一種專用車輛智能配電模塊的設計

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計

孫 進1，彭卿豪2，許海川1，任淮北1

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

論文通過對專用車輛控制系統技術發展趨勢的分析，總結出智能配電系統研發的意義和解決的問題，結合實際應用分析了智能配電模塊的硬件架構和系統實現，通過利用電子開關代替繼電器和保險絲，實現模塊的智能配電和故障診斷功能，并采用控制器局域網（CAN）總線通訊技術與主系統進行通訊。所研發的智能配電模塊滿足相應的技術指標和應用需求，很大程度上優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，該模塊的研發也是未來實現無人駕駛的一個重要基礎。

專用車輛控制系統；智能配電模塊；STM32；狀態采集；CAN總線

電子信息技術、自動控制技術和計算機技術的快速發展，推動了專用車輛電控技術的升級換代。從技術發展趨勢來看，主要體現為專用車輛電控系統將向集成化、人性化、信息化、自動化和高可靠性方向發展。由于配電系統負責專用車輛的電源供給，是整個控制系統的首要環節，因此，專用車輛配電系統的智能化升級具有舉足輕重的作用。目前國內專用車輛配電系統基本上采用兩種形式，一種是傳統機電式繼電器和保險絲架構，另一種是工業控制器（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架，由于工業控制器的驅動能力有限，無法直接驅動大功率器件，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，接線復雜、電磁干擾等問題，使其具有功能性受限的不足，無法實現智能控制、智能診斷、過載保護不全面等問題，整個系統能耗高、效率低，出現故障后維護難度大、成本高。

隨著半導體技術的快速發展，現在可以用一個芯片來取代繼電器、保險絲、繼電器驅動器、電纜和連接器等眾多部件。智能配電模塊旨在利用半導體芯片解決目前專用車輛傳統配電方式無法實現智能控制、智能診斷、過載保護不全面的問題，對部分核心信號實現供電保護、狀態診斷、智能控制等，同時又兼具傳統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，確保系統安全可靠運行。實現總線化控制，優化系統布線，節省空間，提高系統運行效率。利用微控制檢測故障信息并顯示，達到信息的可視化，是未來實現無人駕駛的一個關鍵要素。

1 硬件系統架構

本智能配電模塊的硬件架構如圖1所示。

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

圖1 智能配電模塊的硬件架構

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

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

輸出端口采用國內知名品牌彈簧式接線端子，單pin持續輸出電流最大可達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 系統實現

2.1 主控單元的選型

智能配電模塊對整車控制至關重要，對主控單元的可靠性要求高，需要具備CAN、串行外設接口（Serial Perripheral Interface, SPI）、模數轉換器（Analog to Digital Converter, ADC）、輸出控制、大量數據采集等功能。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）內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器（高達256 K字節的閃存和64 K字節的靜態隨機存取存儲器（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（系統結構如圖2所示）[1]。

圖2 STM32系統結構

2.2 電源系統

智能配電模塊的電源系統采用了開關型穩壓電源，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]。開關電源前端采用瞬態抑制二極管（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 電源監視系統

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

2.4 輸出驅動系統

智能配電模塊以傳統配電盒為基礎，增加嵌入式智能控制系統，實現控制模塊的總線化控制、總線化診斷，減少接線，優化布線，對關鍵信號通過使用電子開關替代繼電器實現過載保護。相比于繼電器，電子開關具有更多功能、更高效率和更高的可靠性。電子開關可以耐受灰塵、沖擊和振動，在元器件貼裝和裝配時實現更高水平的靈活性。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流二極管，從而降低系統成本。

圖3 電源電路

圖4 電源監控電路

由于有電弧產生，機械開關的觸點會溶蝕甚至粘連[4-5]，在高開關頻率和高感性負載下繼電器會受到限制，電子開關可以利用其對能量的處理能力來防止。此外，電子開關支持低速（大約100 Hz）脈寬調制，實現智能電源管理，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。

