一種專用車輛智能配電模塊的設(shè)計

孫 進，彭卿豪，許海川，任淮北

一種專用車輛智能配電模塊的設(shè)計

孫 進1，彭卿豪2，許海川1，任淮北1

（1.徐州徐工環(huán)境技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221000；2.株洲嘉成科技發(fā)展股份有限公司，湖南 株洲 412000）

論文通過對專用車輛控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢的分析，總結(jié)出智能配電系統(tǒng)研發(fā)的意義和解決的問題，結(jié)合實際應(yīng)用分析了智能配電模塊的硬件架構(gòu)和系統(tǒng)實現(xiàn)，通過利用電子開關(guān)代替繼電器和保險絲，實現(xiàn)模塊的智能配電和故障診斷功能，并采用控制器局域網(wǎng)（CAN）總線通訊技術(shù)與主系統(tǒng)進行通訊。所研發(fā)的智能配電模塊滿足相應(yīng)的技術(shù)指標和應(yīng)用需求，很大程度上優(yōu)化了配電的效率和安全性能，具有智能化程度高、維護性好、通用性強等特點，該模塊的研發(fā)也是未來實現(xiàn)無人駕駛的一個重要基礎(chǔ)。

專用車輛控制系統(tǒng)；智能配電模塊；STM32；狀態(tài)采集；CAN總線

電子信息技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，推動了專用車輛電控技術(shù)的升級換代。從技術(shù)發(fā)展趨勢來看，主要體現(xiàn)為專用車輛電控系統(tǒng)將向集成化、人性化、信息化、自動化和高可靠性方向發(fā)展。由于配電系統(tǒng)負責專用車輛的電源供給，是整個控制系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，因此，專用車輛配電系統(tǒng)的智能化升級具有舉足輕重的作用。目前國內(nèi)專用車輛配電系統(tǒng)基本上采用兩種形式，一種是傳統(tǒng)機電式繼電器和保險絲架構(gòu)，另一種是工業(yè)控制器（如西門子、臺達等品牌）控制繼電器配電，并融合保險絲過載保護的構(gòu)架，由于工業(yè)控制器的驅(qū)動能力有限，無法直接驅(qū)動大功率器件，雖然較第一方式在控制的靈活性和布線的簡潔性方面有所提升，但仍然脫離不了中間繼電器的使用。由于繼電器和保險絲本身的特性如體積過于龐大，接線復(fù)雜、電磁干擾等問題，使其具有功能性受限的不足，無法實現(xiàn)智能控制、智能診斷、過載保護不全面等問題，整個系統(tǒng)能耗高、效率低，出現(xiàn)故障后維護難度大、成本高。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在可以用一個芯片來取代繼電器、保險絲、繼電器驅(qū)動器、電纜和連接器等眾多部件。智能配電模塊旨在利用半導(dǎo)體芯片解決目前專用車輛傳統(tǒng)配電方式無法實現(xiàn)智能控制、智能診斷、過載保護不全面的問題，對部分核心信號實現(xiàn)供電保護、狀態(tài)診斷、智能控制等，同時又兼具傳統(tǒng)配電方式的良好性價比。

智能配電模塊的研究，對整車電源進行智能管理，提高能源的利用效率，針對短路、過溫、過載、過壓、接地或電池連接失效的保護功能，確保系統(tǒng)安全可靠運行。實現(xiàn)總線化控制，優(yōu)化系統(tǒng)布線，節(jié)省空間，提高系統(tǒng)運行效率。利用微控制檢測故障信息并顯示，達到信息的可視化，是未來實現(xiàn)無人駕駛的一個關(guān)鍵要素。

1 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

本智能配電模塊的硬件架構(gòu)如圖1所示。

本模塊系統(tǒng)具有34路電源輸出功能，其中19路采用保險絲直接輸出方式，驅(qū)動電流最大為10 A，并在保險絲兩端設(shè)置電平采集，實時監(jiān)控保險絲的運行狀態(tài)。有15路采用電子開關(guān)代替繼電器，通過軟件配置輸出，驅(qū)動能力分別為10 A（13路）、20 A（2路），其中10 A（9路）可配置為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）輸出，對輸出進行分級精準控制。電子開關(guān)都具有輸出短路、過載保護、狀態(tài)診斷及智能控制功能。

圖1 智能配電模塊的硬件架構(gòu)

注：CAN：控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network）；MCU：電機控制單元（Motor Control Unit）。

