客車新型智能化電源控制盒的開發與研究

鄭 毅，卓 勛，李 偉，周小輝

（廈門金龍聯合汽車工業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備和娛樂設備也越來越多，這對客車電流管理系統提出了更高的要求。因電路故障引起的客車事故時有發生，由于客車電源盒沒有起到真正監控安全的作用，更多的作為數據采集裝置而不能對電源系統安全進行預警和報錯。所以，隨著技術的發展，客車電源控制盒技術已經從原來的監控逐漸向管理方向轉變。而現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、關鍵部位溫度等參數監測；未對鉛酸蓄電池荷電狀態SOC進行估算，容易造成電池過充和虧電，縮短蓄電池壽命，無法實現在線監測、報警、控制等功能。因此，開發一款智能化電源控制盒具有重要的現實意義。

1 電源控制盒開發方案

基于CAN總線技術的客車智能化電源控制盒，可以實現：監測蓄電池充放電電流和發電機發電電流；監測起動電流以保證安全起動，蓄電池SOC估算，通過CAN總線技術在儀表實時顯示上述測量數據，并對蓄電池、發動機、起動機進行有效控制［1］。根據采集的數據判斷車輛的故障并適時報警，以提高整車電氣系統安全性。電源控制盒開發技術路線如圖1所示。

2 電源控制盒硬件方案

圖1 電源控制盒開發技術路線圖

電源控制盒（型號：JKH2029）硬件主要包含兩部分，分別是電磁開關系統和主控板ECU系統，如圖2所示。其中，電磁開關系統包括：整車電源總開關、起動開關、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系統與上一代JKH2028電源控制盒結構相似［4］，因此本文詳細介紹主控板ECU系統的硬件構成。

圖2 JKH2029智能電源控制盒

開關電器盒主控板ECU系統包括: MC9S12XS128主芯片、電源自鎖和自斷電模塊、CAN總線收發模塊、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主流電轉換成5 V直流電給主控板供電，當主控板開始工作后，控制電源模塊自鎖，即ON擋作為主控板開始運行的觸發信號；待車輛停車后，將鑰匙置于OFF擋時，主控板處理完相應的數據，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機，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，該模塊可以實現瞬態電壓抑制保護，電流過流保護和電源反接保護，確保主控板可以安全可靠地運行。

2）CAN總線收發模塊主要基于TJA1050芯片，為CAN協議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供發送和接收報文功能［6］。同時其輸出端采用共模濾波電路，具有較強的抗EMI能力。

3）信號隔離模塊可以實現主控板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電機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方法

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

3.1 整車電流監測

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電機電流進行檢測。通過配置所測導體和MLX91205ABL的空間位置，該電流檢測電路的量程可達-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、停機前電池充放電狀態、停機時間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，在其性能完全穩定的時候，其開路電壓和剩余容量存在很明顯的線性關系，而且這種線性關系受溫度以及蓄電池老化因素影響較小。

綜合上述方法，項目采用某國產品牌2塊串聯的12 V/200 Ah鉛酸蓄電池進行實驗，測量其開路電壓與剩余容量的關系［3］，實驗結果見表2。

表2 開路電壓與剩余電量關系表

結果分析，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”，且達到充分的穩定。通過開路電壓法，確定此時的剩余電量，此時的誤差認為0。在第2～9次實驗中，對電池進行充電/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，符合應用要求。

3.3 車輛過壓、欠壓監測

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

3.4 車輛起動機過流監測

當起動發動機時，檢測起動電流是否異常，發現起動電流異常時，系統進入起動保護狀態——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、起動機起動電流等信息的實時監測［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、起動機起動電流、發動機參數和各熔斷器等的實時監測，并將相關的信息通過CAN總線發送至儀表顯示［10］，能有效地控制車輛的起動過程和實現發動機與起動機的狀態保護、車輛的正常運行。因此，具有CAN總線監控功能的電源開關盒，能更好地指導用戶用車。

4 結束語

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值等參數監測及控制，與CAN總線結合的監測、控制、處理等技術，使得車輛電源系統在安全預測、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信息實時動態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，具有重要的現實意義。

［1］ 劉新天.電源管理系統設計及參數估計策略研究［D］.合肥：中國科學技術大學，2011.

［2］（英）威廉斯（Williams，T）.周玉坤，譯.電路設計技術與技巧（第2版）［M］.北京：電子工業出版社，2006.

［3］ 張紅偉.鉛酸蓄電池的修復與檢測管理技術的研究［D］.大連：大連交通大學，2013.

［4］ 鄭毅.基于CAN總線技術的客車起動與電源系統控制方法.客車技術與研究［J］.2015（3）：30-32.

［5］ 孫仁云，付百學.汽車電器與電子技術［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［6］ 羅峰，孫澤昌.汽車CAN總線系統原理、設計與應用［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［7］ 朱玉龍.汽車電子硬件設計［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2011.

［8］ 鄒長庚.現代汽車電子控制系統構造原理與故障診斷［M］.北京:北京理工大學出版社，2010.

［9］ 顧曉莉.基于鉛酸蓄電池的整車電源管理系統的設計［D］.上海：上海交通大學，2011.

［10］于季剛，張輯.基于CAN總線的客車電源管理系統方案設計［J］.電氣技術，2013（5）：50-53.