分布式汽車電氣控制系統(tǒng)的車載電源管理系統(tǒng)設計

分布式汽車電氣控制系統(tǒng)的車載電源管理系統(tǒng)設計

1車載電源管理系統(tǒng)隨著生產(chǎn)線技術的廣泛應用，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)線束互相獨立,汽車的電源網(wǎng)絡作為一個相對獨立的系統(tǒng)存在。出于燃油經(jīng)濟性、動力性和舒適性的原因,車載電力電子設備廣泛使用,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)外許多學者提出了未來各種可能的車載電源的結(jié)構(gòu)和設計方法,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);未來的車載電力負載包括各種控制器、車身附件和起動機,還可能增加許多現(xiàn)在用機械來驅(qū)動的負載,比如空調(diào)壓縮機等。車載電源管理系統(tǒng)在車載電源和車載電力負載之間,起到對車載電源的管理作用,包括:(1)對蓄電池進行SOC檢測,以實現(xiàn)對蓄電池的虧電保護。(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)絡的斷開和接合控制。(4)過電流保護功能,包括對電力網(wǎng)絡輸電線的短路保護和用電器過電流保護。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)供應電能。每個通道由1個智能繼電器進行控制。如圖1中智能繼電器R0~Rn,分別對電源通道P0~Pn的電流進行控制。2.3繼電器的電路設計電源通道是具有電流控制功能并具備過電流保護功能的電能傳輸通道。智能繼電器實現(xiàn)了對電源通道的電流控制和電流保護功能。模擬半導體功率器件,如MOS場效應晶體管、IGBT等,由于有諸多優(yōu)點,正在取代汽車上傳統(tǒng)的繼電器進行電流控制。某些功率半導體器件甚至集成了過電壓、過電流和過熱的保護功能。但由于半導體功率器件其導通內(nèi)阻較大,焦耳熱效應會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)開關控制上的應用仍受到限制。本研究選擇了一種普通車用繼電器,在其基礎上添加了一個單片機控制系統(tǒng),如圖2所示。它包括電壓檢測電路、電流檢測電路、瞬動保護電流和初級線圈驅(qū)動電路,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算放大電路兩部分,智能繼電器能實時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現(xiàn)過載保護。智能繼電器采用LIN總線與車載網(wǎng)絡進行信息交換。普通繼電器具有對一定倍數(shù)的過載電流進行分斷的能力,但對于短路大電流無法斷開。因此短路保護仍需要添加短路保護器件,本研究選擇了雙金屬型自恢復熔絲作為后備的短路電流保護器件。3保護電源通道過載的方法3.1表面活性劑分斷保護智能繼電器設置了3個電流保護點對電源通道進行過電流保護,以實現(xiàn)各種不同過電流情況的保護,如圖3中A、B、C所示。其中A為短路電流分斷保護點,主要對瞬時短路電流進行分斷保護,依賴圖2所示的車用自恢復保險;B為基于硬件控制電路的繼電器分斷保護點,對繼電器分斷能力范圍內(nèi)的過載電流進行快速分斷;C是基于單片機控制的延時過載保護點,該保護是一種限時電流分斷保護,以獲得電源通道保護的選擇性。由于電源通道同時供給多個負載,發(fā)生在負載處的過電流必須由負載對應的保護器件加以切斷,如圖3所示的D處的控制器內(nèi)部保護點,只有在該器件失效的情況下,C處的保護點才能發(fā)生作用,因此選擇性是必須的。3.2負載保護特性目前智能斷路器普遍采用三段式過載保護特性,即長延時過載保護、短延時過載保護及短路保護,以獲得良好的選擇性效果。選擇性保護以實時參考電流為依據(jù),并采用長延時過載保護和短延時過載保護方法。參考電流是根據(jù)車載電器的工作狀態(tài)估計出的理論上的電源通道中電流的大小,記做IR。參考電流的計算是將該通道上所有工作中的負載的額定電流相加得到,智能繼電器可以從車載網(wǎng)絡的信息中獲得該值。設電流通道中的實際電流值為I,設過電流倍數(shù)為K長延時過載保護特性針對在一定范圍內(nèi)長時間過載的保護,短延時過載保護特性適用于過載比較大的情況,這兩種延時保護均具有反時間特性,即電流越大動作時間越短。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),因此延時保護曲線僅以過電流倍數(shù)為主要保護依據(jù)。長延時和短延時過載保護采用模擬斷路器觸頭的發(fā)熱過程的方法,其動作時間T與過電流倍數(shù)K的關系可以表示為式中K1——起保護作用過電流倍數(shù);t1,t2——對應過電流倍數(shù)下的動作延時。圖4a是本文設計的基于參考電流的過載保護特性曲線,K1、K2、t1和t2可根據(jù)實際情況設定;圖3中D處用到一種高分子PTC的熔絲作為負載的保護器件,其動作曲線如圖4b所示。