配有1個紅綠藍（Red, Green, Blue, RGB）三色系統(tǒng)狀態(tài)指示燈，直觀地反映系統(tǒng)運行模式。初始化狀態(tài)紅色燈以1 Hz頻率閃爍；預(yù)操作狀態(tài)藍色燈以1 Hz頻率閃爍；操作狀態(tài)綠燈以1 Hz頻率閃爍；停止狀態(tài)藍燈以5 Hz頻率閃爍；連接狀態(tài)綠燈以5 Hz頻率閃爍；斷開連接紅燈亮，這些狀態(tài)對應(yīng)CANopen的狀態(tài)。

輸出端口采用國內(nèi)知名品牌彈簧式接線端子，單pin持續(xù)輸出電流最大可達24 A，彈簧式接線方式為用戶接線提供快捷和方便，安全可靠。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 主控單元的選型

智能配電模塊對整車控制至關(guān)重要，對主控單元的可靠性要求高，需要具備CAN、串行外設(shè)接口（Serial Perripheral Interface, SPI）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog to Digital Converter, ADC）、輸出控制、大量數(shù)據(jù)采集等功能。綜合考量選中STM32系列芯片作為主控單元，該芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer, RISC）內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器（高達256 K字節(jié)的閃存和64 K字節(jié)的靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory, SRAM），豐富的增強I/O端口，包含標準的通信接口（2個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口、1個USB OTG全速接口、5個USART接口和2個CAN接口），2個12位的ADC和4個通用16位定時器（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示）[1]。

圖2 STM32系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 電源系統(tǒng)

智能配電模塊的電源系統(tǒng)采用了開關(guān)型穩(wěn)壓電源，可以克服車載蓄電池欠壓、過壓、浪涌、尖峰電壓和電源電壓波動所帶來的影響[2]。開關(guān)電源前端采用瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor, TVS）抑制電源反壓和瞬時過壓。此外，還在電路中采用低通濾波器濾除高次諧波改善電源波形，利用小電感和大電容減小電路感生電動勢，如圖3所示。該配電模塊滿足國家強制標準《道路車輛電磁兼容性要求和試驗方法》（GB 34660—2017）。

2.3 電源監(jiān)視系統(tǒng)

采用電源監(jiān)視芯片IMP811SEUS-T，此芯片具有低功耗的特點，用于實時監(jiān)視主控單元電源系統(tǒng)，本系統(tǒng)未接手動復(fù)位信號，當系統(tǒng)電源出現(xiàn)故障時，即通過芯片2號針腳向STM32發(fā)出低電平復(fù)位信號，可以有效保證系統(tǒng)運行正常，如圖4所示。

2.4 輸出驅(qū)動系統(tǒng)

智能配電模塊以傳統(tǒng)配電盒為基礎(chǔ)，增加嵌入式智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)控制模塊的總線化控制、總線化診斷，減少接線，優(yōu)化布線，對關(guān)鍵信號通過使用電子開關(guān)替代繼電器實現(xiàn)過載保護。相比于繼電器，電子開關(guān)具有更多功能、更高效率和更高的可靠性。電子開關(guān)可以耐受灰塵、沖擊和振動，在元器件貼裝和裝配時實現(xiàn)更高水平的靈活性。繼電器的壽命一般在105～106次[3]，而電子開關(guān)的使用壽命會大大增加，單脈沖能量處理能力高達3 000 MJ，對于重復(fù)脈沖則達到550 MJ，在許多情況下，可以通過去除之前必須的續(xù)流二極管，從而降低系統(tǒng)成本。

圖3 電源電路

圖4 電源監(jiān)控電路

由于有電弧產(chǎn)生，機械開關(guān)的觸點會溶蝕甚至粘連[4-5]，在高開關(guān)頻率和高感性負載下繼電器會受到限制，電子開關(guān)可以利用其對能量的處理能力來防止。此外，電子開關(guān)支持低速（大約100 Hz）脈寬調(diào)制，實現(xiàn)智能電源管理，控制負載的電流，這是一個重要的方面，因為在許多負載必須并聯(lián)配置情況下，需要考慮越來越高的功率需求和潛在的限制條件。

電子開關(guān)在過載方面的性能是一個顯著的優(yōu)勢，當保險絲有缺陷時，相關(guān)裝置不可用，但電子開關(guān)可以通過軟件配置并重新激活。其能耐受超過100萬次短路，并滿足AEC-Q100 Grade A規(guī)范的嚴格要求。此外，繼電器會產(chǎn)生一定的噪聲，而電子開關(guān)在動作時是無聲的。

