分布式汽車電氣控制系統(tǒng)的車載電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式汽車電氣控制系統(tǒng)的車載電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1車載電源管理系統(tǒng)隨著生產(chǎn)線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，汽車電氣系統(tǒng)的總發(fā)展趨勢是分布式管理制度取代了集中管理制度，并越來越多地智能設(shè)備。在這樣的系統(tǒng)中,最后的發(fā)展結(jié)果是電力線束與信號(通信、控制)線束互相獨(dú)立,汽車的電源網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)相對獨(dú)立的系統(tǒng)存在。出于燃油經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和舒適性的原因,車載電力電子設(shè)備廣泛使用,汽車上電器的總功率不斷增加,高端轎車的平均電功率從20世紀(jì)70年代不到500W上升到2005年的3000W,且還在不斷增加,因此汽車用電安全越來越受重視,車載電源的管理問題也越來越重要。車載電源管理系統(tǒng)是今后汽車電氣系統(tǒng)不可缺少的組成部分。本文針對分布式汽車電氣控制系統(tǒng)對車載電源的要求,基于分布式控制和分散控制的思想,提出了一種基于智能繼電器的車載電源管理系統(tǒng),目的在于加強(qiáng)車載用電的安全和管理。2車載電源管理系統(tǒng)2.1車載電力管理系統(tǒng)國內(nèi)外許多學(xué)者提出了未來各種可能的車載電源的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法,未來的車載電源很可能是12V/24V/36V多種電制并存或混合多電制的電力系統(tǒng);未來的車載電力負(fù)載包括各種控制器、車身附件和起動(dòng)機(jī),還可能增加許多現(xiàn)在用機(jī)械來驅(qū)動(dòng)的負(fù)載,比如空調(diào)壓縮機(jī)等。車載電源管理系統(tǒng)在車載電源和車載電力負(fù)載之間,起到對車載電源的管理作用,包括:(1)對蓄電池進(jìn)行SOC檢測,以實(shí)現(xiàn)對蓄電池的虧電保護(hù)。(2)穩(wěn)壓電源輸出,以滿足車載部分特殊控制器對穩(wěn)定電壓的需求。(3)電源控制功能,即對整車電力網(wǎng)絡(luò)的斷開和接合控制。(4)過電流保護(hù)功能,包括對電力網(wǎng)絡(luò)輸電線的短路保護(hù)和用電器過電流保護(hù)。2.2電源管理系統(tǒng)車載電源管理系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示,12V穩(wěn)壓控制模塊,用于輸出12V常通電源和12V可控穩(wěn)定電壓。其中12V常通穩(wěn)壓電源用于車載常通用電器供電,比如某些CPU時(shí)鐘或需要供電的內(nèi)存等,12V可控穩(wěn)定電壓用于行駛狀態(tài)下對需要穩(wěn)定電源的ECU數(shù)字電路部分供電?；魻栯娏鱾鞲衅鱄監(jiān)測蓄電池的充放電電流和電壓,用于估計(jì)蓄電池SOC值。電源管理系統(tǒng)以電源通道的形式給整車電氣系統(tǒng)供應(yīng)電能。每個(gè)通道由1個(gè)智能繼電器進(jìn)行控制。如圖1中智能繼電器R0~Rn,分別對電源通道P0~Pn的電流進(jìn)行控制。2.3繼電器的電路設(shè)計(jì)電源通道是具有電流控制功能并具備過電流保護(hù)功能的電能傳輸通道。智能繼電器實(shí)現(xiàn)了對電源通道的電流控制和電流保護(hù)功能。模擬半導(dǎo)體功率器件,如MOS場效應(yīng)晶體管、IGBT等,由于有諸多優(yōu)點(diǎn),正在取代汽車上傳統(tǒng)的繼電器進(jìn)行電流控制。