那么根據(jù)選擇性要求,圖4b中的2條曲線均應位于圖4a曲線的下方,過電流倍數(shù)K1和K2分別設置為1.35和2;延時參數(shù)t1和t2應小于對應過電流倍數(shù)下所有控制器內(nèi)保護延時的最小值。3.2瞬動保護電路圖3中A、B為短路電流的保護點。當發(fā)生瞬時大電流時,在極短時間內(nèi)需要完成電路切斷,實際上,基于參考電流的過載保護一方面由于存在較大的采樣和計算判斷的間隔,另一方面電器負載的電流遠遠小于電源通道的額定值,因此無法在瞬間起到斷開保護的作用。普通繼電器的分斷能力非常有限,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斷失敗的情況。本研究不僅采用了一個瞬動保護電路來實現(xiàn)繼電器的分斷保護,而且采用了雙金屬自恢復保險作為繼電器分斷保護失敗的后備保護器件。瞬動保護電路如圖5所示,U1是霍爾傳感器輸出的實際電流對應的電壓值,U0是瞬動保護動作點的基準電壓。U1經(jīng)RC濾波和跟隨器后與U0進行比較,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,場效應晶體管也截止,達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,光隔離器和場效應晶體管仍然保持截止,直到單片機的控制信號P0對上述電路作出復位為止。瞬動保護電路動作延時由如下幾個部分組成:(a)RC濾波環(huán)節(jié),它是一階慣性環(huán)節(jié),其延時tRC為式中,TRC=R×C,是RC環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。濾波環(huán)節(jié)的延時取決于過電流倍數(shù)和時間常數(shù);(b)霍爾電流傳感器的響應時間,約為O(×10-6)s;(c)R&D觸發(fā)器的響應時間,為O(×10-9)s;(f)繼電器的斷開延時,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,因此瞬動保護電路延時tIPC為自恢復保險作為后備保護,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)的設計、驗證和應用4.1穩(wěn)壓電源輸出圖6所示是本研究設計的電源管理系統(tǒng)原型樣機。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過電流個數(shù)的確定選擇性過載保護算法基于8位單片機來實現(xiàn)。單片機對電源通道電流進行采樣,設采樣周期為TS,同時從車載網(wǎng)絡接收參考電流。由式(1)計算第i時刻的過電流倍數(shù)為Ki,由式(2)計算得到對應的保護延時為Ti,定義剩余時間比τi為該時刻距離發(fā)生保護動作的時間t與當前電流對應的理論延時的比電流保護動作的算法過程為當距離發(fā)生保護動作時間t滿足下列關系時保護動作發(fā)生,即控制繼電器斷開即距離保護動作剩余時間不到1個采樣周期時,在該周期內(nèi)發(fā)生保護動作。根據(jù)控制器內(nèi)部保護器件的特點,過電流倍數(shù)K1和K2分別設置為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功能的測試采用AV-900型電池測試設備,對蓄電池進行固定倍率定時放電,以模擬過載和短路電流。利用Canalyzer模擬車載網(wǎng)絡環(huán)境,輸入?yún)⒖茧娏?同時將智能繼電器測得的實際電流值輸出到總線上,達到監(jiān)測目的。對電源通道進行過載電流測試,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。當過載系數(shù)為1.5和2.5時,智能繼電器分別在36s和3.2s后進行了分斷,符合3.2節(jié)中設定的選擇性保護延時要求。對額定電流為50A的電源通道進行短路電流測試,設定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。從實驗看出,繼電器雖然不具備分斷大電流的能力,但是由于瞬動保護電路的作用,電流在上升的過程中已被分斷,分斷時電流為預計的額定電流。此時自恢復保險(即圖3中A處的保護)尚未起作用,也就是說一旦繼電器分斷不成功,短路保護仍然有效。4.4基于碳質(zhì)系統(tǒng)的功率負載分配該電源管理系統(tǒng)樣機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CAN網(wǎng)絡(23個CAN節(jié)點)和6個LIN網(wǎng)絡。分布式電氣系統(tǒng)的電源網(wǎng)絡如圖9所示,其中C1~C10為CAN網(wǎng)絡上的功率需求點,L1~L6是LIN網(wǎng)絡上的功能需求點。利用該電源管理系統(tǒng),對整車的功率負載分配,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試驗用電流過電流保護電路本文根據(jù)汽車分布式系統(tǒng)對