一種混合動力汽車智能斷路器及預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

，， ， ，

(1.商洛學(xué)院電信學(xué)院，陜西 商洛 726000；2.陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室， 陜西 商洛 726000)

0 引言

隨著汽車電氣系統(tǒng)負載單元的日益增加，電氣故障類型和頻次越來越多，而傳統(tǒng)電磁式斷路器無法滿足負荷能力和復(fù)雜工況的要求?；旌蟿恿ζ囁脭嗦菲鞯墓ぷ麟妷?、電流更高，電壓范圍為12～900 V，電流范圍為10～500 A[1]，斷路器觸頭工作容量增大，導(dǎo)致觸頭分斷時產(chǎn)生的電弧能量增大,燃弧時間變長,從而造成觸點燒壞進而壽命降低，引發(fā)汽車自燃的機率增大。2013年國際電工委員會出臺了國際標(biāo)準IEC 62606—2013《電弧故障檢測設(shè)備的一般要求》[2]，2015年中國開始實施相同作用的標(biāo)準GB 14287.4—2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)：故障電弧檢測器》[3]，諸類標(biāo)準用以指導(dǎo)和設(shè)計相關(guān)保護裝置，快速可靠切斷斷路器觸點，避免發(fā)生汽車電氣火災(zāi)事故，促進新能源汽車“三電”技術(shù)的發(fā)展和推廣。當(dāng)前,國內(nèi)外研究通過采用新材料和改進其機械機構(gòu)的方法，用以改善斷路器滅弧性能[4]。但是汽車電氣系統(tǒng)與船舶電氣系統(tǒng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和航空供電系統(tǒng)相比[5]，電壓等級較低，負載種類復(fù)雜多樣，各種儀表車燈等均采用負極搭鐵方式連接，電弧故障信號更隱蔽、微弱[6]。新能源汽車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電氣系統(tǒng)電壓等級不一，充、用電技術(shù)問題和使用環(huán)境惡劣等原因，由汽車零部件故障之外的常見因素，諸如導(dǎo)線老化斷裂、負極搭鐵不牢靠、線束之間被擠壓、噪音和電磁兼容性等現(xiàn)象都會導(dǎo)致電弧故障頻發(fā)[2]。相關(guān)研究表明，只有準確判斷和識別汽車線路或電器的電氣故障，然后及時預(yù)警和快速切斷故障電路，才是解決問題的一種有效途徑。在此，基于汽車大直流組合式電器的相關(guān)要求，設(shè)計一種基于常用繼電器結(jié)構(gòu)的組合式智能斷路器，嵌入線路電流監(jiān)控、報警及開關(guān)分斷模塊，提高斷路器的滅弧性、智能化和快速化，解決汽車在運行過程中由電氣故障可能帶來的自燃問題。

1 智能斷路器的原理與設(shè)計思路

為了應(yīng)對短路故障和電路過流現(xiàn)象，傳統(tǒng)的汽車電氣系統(tǒng)使用了大量熔斷器，在故障發(fā)生后啟動保護動作，這種方式無法分析故障和故障預(yù)警[7]。在智能斷路器中,加入了智能繼電器對可控電氣線路進行電流監(jiān)測，能夠即時獲得線路電流狀態(tài)，同時,汽車電氣系統(tǒng)的中央控制單元記錄全車所有電器的狀態(tài)信息，計算單個電氣線路的正常工作電流，作為電氣線路的參考電流；然后比較電氣線路的實際電流和參考電流,對汽車電器過流、線束短路、漏電等故障進行更準確的判斷，在達到極限閾值時發(fā)出控制信號斷開電氣線路。這屬于一種依靠中央控制單元的協(xié)調(diào)機制來實現(xiàn)電氣線路的過流保護[8]。

由于車用電氣系統(tǒng)的特殊性,不會直接采用過流關(guān)斷保護,否則可能會造成行車事故。本文設(shè)計一種車用智能組合電器，時刻對電氣線路進行過流監(jiān)測，掌握汽車絕大多數(shù)電器工作狀態(tài)信息，當(dāng)監(jiān)測到過流時，利用一種繼電器線圈釋放故障能量，同時發(fā)出報警信號；當(dāng)過電流超過極限值時，系統(tǒng)由觸發(fā)電路啟動斷路器觸頭，實現(xiàn)電氣設(shè)備斷電保護，如圖1所示。

圖1 智能斷路器工作原理

2 智能斷路器系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體電路設(shè)計

在汽車智能組合電器中，需要估算控制電路上的額定供電電流，為電路優(yōu)化控制提供參考電流。當(dāng)發(fā)生短路故障，為防止損壞線路和電器，需要組合電器快速執(zhí)行切換動作，其具體任務(wù)包括自身故障監(jiān)測、電路通斷控制、電路電流監(jiān)測和短路快速保護4個方面。

