄電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、起動(dòng)機(jī)進(jìn)行有效控制［1］。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷車(chē)輛的故障并適時(shí)報(bào)警，以提高整車(chē)電氣系統(tǒng)安全性。電源控制盒開(kāi)發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

2 電源控制盒硬件方案

圖1 電源控制盒開(kāi)發(fā)技術(shù)路線圖

電源控制盒（型號(hào)：JKH2029）硬件主要包含兩部分，分別是電磁開(kāi)關(guān)系統(tǒng)和主控板ECU系統(tǒng)，如圖2所示。其中，電磁開(kāi)關(guān)系統(tǒng)包括：整車(chē)電源總開(kāi)關(guān)、起動(dòng)開(kāi)關(guān)、整車(chē)電源繼電器、起動(dòng)繼電器、空擋繼電器、多路熔斷絲及連接線路等部分［2-4］。由于JKH2029電源控制盒電磁開(kāi)關(guān)系統(tǒng)與上一代JKH2028電源控制盒結(jié)構(gòu)相似［4］，因此本文詳細(xì)介紹主控板ECU系統(tǒng)的硬件構(gòu)成。

圖2 JKH2029智能電源控制盒

開(kāi)關(guān)電器盒主控板ECU系統(tǒng)包括: MC9S12XS128主芯片、電源自鎖和自斷電模塊、CAN總線收發(fā)模塊、信號(hào)隔離模塊以及17路外部接口電路等，如圖3所示。

圖3 基于MC9S12XS128為主芯片的主控板

1）電源自鎖與自斷電模塊在車(chē)輛點(diǎn)火鎖置于ON擋時(shí)開(kāi)始工作，可將18～36 V主流電轉(zhuǎn)換成5 V直流電給主控板供電，當(dāng)主控板開(kāi)始工作后，控制電源模塊自鎖，即ON擋作為主控板開(kāi)始運(yùn)行的觸發(fā)信號(hào)；待車(chē)輛停車(chē)后，將鑰匙置于OFF擋時(shí)，主控板處理完相應(yīng)的數(shù)據(jù)，控制電源模塊斷電。通過(guò)該電源模塊，主控板在不需要其工作的時(shí)候自動(dòng)關(guān)機(jī)，減少了不必要的電能損耗，減少了客車(chē)停車(chē)期間的蓄電池放電量［5］。同時(shí)，該模塊可以實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)電壓抑制保護(hù)，電流過(guò)流保護(hù)和電源反接保護(hù)，確保主控板可以安全可靠地運(yùn)行。

2）CAN總線收發(fā)模塊主要基于TJA1050芯片，為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文功能［6］。同時(shí)其輸出端采用共模濾波電路，具有較強(qiáng)的抗EMI能力。

3）信號(hào)隔離模塊可以實(shí)現(xiàn)主控板I/O信號(hào)與電源控制盒電路的隔離［2］。通過(guò)該模塊，主控板可以檢測(cè)到整車(chē)電源繼電器、起動(dòng)電源繼電器、起動(dòng)繼電器和ON擋繼電器的閉合和斷開(kāi)情況［7］。同時(shí)也可通過(guò)該模塊，控制整車(chē)電源繼電器、起動(dòng)電源繼電器、起動(dòng)繼電器斷開(kāi)。

4）17路外部接口電路主要用于外接檢測(cè)蓄電池充放電電流和發(fā)電機(jī)充電電流的兩路電流檢測(cè)模塊、外接電源控制盒繼電器、取電和CAN通信等功能。

3 主要控制功能及實(shí)現(xiàn)方法

智能化電源控制盒除了具備常規(guī)車(chē)輛電源分配、電源控制、溫度報(bào)警功能外，還可以實(shí)現(xiàn)以下功能。

3.1 整車(chē)電流監(jiān)測(cè)

采用基于磁極霍爾傳感器MLX91205ABL的電流檢測(cè)電路，對(duì)客車(chē)蓄電池的充放電電流和發(fā)電機(jī)電流進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)配置所測(cè)導(dǎo)體和MLX91205ABL的空間位置，該電流檢測(cè)電路的量程可達(dá)-400～400 A，測(cè)量范圍廣，滿足測(cè)量客車(chē)起動(dòng)大電流的要求［8］。 從表1中可以看出本項(xiàng)目所采用的檢測(cè)電路最大測(cè)量誤差不超過(guò)±1 A。