在系統(tǒng)層面，專用車輛上越來越多的應(yīng)用模塊和以人性化主導(dǎo)的功能趨勢是配電系統(tǒng)面臨的重大挑戰(zhàn)。基于集中式繼電器/保險絲和復(fù)雜線束的經(jīng)典架構(gòu)將走向終點，新架構(gòu)將取而代之。在這方面，電子開關(guān)具有明顯的優(yōu)勢，因為它們能實現(xiàn)基于多個多重智能配電中心的靈活、分散式架構(gòu)。保險絲沒有這種潛力，出于維護原因，它們只能置于易接近的區(qū)域。這種分散式架構(gòu)具有三大優(yōu)勢：（1）線束大大簡化，線纜數(shù)量減少，長度縮短；（2）可節(jié)省空間，因為電子開關(guān)的體積要比繼電器盒或保險絲盒小得多；（3）可增大容量，因為損耗降低、電流密度增加。

電子開關(guān)的動作快，繼電器典型動作時間在10 ms，而電子開關(guān)的動作時間只需100 μs。此外，電子開關(guān)本身具備完善的防護功能（如圖5所示）：過載、過壓、短路、限流保護等，不會燒毀。與此同時，電子開關(guān)可以反饋流經(jīng)開關(guān)的電流，為線路狀態(tài)診斷提供有效信息。

圖5 電子開關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該模塊選用英飛凌的電子開關(guān)芯片（如圖6—圖8所示）來替代繼電器，根據(jù)驅(qū)動能力要求選取合適的電子開關(guān)，這些開關(guān)均可通過主控單元進行控制輸出，并具有輸出狀態(tài)（短路、斷路）信息反饋，自帶保護功能，在電子開關(guān)輸出端增加續(xù)流二極管，避免在驅(qū)動感性負載時的反向電動勢對電路的損壞。

圖6 電子開關(guān)電路1

圖7 電子開關(guān)電路2

圖8 電子開關(guān)電路3

另外，該模塊還預(yù)留兩路繼電器作為干節(jié)點輸出，單個繼電器輸出電流能力可達20 A，可供用戶靈活配置使用。

2.5 狀態(tài)采集系統(tǒng)

電子開關(guān)輸出具有短路、過載保護功能，并反饋電平或電流信息給主控單元進行狀態(tài)診斷及智能控制，通過對保險絲兩端進行電平采集，實現(xiàn)保險絲狀態(tài)診斷。為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用專用芯片TIC10024對電路各關(guān)鍵點的輸出狀態(tài)（輸出口的高低電平）進行采集（如圖9所示），該芯片可以監(jiān)控多達24個直接開關(guān)輸入，開關(guān)輸入可承受高達40 V的電壓，其中10路可配置為連接到地或電池的開關(guān)，每個輸入通道有6個獨特的濕電流設(shè)置。輸入引腳上可承受±8 kV接觸靜電放電，符合ISO 10605標準。

2.6 通訊系統(tǒng)

數(shù)據(jù)通信方面，智能配電模塊采用專用CAN 2.0B接口芯片（如圖10所示），配置120 Ω終端電阻，最高通信速率可以達到1 Mb/s，實時將主控單元采集到的數(shù)據(jù)傳送至主系統(tǒng)，并接收處理主系統(tǒng)的指令，對配電模塊進行智能控制。

本模塊采用CANopen應(yīng)用協(xié)議，相關(guān)標準參照CIA-DS301 Application Layer and Communicat- ion Profile V4.02和CIA-DS401 Device Profile for Generic I/O Modules V2.1。采用快速服務(wù)數(shù)據(jù)對象（Service Data Obiect, SDO）協(xié)議直接訪問CANopen設(shè)備對象字典，SDO協(xié)議是“服務(wù)器客戶端”的通信模型，也就是客戶端向指定的（指定Node-ID）服務(wù)器發(fā)出請求，服務(wù)器給出應(yīng)答。在CANopen網(wǎng)絡(luò)中，本模塊作為服務(wù)器，接收主站（客戶端）的請求并應(yīng)答。符合CIA301規(guī)范，本模塊（服務(wù)器）響應(yīng)SDO數(shù)據(jù)的默認CAN-ID為0x580+$NODEID，接收SDO數(shù)據(jù)的默認CAN-ID為0x600+$NODEID[6]，如表1、表2所示。