某些功率半導(dǎo)體器件甚至集成了過電壓、過電流和過熱的保護(hù)功能。但由于半導(dǎo)體功率器件其導(dǎo)通內(nèi)阻較大,焦耳熱效應(yīng)會(huì)引起較大的能量損失,因此在車載大直流電源(幾十安到上百安)開關(guān)控制上的應(yīng)用仍受到限制。本研究選擇了一種普通車用繼電器,在其基礎(chǔ)上添加了一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng),如圖2所示。它包括電壓檢測電路、電流檢測電路、瞬動(dòng)保護(hù)電流和初級線圈驅(qū)動(dòng)電路,此外還有與車載總線通信的總線接口。電流檢測電路包括霍爾傳感器和低通運(yùn)算放大電路兩部分,智能繼電器能實(shí)時(shí)檢測線路上的電流并根據(jù)由總線獲得的參考電流大小實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。智能繼電器采用LIN總線與車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換。普通繼電器具有對一定倍數(shù)的過載電流進(jìn)行分?jǐn)嗟哪芰?但對于短路大電流無法斷開。因此短路保護(hù)仍需要添加短路保護(hù)器件,本研究選擇了雙金屬型自恢復(fù)熔絲作為后備的短路電流保護(hù)器件。3保護(hù)電源通道過載的方法3.1表面活性劑分?jǐn)啾Ｗo(hù)智能繼電器設(shè)置了3個(gè)電流保護(hù)點(diǎn)對電源通道進(jìn)行過電流保護(hù),以實(shí)現(xiàn)各種不同過電流情況的保護(hù),如圖3中A、B、C所示。其中A為短路電流分?jǐn)啾Ｗo(hù)點(diǎn),主要對瞬時(shí)短路電流進(jìn)行分?jǐn)啾Ｗo(hù),依賴圖2所示的車用自恢復(fù)保險(xiǎn);B為基于硬件控制電路的繼電器分?jǐn)啾Ｗo(hù)點(diǎn),對繼電器分?jǐn)嗄芰Ψ秶鷥?nèi)的過載電流進(jìn)行快速分?jǐn)?C是基于單片機(jī)控制的延時(shí)過載保護(hù)點(diǎn),該保護(hù)是一種限時(shí)電流分?jǐn)啾Ｗo(hù),以獲得電源通道保護(hù)的選擇性。由于電源通道同時(shí)供給多個(gè)負(fù)載,發(fā)生在負(fù)載處的過電流必須由負(fù)載對應(yīng)的保護(hù)器件加以切斷,如圖3所示的D處的控制器內(nèi)部保護(hù)點(diǎn),只有在該器件失效的情況下,C處的保護(hù)點(diǎn)才能發(fā)生作用,因此選擇性是必須的。3.2負(fù)載保護(hù)特性目前智能斷路器普遍采用三段式過載保護(hù)特性,即長延時(shí)過載保護(hù)、短延時(shí)過載保護(hù)及短路保護(hù),以獲得良好的選擇性效果。選擇性保護(hù)以實(shí)時(shí)參考電流為依據(jù),并采用長延時(shí)過載保護(hù)和短延時(shí)過載保護(hù)方法。參考電流是根據(jù)車載電器的工作狀態(tài)估計(jì)出的理論上的電源通道中電流的大小,記做IR。參考電流的計(jì)算是將該通道上所有工作中的負(fù)載的額定電流相加得到,智能繼電器可以從車載網(wǎng)絡(luò)的信息中獲得該值。設(shè)電流通道中的實(shí)際電流值為I,設(shè)過電流倍數(shù)為K長延時(shí)過載保護(hù)特性針對在一定范圍內(nèi)長時(shí)間過載的保護(hù),短延時(shí)過載保護(hù)特性適用于過載比較大的情況,這兩種延時(shí)保護(hù)均具有反時(shí)間特性,即電流越大動(dòng)作時(shí)間越短。由于采用了參考電流而非電流通道的額定電流作為判斷的依據(jù),因此延時(shí)保護(hù)曲線僅以過電流倍數(shù)為主要保護(hù)依據(jù)。