表1 鉗流表測(cè)量值與芯片測(cè)量值對(duì)比表

3.2 蓄電池SOC在線估算

電源管理模塊內(nèi)置鉛酸蓄電池的SOC算法，該算法為基于開(kāi)路電壓法和安時(shí)積分法融合的SOC估計(jì)算法，該算法的特點(diǎn)：在SOC初始化過(guò)程，考慮開(kāi)路電壓、停機(jī)前電池充放電狀態(tài)、停機(jī)時(shí)間3個(gè)因素的影響；在實(shí)時(shí)SOC計(jì)算過(guò)程中，采集蓄電池電壓、充放電電流、運(yùn)用剩余電量算法計(jì)算電池剩余電量［9］。就鉛酸蓄電池而言，在其性能完全穩(wěn)定的時(shí)候，其開(kāi)路電壓和剩余容量存在很明顯的線性關(guān)系，而且這種線性關(guān)系受溫度以及蓄電池老化因素影響較小。

綜合上述方法，項(xiàng)目采用某國(guó)產(chǎn)品牌2塊串聯(lián)的12 V/200 Ah鉛酸蓄電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其開(kāi)路電壓與剩余容量的關(guān)系［3］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 開(kāi)路電壓與剩余電量關(guān)系表

結(jié)果分析，鉛酸蓄電池充電后，電池電壓“虛高”，此時(shí)不能通過(guò)其開(kāi)路電壓來(lái)確定其實(shí)際剩余電量。第1次實(shí)驗(yàn)中，將電池釋放電量10%以上，并靜置8 h以上，確保電池開(kāi)路電壓為“實(shí)”，且達(dá)到充分的穩(wěn)定。通過(guò)開(kāi)路電壓法，確定此時(shí)的剩余電量，此時(shí)的誤差認(rèn)為0。在第2～9次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)電池進(jìn)行充電/放電操作，為確保電池的性能與壽命，電池剩余電量始終不低于70%。對(duì)比計(jì)算值與實(shí)際值，其誤差在3%以?xún)?nèi)，符合應(yīng)用要求。

3.3 車(chē)輛過(guò)壓、欠壓監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)總電源的電壓，當(dāng)電壓高于32 V或低于23.5 V時(shí)通過(guò)CAN總線向儀表發(fā)出報(bào)警；當(dāng)車(chē)輛未起動(dòng)時(shí)，報(bào)警超過(guò)4 min會(huì)自動(dòng)切斷電源總開(kāi)關(guān)（整車(chē)電源繼電器），當(dāng)重新將鑰匙開(kāi)關(guān)置于ON擋，可以重新接通電源總開(kāi)關(guān)4 min，儀表會(huì)提示駕駛員盡快起動(dòng)［4］。

3.4 車(chē)輛起動(dòng)機(jī)過(guò)流監(jiān)測(cè)

當(dāng)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，檢測(cè)起動(dòng)電流是否異常，發(fā)現(xiàn)起動(dòng)電流異常時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入起動(dòng)保護(hù)狀態(tài)——自動(dòng)切斷起動(dòng)電源，并通過(guò)儀表顯示并保留起動(dòng)故障信息。

該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車(chē)載蓄電池電壓、蓄電池充放電電流、用電器工作電流、起動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［4］。

3.5 電源信息在線顯示

通過(guò)對(duì)車(chē)載蓄電池電壓、蓄電池充放電電流、起動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)和各熔斷器等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將相關(guān)的信息通過(guò)CAN總線發(fā)送至儀表顯示［10］，能有效地控制車(chē)輛的起動(dòng)過(guò)程和實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與起動(dòng)機(jī)的狀態(tài)保護(hù)、車(chē)輛的正常運(yùn)行。因此，具有CAN總線監(jiān)控功能的電源開(kāi)關(guān)盒，能更好地指導(dǎo)用戶用車(chē)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文介紹了一種新型智能化電源控制盒，通過(guò)該裝置對(duì)車(chē)輛電源電流、電壓，蓄電池SOC值等參數(shù)監(jiān)測(cè)及控制，與CAN總線結(jié)合的監(jiān)測(cè)、控制、處理等技術(shù)，使得車(chē)輛電源系統(tǒng)在安全預(yù)測(cè)、報(bào)警、控制等方面得到全面提升，且該控制盒能夠借助上述參數(shù)信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地對(duì)車(chē)輛電能分配管理。使車(chē)輛的起動(dòng)性能和蓄電池的壽命有了明顯改善和提高，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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