PIC中央控制單元選用AVR mega48為主控制器，具有8路10位的ADC和3路可編程 PWM輸出，具有在線編程功能，能方便地實現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)設(shè)置和電流、電壓檢測等任務(wù)[9]。系統(tǒng)外圍主要由采樣電路、驅(qū)動觸發(fā)電路、鍵盤輸入電路、報警電路、顯示電路和時鐘電路等組成，如圖2所示。其中，選用霍爾電流傳感器進行采樣，檢測電氣線路的運行狀態(tài)和過流保護，然后通過A/D轉(zhuǎn)換送給主控器；顯示電路顯示斷路器當(dāng)前運行狀態(tài)；鍵盤輸入電路實現(xiàn)參考電流的修改，設(shè)置臨界點狀態(tài)。

圖2 智能斷路器的硬件系統(tǒng)

2.2 繼電器線圈能量釋放電路設(shè)計

一般在設(shè)計智能斷路器時，通過繼電器線圈來控制電氣線路的通斷，當(dāng)監(jiān)測到線圈發(fā)生過流時，發(fā)送狀態(tài)信息同時向用戶發(fā)出報警。這里因為汽車或者其他載運工具的特殊性，為防止故障時突然斷電可能帶來不安全狀況，車用智能斷路器在檢測到故障時，不主動斷開電路，由斷路器的繼電器線圈釋放掉故障能量。線圈能量釋放電路如圖3所示，電路包括MOS管、限流電阻和穩(wěn)壓管等組成，繼電器線圈一端接電氣線路，另一端接MOS管漏級，限流電阻一端與穩(wěn)壓管相連，另一端與MOS管源級相連后接地。當(dāng)發(fā)生故障，繼電器線圈第1次失電斷開時，線圈釋放能量，然后繼電器線圈吸合通電。同時由報警電路發(fā)出提示，等待用戶進行關(guān)斷操控和檢修。

圖3 繼電器線圈能量釋放電路

2.3 短路故障瞬時保護觸發(fā)電路設(shè)計

當(dāng)某電氣回路出現(xiàn)故障，短路電流達到線路承載能力數(shù)倍以上時，需要安全切斷故障線路，避免發(fā)生電氣火災(zāi)。但是由于斷路器斷開線路后，檢測電路的傳感信號變?yōu)?，斷路器的繼電器會再次接通，故障電路恢復(fù)供電，然后再跳開，出現(xiàn)反復(fù)接通和跳斷現(xiàn)象。因此需要增加一種短路瞬時保護觸發(fā)電路，如圖4所示，包括基準電壓、電壓檢校、分壓、反相和SR狀態(tài)觸發(fā)5個單元?；鶞孰妷篣0與檢測信號SC(霍爾傳感器)比較，由比較器的電壓U1經(jīng)R3和R4分壓，然后傳給SR觸發(fā)器識別。斷路器通斷控制信號P0經(jīng)過反相器U3反相后，接入SR的R端，SR負相輸出信號P1至PIC中央控制單元，讀取短路故障。其中，SR觸發(fā)記錄短路狀態(tài)并保持至置位，當(dāng)采樣電路的檢測信號SC超過保護閾值時，通過硬件電路邏輯切斷斷路器。由U2所構(gòu)成的SR觸發(fā)電路是瞬動電路斷開繼電器的關(guān)鍵，防止繼電器反復(fù)結(jié)合，保持狀態(tài)直到通斷控信號P0對其重置。將此短路瞬時保護電路封裝成觸發(fā)模塊，包括基準電壓U0、檢測信號SC、通斷控信號P0和VCC4個輸入引腳，以及P1端輸出引腳組成。

2.4 瞬動保護電路工作時序

短路瞬動保護電路工作時序如圖5所示。電氣線路從啟動前的初始狀態(tài)A到正常工作狀態(tài)B，然后發(fā)生短路故障C時，觸發(fā)瞬動保護模塊快速切斷線路到D狀態(tài)，然后維持該狀態(tài)直到復(fù)位狀態(tài)E，之后再次正常通電到工作狀態(tài)E，通斷狀態(tài)時序圖中，灰色部分表示線路接通狀態(tài)。

圖5 短路瞬動保護電路工作時序

2.5 故障狀態(tài)顯示、報警電路與鍵盤電路

設(shè)計的報警電路選取LCD1602液晶[10]，采用7線驅(qū)動法，后連1 000 Ω接地電阻，調(diào)試液晶對比度，指令和顯示數(shù)據(jù)經(jīng)過LCD1602的DB4～DB7寫入，顯示系統(tǒng)的故障狀態(tài)信息，包括主控單元運行狀態(tài)、受控點狀態(tài)和智能控制狀態(tài)。另外，系統(tǒng)具備有聲光報警功能，當(dāng)出現(xiàn)故障或者過流時，發(fā)光二極管連續(xù)閃爍同時蜂鳴器報警。鍵盤電路采用單按鍵輸入方式，用于設(shè)定普通斷路器和智能斷路器的功能轉(zhuǎn)換。在系統(tǒng)運行過程中，通過定時中斷檢測按鍵，當(dāng)功能鍵按下超過設(shè)定時長即切換為普通斷路器使用，若需要切換則執(zhí)行相同的操作。

