客车新型智能化电源控制盒的开发与研究

郑 毅，卓 勋，李 伟，周小辉

（厦门金龙联合汽车工业有限公司工程研究院，福建 厦门 361023）

随着人们对客车的安全性、舒适性及人性化要求的提高，客车装备的电子安全设备和娱乐设备也越来越多，这对客车电流管理系统提出了更高的要求。因电路故障引起的客车事故时有发生，由于客车电源盒没有起到真正监控安全的作用，更多的作为数据采集装置而不能对电源系统安全进行预警和报错。所以，随着技术的发展，客车电源控制盒技术已经从原来的监控逐渐向管理方向转变。而现有客车电源盒缺乏蓄电池充放电电流、电压、起动电流、用电器电流、关键部位温度等参数监测；未对铅酸蓄电池荷电状态SOC进行估算，容易造成电池过充和亏电，缩短蓄电池寿命，无法实现在线监测、报警、控制等功能。因此，开发一款智能化电源控制盒具有重要的现实意义。

1 电源控制盒开发方案

基于CAN总线技术的客车智能化电源控制盒，可以实现：监测蓄电池充放电电流和发电机发电电流；监测起动电流以保证安全起动，蓄电池SOC估算，通过CAN总线技术在仪表实时显示上述测量数据，并对蓄电池、发动机、起动机进行有效控制［1］。根据采集的数据判断车辆的故障并适时报警，以提高整车电气系统安全性。电源控制盒开发技术路线如图1所示。

2 电源控制盒硬件方案

图1 电源控制盒开发技术路线图

电源控制盒（型号：JKH2029）硬件主要包含两部分，分别是电磁开关系统和主控板ECU系统，如图2所示。其中，电磁开关系统包括：整车电源总开关、起动开关、整车电源继电器、起动继电器、空挡继电器、多路熔断丝及连接线路等部分［2-4］。由于JKH2029电源控制盒电磁开关系统与上一代JKH2028电源控制盒结构相似［4］，因此本文详细介绍主控板ECU系统的硬件构成。

图2 JKH2029智能电源控制盒

开关电器盒主控板ECU系统包括: MC9S12XS128主芯片、电源自锁和自断电模块、CAN总线收发模块、信号隔离模块以及17路外部接口电路等，如图3所示。

图3 基于MC9S12XS128为主芯片的主控板

1）电源自锁与自断电模块在车辆点火锁置于ON挡时开始工作，可将18～36 V主流电转换成5 V直流电给主控板供电，当主控板开始工作后，控制电源模块自锁，即ON挡作为主控板开始运行的触发信号；待车辆停车后，将钥匙置于OFF挡时，主控板处理完相应的数据，控制电源模块断电。通过该电源模块，主控板在不需要其工作的时候自动关机，减少了不必要的电能损耗，减少了客车停车期间的蓄电池放电量［5］。同时，该模块可以实现瞬态电压抑制保护，电流过流保护和电源反接保护，确保主控板可以安全可靠地运行。

2）CAN总线收发模块主要基于TJA1050芯片，为CAN协议控制器和物理总线之间的接口，可以为总线提供发送和接收报文功能［6］。同时其输出端采用共模滤波电路，具有较强的抗EMI能力。

3）信号隔离模块可以实现主控板I/O信号与电源控制盒电路的隔离［2］。通过该模块，主控板可以检测到整车电源继电器、起动电源继电器、起动继电器和ON挡继电器的闭合和断开情况［7］。同时也可通过该模块，控制整车电源继电器、起动电源继电器、起动继电器断开。

4）17路外部接口电路主要用于外接检测蓄电池充放电电流和发电机充电电流的两路电流检测模块、外接电源控制盒继电器、取电和CAN通信等功能。

3 主要控制功能及实现方法

智能化电源控制盒除了具备常规车辆电源分配、电源控制、温度报警功能外，还可以实现以下功能。

3.1 整车电流监测

采用基于磁极霍尔传感器MLX91205ABL的电流检测电路，对客车蓄电池的充放电电流和发电机电流进行检测。通过配置所测导体和MLX91205ABL的空间位置，该电流检测电路的量程可达-400～400 A，测量范围广，满足测量客车起动大电流的要求［8］。 从表1中可以看出本项目所采用的检测电路最大测量误差不超过±1 A。

