鄭 毅，卓 勛，李 偉，周小輝

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

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

1 電源控制盒開發(fā)方案

基于CAN總線技術(shù)的客車智能化電源控制盒，可以實現(xiàn)：監(jiān)測蓄電池充放電電流和發(fā)電機(jī)發(fā)電電流；監(jiān)測起動電流以保證安全起動，蓄電池SOC估算，通過CAN總線技術(shù)在儀表實時顯示上述測量數(shù)據(jù)，并對蓄電池、發(fā)動機(jī)、起動機(jī)進(jìn)行有效控制［1］。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷車輛的故障并適時報警，以提高整車電氣系統(tǒng)安全性。電源控制盒開發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。

2 電源控制盒硬件方案

圖1 電源控制盒開發(fā)技術(shù)路線圖

電源控制盒（型號：JKH2029）硬件主要包含兩部分，分別是電磁開關(guān)系統(tǒng)和主控板ECU系統(tǒng)，如圖2所示。其中，電磁開關(guān)系統(tǒng)包括：整車電源總開關(guān)、起動開關(guān)、整車電源繼電器、起動繼電器、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輛點火鎖置于ON擋時開始工作，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)主控板開始工作后，控制電源模塊自鎖，即ON擋作為主控板開始運(yùn)行的觸發(fā)信號；待車輛停車后，將鑰匙置于OFF擋時，主控板處理完相應(yīng)的數(shù)據(jù)，控制電源模塊斷電。通過該電源模塊，主控板在不需要其工作的時候自動關(guān)機(jī)，減少了不必要的電能損耗，減少了客車停車期間的蓄電池放電量［5］。同時，該模塊可以實現(xiàn)瞬態(tài)電壓抑制保護(hù)，電流過流保護(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)送和接收報文功能［6］。同時其輸出端采用共模濾波電路，具有較強(qiáng)的抗EMI能力。

3）信號隔離模塊可以實現(xiàn)主控板I/O信號與電源控制盒電路的隔離［2］。通過該模塊，主控板可以檢測到整車電源繼電器、起動電源繼電器、起動繼電器和ON擋繼電器的閉合和斷開情況［7］。同時也可通過該模塊，控制整車電源繼電器、起動電源繼電器、起動繼電器斷開。

4）17路外部接口電路主要用于外接檢測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 主要控制功能及實現(xiàn)方法

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

3.1 整車電流監(jiān)測

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

表1 鉗流表測量值與芯片測量值對比表

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，該算法為基于開路電壓法和安時積分法融合的SOC估計算法，該算法的特點：在SOC初始化過程，考慮開路電壓、停機(jī)前電池充放電狀態(tài)、停機(jī)時間3個因素的影響；在實時SOC計算過程中，采集蓄電池電壓、充放電電流、運(yùn)用剩余電量算法計算電池剩余電量［9］。就鉛酸蓄電池而言，在其性能完全穩(wěn)定的時候，其開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，項目采用某國產(chǎn)品牌2塊串聯(lián)的12 V/200 Ah鉛酸蓄電池進(jìn)行實驗，測量其開路電壓與剩余容量的關(guān)系［3］，實驗結(jié)果見表2。

表2 開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”，此時不能通過其開路電壓來確定其實際剩余電量。第1次實驗中，將電池釋放電量10%以上，并靜置8 h以上，確保電池開路電壓為“實”，且達(dá)到充分的穩(wěn)定。通過開路電壓法，確定此時的剩余電量，此時的誤差認(rèn)為0。在第2～9次實驗中，對電池進(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%。對比計算值與實際值，其誤差在3%以內(nèi)，符合應(yīng)用要求。

3.3 車輛過壓、欠壓監(jiān)測

監(jiān)測總電源的電壓，當(dāng)電壓高于32 V或低于23.5 V時通過CAN總線向儀表發(fā)出報警；當(dāng)車輛未起動時，報警超過4 min會自動切斷電源總開關(guān)（整車電源繼電器），當(dāng)重新將鑰匙開關(guān)置于ON擋，可以重新接通電源總開關(guān)4 min，儀表會提示駕駛員盡快起動［4］。

3.4 車輛起動機(jī)過流監(jiān)測

當(dāng)起動發(fā)動機(jī)時，檢測起動電流是否異常，發(fā)現(xiàn)起動電流異常時，系統(tǒng)進(jìn)入起動保護(hù)狀態(tài)——自動切斷起動電源，并通過儀表顯示并保留起動故障信息。

該系統(tǒng)通過對車載蓄電池電壓、蓄電池充放電電流、用電器工作電流、起動機(jī)起動電流等信息的實時監(jiān)測［4］。

3.5 電源信息在線顯示

通過對車載蓄電池電壓、蓄電池充放電電流、起動機(jī)起動電流、發(fā)動機(jī)參數(shù)和各熔斷器等的實時監(jiān)測，并將相關(guān)的信息通過CAN總線發(fā)送至儀表顯示［10］，能有效地控制車輛的起動過程和實現(xiàn)發(fā)動機(jī)與起動機(jī)的狀態(tài)保護(hù)、車輛的正常運(yùn)行。因此，具有CAN總線監(jiān)控功能的電源開關(guān)盒，能更好地指導(dǎo)用戶用車。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文介紹了一種新型智能化電源控制盒，通過該裝置對車輛電源電流、電壓，蓄電池SOC值等參數(shù)監(jiān)測及控制，與CAN總線結(jié)合的監(jiān)測、控制、處理等技術(shù)，使得車輛電源系統(tǒng)在安全預(yù)測、報警、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)信息實時動態(tài)地對車輛電能分配管理。使車輛的起動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)實意義。

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