3 智能斷路器的軟件設(shè)計

3.1 電路故障監(jiān)測的軟件算法

汽車電氣設(shè)備連接及斷路器電路故障監(jiān)測功能的軟件算法，在智能斷路器的PIC中央控制單元中完成，軟件算法分為故障狀態(tài)獲取、故障數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送3個環(huán)節(jié)，如圖6所示。將汽車電氣設(shè)備所連接的第i個斷路器電路故障狀態(tài)信息定義為λi,j,n(j=1,2,…，n)，具體定義如表1所示。通過斷路器觸點獲取故障狀態(tài)，再轉(zhuǎn)換成可診斷的狀態(tài)數(shù)據(jù)，再發(fā)送給PIC中央控制單元，判斷故障類型，然后啟動觸發(fā)電路，從而實現(xiàn)設(shè)備斷電保護和報警。

圖6 智能斷路器故障診斷的軟件方案

表1 斷路器電路故障狀態(tài)信息定義

3.2 智能斷路器預(yù)警系統(tǒng)軟件設(shè)計

汽車電氣設(shè)備和線路很多，線路電流會隨著用電負載變化而變化。汽車PIC中央控制單元需要獲取所有用電負載的工作狀態(tài)，依據(jù)負載功率列表[11]，估算各個可控供電線路的工作電流大小，作為智能斷路器的參考電流。在汽車智能供電PIC系統(tǒng)中，可以簡單地將負載看作阻性，認為參考電流與線路電壓成正比，電流監(jiān)測結(jié)果近似等于線路實際電流，通過2個電流的比例大小來判斷是否存在線路故障，從而啟動斷路器保護和預(yù)警功能。

本次設(shè)計的汽車智能斷路器預(yù)警系統(tǒng)，以AVR mega48為PIC中央主控單元，如圖7所示的系統(tǒng)流程，主程序完成對定時器、I/O的初始化，傳感器采樣，讀取E2PROM中的系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)設(shè)定模式進入相應(yīng)的處理程序，產(chǎn)生時序要求的觸發(fā)脈沖，完成動作時序的檢測和控制。當(dāng)汽車產(chǎn)生故障電流，由MOS管電路釋放能量，保持線路通電，同時報警電路發(fā)出警報聲光信號和顯示故障數(shù)據(jù)；當(dāng)故障信號SC大于了基準電壓U0(數(shù)倍于額定電壓)，斷路器保持斷電；只有當(dāng)駕駛員或者維修人員重置控制信號P0之后，系統(tǒng)會重啟斷路器，線路恢復(fù)供電。

圖7 智能斷路器預(yù)警系統(tǒng)主程序流程

4 智能斷路器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

汽車智能斷路器包括傳統(tǒng)繼電器部分和集成控制器部分，外形結(jié)構(gòu)如圖8所示。其中繼電器主體包括鐵芯、線圈、銜鐵、磁軛和銜鐵彈簧等基本組件，下部帶有電源插腳以供接；集成控制器放置到斷路器的插槽內(nèi)，與磁軛之間設(shè)置一個3層的絕緣片，其外層為隔離層，中間層凸起插入磁軛的槽內(nèi)，內(nèi)層凸起嵌入到繼電器線圈架的插槽內(nèi)。這種斷路器結(jié)構(gòu)縮小了占用空間，承受振動性能強，保持了原有汽車繼電器的常見結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品標(biāo)準化程度，方便在不同汽車上安裝和更換。在某混合動力客車上，按照上述設(shè)計實驗條件下，將汽車的HFV7型繼電器替換成設(shè)計的智能斷路器，模擬執(zhí)行電路存在短路故障情況，車用智能斷路器控制了線路通斷，同時通過預(yù)警系統(tǒng)的聲光和數(shù)顯模塊，提示檢測線路存在短路故障。未接智能控制模塊時，由于不能快速切斷線路，在加載故障電流20次左右時，觸頭即遭到燒蝕損壞，如圖9a所示；當(dāng)改用智能斷路器之后，加載故障電流線路通斷500次后，觸頭未見損壞，如圖9b所示。2種情況下，觸頭表面燒蝕形狀對比下明顯差異。

圖8 智能斷路器外形結(jié)構(gòu)

圖9 觸頭表面燒蝕形狀對比

5 結(jié)束語

為了安全快速分斷汽車的故障線路，根據(jù)混合動力汽車斷路器應(yīng)用技術(shù)條件要求，設(shè)計了一種汽車用大直流開關(guān)組合電器，即以AVR mega48為主控制器的組合式智能斷路器及預(yù)警系統(tǒng)。在闡述了智能斷路器工作原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件實現(xiàn)流程，在原HFV7型繼電器結(jié)構(gòu)上嵌入了智能控制模塊。此斷路器能夠有效降低故障過程對斷路器觸頭的燒損，同時可實現(xiàn)故障檢測報警功能。也可應(yīng)用到14 V/42 V雙電壓系統(tǒng)汽車或其他新能源汽車中，提高電氣系統(tǒng)應(yīng)對電流故障的承載容量，實現(xiàn)此類組合開關(guān)功能的集成化、微型化和智能化等優(yōu)點。