長延時(shí)和短延時(shí)過載保護(hù)采用模擬斷路器觸頭的發(fā)熱過程的方法,其動(dòng)作時(shí)間T與過電流倍數(shù)K的關(guān)系可以表示為式中K1——起保護(hù)作用過電流倍數(shù);t1,t2——對應(yīng)過電流倍數(shù)下的動(dòng)作延時(shí)。圖4a是本文設(shè)計(jì)的基于參考電流的過載保護(hù)特性曲線,K1、K2、t1和t2可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定;圖3中D處用到一種高分子PTC的熔絲作為負(fù)載的保護(hù)器件,其動(dòng)作曲線如圖4b所示。那么根據(jù)選擇性要求,圖4b中的2條曲線均應(yīng)位于圖4a曲線的下方,過電流倍數(shù)K1和K2分別設(shè)置為1.35和2;延時(shí)參數(shù)t1和t2應(yīng)小于對應(yīng)過電流倍數(shù)下所有控制器內(nèi)保護(hù)延時(shí)的最小值。3.2瞬動(dòng)保護(hù)電路圖3中A、B為短路電流的保護(hù)點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生瞬時(shí)大電流時(shí),在極短時(shí)間內(nèi)需要完成電路切斷,實(shí)際上,基于參考電流的過載保護(hù)一方面由于存在較大的采樣和計(jì)算判斷的間隔,另一方面電器負(fù)載的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電源通道的額定值,因此無法在瞬間起到斷開保護(hù)的作用。普通繼電器的分?jǐn)嗄芰Ψ浅Ｓ邢?而短路電流往往數(shù)倍甚至數(shù)十倍于繼電器額定電流,因此還需要考慮繼電器分?jǐn)嗍〉那闆r。本研究不僅采用了一個(gè)瞬動(dòng)保護(hù)電路來實(shí)現(xiàn)繼電器的分?jǐn)啾Ｗo(hù),而且采用了雙金屬自恢復(fù)保險(xiǎn)作為繼電器分?jǐn)啾Ｗo(hù)失敗的后備保護(hù)器件。瞬動(dòng)保護(hù)電路如圖5所示,U1是霍爾傳感器輸出的實(shí)際電流對應(yīng)的電壓值,U0是瞬動(dòng)保護(hù)動(dòng)作點(diǎn)的基準(zhǔn)電壓。U1經(jīng)RC濾波和跟隨器后與U0進(jìn)行比較,若U1超過U0,則比較器輸出低電平信號,使R&D觸發(fā)器的Q端輸出低電平,這樣光隔離器截止,場效應(yīng)晶體管也截止,達(dá)到控制繼電器斷開的目的。斷開后盡管繼電器電流返回到零,U1返回到小于U0的狀態(tài),但由于R&D觸發(fā)器的狀態(tài)鎖存作用,光隔離器和場效應(yīng)晶體管仍然保持截止,直到單片機(jī)的控制信號P0對上述電路作出復(fù)位為止。瞬動(dòng)保護(hù)電路動(dòng)作延時(shí)由如下幾個(gè)部分組成:(a)RC濾波環(huán)節(jié),它是一階慣性環(huán)節(jié),其延時(shí)tRC為式中,TRC=R×C,是RC環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。濾波環(huán)節(jié)的延時(shí)取決于過電流倍數(shù)和時(shí)間常數(shù);(b)霍爾電流傳感器的響應(yīng)時(shí)間,約為O(×10-6)s;(c)R&D觸發(fā)器的響應(yīng)時(shí)間,為O(×10-9)s;(f)繼電器的斷開延時(shí),為2×10-3s。根據(jù)分析,與(a)和(f)相比,(b)~(e)環(huán)節(jié)的延遲均可忽略不計(jì),因此瞬動(dòng)保護(hù)電路延時(shí)tIPC為自恢復(fù)保險(xiǎn)作為后備保護(hù),其額定電流大小等于電源通道的額定電流,保證在電源通道額定電流下持續(xù)工作。4基于供電管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和應(yīng)用4.1穩(wěn)壓電源輸出圖6所示是本研究設(shè)計(jì)的電源管理系統(tǒng)原型樣機(jī)。