圖9 狀態(tài)采集電路

圖10 CAN總線接口電路

表1 CANopen對象字典

表2 SDO數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

本模塊的默認node-ID是0x1，所以主站可以以0x601的CAN-ID發(fā)送請求數(shù)據(jù)，以0x581的CAN-ID應(yīng)答。以廠商ID標識為例來描述數(shù)據(jù)傳輸格式，如表3—表5所示。

表3 廠商ID標識

表4 參數(shù)讀取報文發(fā)送

表5 應(yīng)答報文接收

注：0x4F表示接到一個字節(jié)。

3 測試與結(jié)論

本模塊已經(jīng)在專用車輛上進行聯(lián)合調(diào)試和試運行測試（模塊如圖11所示），各項性能指標均可達到用戶需求，且運行穩(wěn)定，具體指標如表6所示。智能診斷和過載保護方面的測試均有進行相關(guān)模擬測試，各關(guān)鍵節(jié)點診斷及過載保護快速準確。在線束連接方面，輸出線束在傳統(tǒng)配電模塊的基礎(chǔ)上不變，由于智能配電模塊輸入信號的線束是直接通過CAN總線進行傳輸，所以輸入信號的線束直接可以省掉。在成本方面，智能配電模塊相對稍微高點，但增幅基本上可以控制在20%以內(nèi)。

圖11 模塊實物圖

表6 模塊性能指標

4 應(yīng)用前景

本課題研發(fā)的專用車輛智能配電模塊，實現(xiàn)了對車輛的電源系統(tǒng)的高效智能管理，具有短路和過載保護及相應(yīng)故障指示。同步提升了電控系統(tǒng)的可靠性和維修性，并具有通用性，可以在不同類型的專用車輛上推廣應(yīng)用。另外，由于本模塊開發(fā)了通信功能，能將智能配電模塊的狀態(tài)信息和故障信息通過CAN總線傳輸至主控模塊或上位機，也為故障的遠程診斷和無人駕駛奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，順應(yīng)了專用車輛智能化作業(yè)和信息化管理的發(fā)展趨勢。

[1] 意法-ST.STM32F103RB[EB/OL].（2021-05-11）[2022-11-02].www.semiee.com/5c4d6c5a-4c21-b28e-49112 24b1f60.html.

[2] 張慶,李小珊.車載蓄電池虧電電壓閾值的研究[J].汽車實用技術(shù),2021,46(17):8-10.

[3] 張蓉,王少軍,張碧娟,等.繼電器的額定壽命與可靠度[J].電子測試,2017(8):32-33.

[4] 張昆華,管偉明,孫加林,等.AgSnO2電接觸材料的制備和直流電弧侵蝕形貌特征[J].稀有金屬材料與工程,2005,34(6):924-927.

[5] 王海濤,景芹,趙靖英.Ag/SnO2電-La2O3-Bi2O3觸頭材料研究[J].稀有金屬材料與工程,2005,34(10):1666- 1668.

[6] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2001.

Design of a Special Vehicle Intelligent Power Distribution Module

SUN Jin1, PENG Qinghao2, XU Haichuan1, REN Huaibei1

( 1.Xuzhou XCMG Environmental Technology Company Limited, Xuzhou 221000, China;2.Zhuzhou Jiacheng Technology Development Company Limited, Zhuzhou 412000, China )

This paper analyzes the development trend of special vehicle control system technology. The significance and problems of intelligent power distribution system research and development are summarized. Combined with practical application,the hardware architecture and system imple- mentation of intelligent power distribution module are analyzed. By using electronic switches instead of relays and fuses, realized the intelligent power distribution and fault diagnosis function of the module. Controller Area Network(CAN) bus communication technology is used to communicate with the main system. The module meets the corresponding technical indicators and application requirements. The efficiency and safety performance of power distribution are optimized to a great extent. It has the characteristics of high intelligence, good maintainability and strong universality. The research and development of this module is also an important foundation for realizing unmanned driving in the future.

Special vehicle control system;Intelligent power distribution module;STM32; Status acquisition; CAN bus

U463.6

A

1671-7988(2022)23-127-08

U463.6

A

1671-7988(2022)23-127-08

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.023.024

孫進（1981—），男，高級工程師，研究方向為環(huán)衛(wèi)機械自動化控制，E-mail:179490362@qq.com。