表1 钳流表测量值与芯片测量值对比表

3.2 蓄电池SOC在线估算

电源管理模块内置铅酸蓄电池的SOC算法，该算法为基于开路电压法和安时积分法融合的SOC估计算法，该算法的特点：在SOC初始化过程，考虑开路电压、停机前电池充放电状态、停机时间3个因素的影响；在实时SOC计算过程中，采集蓄电池电压、充放电电流、运用剩余电量算法计算电池剩余电量［9］。就铅酸蓄电池而言，在其性能完全稳定的时候，其开路电压和剩余容量存在很明显的线性关系，而且这种线性关系受温度以及蓄电池老化因素影响较小。

综合上述方法，项目采用某国产品牌2块串联的12 V/200 Ah铅酸蓄电池进行实验，测量其开路电压与剩余容量的关系［3］，实验结果见表2。

表2 开路电压与剩余电量关系表

结果分析，铅酸蓄电池充电后，电池电压“虚高”，此时不能通过其开路电压来确定其实际剩余电量。第1次实验中，将电池释放电量10%以上，并静置8 h以上，确保电池开路电压为“实”，且达到充分的稳定。通过开路电压法，确定此时的剩余电量，此时的误差认为0。在第2～9次实验中，对电池进行充电/放电操作，为确保电池的性能与寿命，电池剩余电量始终不低于70%。对比计算值与实际值，其误差在3%以内，符合应用要求。

3.3 车辆过压、欠压监测

监测总电源的电压，当电压高于32 V或低于23.5 V时通过CAN总线向仪表发出报警；当车辆未起动时，报警超过4 min会自动切断电源总开关（整车电源继电器），当重新将钥匙开关置于ON挡，可以重新接通电源总开关4 min，仪表会提示驾驶员尽快起动［4］。

3.4 车辆起动机过流监测

当起动发动机时，检测起动电流是否异常，发现起动电流异常时，系统进入起动保护状态——自动切断起动电源，并通过仪表显示并保留起动故障信息。

该系统通过对车载蓄电池电压、蓄电池充放电电流、用电器工作电流、起动机起动电流等信息的实时监测［4］。

3.5 电源信息在线显示

通过对车载蓄电池电压、蓄电池充放电电流、起动机起动电流、发动机参数和各熔断器等的实时监测，并将相关的信息通过CAN总线发送至仪表显示［10］，能有效地控制车辆的起动过程和实现发动机与起动机的状态保护、车辆的正常运行。因此，具有CAN总线监控功能的电源开关盒，能更好地指导用户用车。

4 结束语

综上所述，本文介绍了一种新型智能化电源控制盒，通过该装置对车辆电源电流、电压，蓄电池SOC值等参数监测及控制，与CAN总线结合的监测、控制、处理等技术，使得车辆电源系统在安全预测、报警、控制等方面得到全面提升，且该控制盒能够借助上述参数信息实时动态地对车辆电能分配管理。使车辆的起动性能和蓄电池的寿命有了明显改善和提高，具有重要的现实意义。

［1］ 刘新天.电源管理系统设计及参数估计策略研究［D］.合肥：中国科学技术大学，2011.

［2］（英）威廉斯（Williams，T）.周玉坤，译.电路设计技术与技巧（第2版）［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［3］ 张红伟.铅酸蓄电池的修复与检测管理技术的研究［D］.大连：大连交通大学，2013.

［4］ 郑毅.基于CAN总线技术的客车起动与电源系统控制方法.客车技术与研究［J］.2015（3）：30-32.

［5］ 孙仁云，付百学.汽车电器与电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［6］ 罗峰，孙泽昌.汽车CAN总线系统原理、设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［7］ 朱玉龙.汽车电子硬件设计［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2011.

［8］ 邹长庚.现代汽车电子控制系统构造原理与故障诊断［M］.北京:北京理工大学出版社，2010.

［9］ 顾晓莉.基于铅酸蓄电池的整车电源管理系统的设计［D］.上海：上海交通大学，2011.

［10］于季刚，张辑.基于CAN总线的客车电源管理系统方案设计［J］.电气技术，2013（5）：50-53.