12V穩(wěn)壓電源輸出直接采用DC/DC穩(wěn)壓模塊輸出,并有蓄電池的充放電電流測量。該系統(tǒng)有5路50A和2路100A的電源通道。4.2過電流個(gè)數(shù)的確定選擇性過載保護(hù)算法基于8位單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)對電源通道電流進(jìn)行采樣,設(shè)采樣周期為TS,同時(shí)從車載網(wǎng)絡(luò)接收參考電流。由式(1)計(jì)算第i時(shí)刻的過電流倍數(shù)為Ki,由式(2)計(jì)算得到對應(yīng)的保護(hù)延時(shí)為Ti,定義剩余時(shí)間比τi為該時(shí)刻距離發(fā)生保護(hù)動(dòng)作的時(shí)間t與當(dāng)前電流對應(yīng)的理論延時(shí)的比電流保護(hù)動(dòng)作的算法過程為當(dāng)距離發(fā)生保護(hù)動(dòng)作時(shí)間t滿足下列關(guān)系時(shí)保護(hù)動(dòng)作發(fā)生,即控制繼電器斷開即距離保護(hù)動(dòng)作剩余時(shí)間不到1個(gè)采樣周期時(shí),在該周期內(nèi)發(fā)生保護(hù)動(dòng)作。根據(jù)控制器內(nèi)部保護(hù)器件的特點(diǎn),過電流倍數(shù)K1和K2分別設(shè)置為1.35和2;t1和t2分別取45s和5s。4.3電源通道電流的檢測電流保護(hù)功能的測試采用AV-900型電池測試設(shè)備,對蓄電池進(jìn)行固定倍率定時(shí)放電,以模擬過載和短路電流。利用Canalyzer模擬車載網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,輸入?yún)⒖茧娏?同時(shí)將智能繼電器測得的實(shí)際電流值輸出到總線上,達(dá)到監(jiān)測目的。對電源通道進(jìn)行過載電流測試,通過CAN總線輸入智能繼電器的參考電流為10A,設(shè)定AV—900電柜放電參數(shù)為15A—60s和25A—60s,其結(jié)果如圖7所示。當(dāng)過載系數(shù)為1.5和2.5時(shí),智能繼電器分別在36s和3.2s后進(jìn)行了分?jǐn)?符合3.2節(jié)中設(shè)定的選擇性保護(hù)延時(shí)要求。對額定電流為50A的電源通道進(jìn)行短路電流測試,設(shè)定AV—900電柜放電參數(shù)為100A—1s和150A—1s,對電源通道電流的檢測結(jié)果如圖8所示。從實(shí)驗(yàn)看出,繼電器雖然不具備分?jǐn)啻箅娏鞯哪芰?但是由于瞬動(dòng)保護(hù)電路的作用,電流在上升的過程中已被分?jǐn)?分?jǐn)鄷r(shí)電流為預(yù)計(jì)的額定電流。此時(shí)自恢復(fù)保險(xiǎn)(即圖3中A處的保護(hù))尚未起作用,也就是說一旦繼電器分?jǐn)嗖怀晒?短路保護(hù)仍然有效。4.4基于碳質(zhì)系統(tǒng)的功率負(fù)載分配該電源管理系統(tǒng)樣機(jī)已用于某豪華旅游客車上。該客車的分布式電氣系統(tǒng)包括1個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)(23個(gè)CAN節(jié)點(diǎn))和6個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)。分布式電氣系統(tǒng)的電源網(wǎng)絡(luò)如圖9所示,其中C1~C10為CAN網(wǎng)絡(luò)上的功率需求點(diǎn),L1~L6是LIN網(wǎng)絡(luò)上的功能需求點(diǎn)。利用該電源管理系統(tǒng),對整車的功率負(fù)載分配,見下表。整車所有電能均來自電源管理系統(tǒng),該系統(tǒng)能持續(xù)正常工作。5試驗(yàn)用電流過電流保護(hù)電路本文根據(jù)汽車分布式系統(tǒng)對