電子開關在過載方面的性能是一個顯著的優勢，當保險絲有缺陷時，相關裝置不可用，但電子開關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規范的嚴格要求。此外，繼電器會產生一定的噪聲，而電子開關在動作時是無聲的。

在系統層面，專用車輛上越來越多的應用模塊和以人性化主導的功能趨勢是配電系統面臨的重大挑戰?；诩惺嚼^電器/保險絲和復雜線束的經典架構將走向終點，新架構將取而代之。在這方面，電子開關具有明顯的優勢，因為它們能實現基于多個多重智能配電中心的靈活、分散式架構。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域。這種分散式架構具有三大優勢：（1）線束大大簡化，線纜數量減少，長度縮短；（2）可節省空間，因為電子開關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。

電子開關的動作快，繼電器典型動作時間在10 ms，而電子開關的動作時間只需100 μs。此外，電子開關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，電子開關可以反饋流經開關的電流，為線路狀態診斷提供有效信息。

圖5 電子開關系統結構

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

圖6 電子開關電路1

圖7 電子開關電路2

圖8 電子開關電路3

另外，該模塊還預留兩路繼電器作為干節點輸出，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 狀態采集系統

電子開關輸出具有短路、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診斷及智能控制，通過對保險絲兩端進行電平采集，實現保險絲狀態診斷。為了增加系統的穩定性，采用專用芯片TIC10024對電路各關鍵點的輸出狀態（輸出口的高低電平）進行采集（如圖9所示），該芯片可以監控多達24個直接開關輸入，開關輸入可承受高達40 V的電壓，其中10路可配置為連接到地或電池的開關，每個輸入通道有6個獨特的濕電流設置。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

數據通信方面，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據傳送至主系統，并接收處理主系統的指令，對配電模塊進行智能控制。

本模塊采用CANopen應用協議，相關標準參照CIA-DS301 Application Layer and Communicat- ion Profile V4.02和CIA-DS401 Device Profile for Generic I/O Modules V2.1。采用快速服務數據對象（Service Data Obiect, SDO）協議直接訪問CANopen設備對象字典，SDO協議是“服務器客戶端”的通信模型，也就是客戶端向指定的（指定Node-ID）服務器發出請求，服務器給出應答。在CANopen網絡中，本模塊作為服務器，接收主站（客戶端）的請求并應答。符合CIA301規范，本模塊（服務器）響應SDO數據的默認CAN-ID為0x580+$NODEID，接收SDO數據的默認CAN-ID為0x600+$NODEID[6]，如表1、表2所示。

圖9 狀態采集電路

圖10 CAN總線接口電路

表1 CANopen對象字典

表2 SDO數據結構

本模塊的默認node-ID是0x1，所以主站可以以0x601的CAN-ID發送請求數據，以0x581的CAN-ID應答。以廠商ID標識為例來描述數據傳輸格式，如表3—表5所示。

表3 廠商ID標識

表4 參數讀取報文發送

表5 應答報文接收

注：0x4F表示接到一個字節。

3 測試與結論

本模塊已經在專用車輛上進行聯合調試和試運行測試（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模擬測試，各關鍵節點診斷及過載保護快速準確。在線束連接方面，輸出線束在傳統配電模塊的基礎上不變，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。

圖11 模塊實物圖

表6 模塊性能指標

4 應用前景

本課題研發的專用車輛智能配電模塊，實現了對車輛的電源系統的高效智能管理，具有短路和過載保護及相應故障指示。同步提升了電控系統的可靠性和維修性，并具有通用性，可以在不同類型的專用車輛上推廣應用。另外，由于本模塊開發了通信功能，能將智能配電模塊的狀態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基礎，順應了專用車輛智能化作業和信息化管理的發展趨勢。

[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,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總線原理和應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,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，研究方向為環衛機械自動化控制，E-mail:179490362@qq.com。