车载电源管理系统设计

2009年5月电工技术学报Vol.24 No. 5 第24卷第5期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY May 2009 车载电源管理系统设计

张新丰杨殿阁薛雯陆良连小珉

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京 100084）

摘要设计了一种适用于分布式汽车电气控制系统的车载电源管理系统。根据车载电源管理的需要，以分布式控制的设计思想设计了智能继电器，实现了对电源通道的控制。针对电源通道过电流保护的要求，采用了选择性过载保护、瞬动保护和后备保险丝三种保护方法，达到了对多种过电流情况的保护功能。最后设计出该系统的原型样机，通过实验测试，并且得到应用。

关键词：车载电源电源管理系统过电流保护智能继电器电源通道

中图分类号：TM561

Automotive Electrical Power Management System Design

Zhang Xinfeng Yang Diange Xue Wen Lu Liang Lian Xiaomin

（Tsinghua University Beijing 100084 China）

Abstract A kind of electrical power management system(EPMS) which is suitable for automotive distributed electrical system is proposed. According to the requirement of power supply in automotive distributed control system, a kind of smart relay is designed to manage the electrical power supply. Selective overload protection, instant protection and fuse protection method are adopted to meet over current protection requirement. Prototype is developed and tested, which has come into application.

Keywords：Automotive electrical source, electrical power management system, over current protection, smart relay, power supply channel

1引言

随着总线技术的广泛应用，汽车电气系统总的发展趋势是分布式控制系统代替集中式控制系统[1]，且智能化器件越来越多[2-3]。在这样的系统中，最后的发展结果是电力线束与信号（通信、控制）线束互相独立[4]，汽车的电源网络作为一个相对独立的系统存在。

出于燃油经济性、动力性和舒适性的原因，车载电力电子设备广泛使用，汽车上电器的总功率不断增加，高端轿车的平均电功率从20世纪70年代不到500W上升到2005年的3000W，且还在不断增加[5]，因此汽车用电安全越来越受重视[6]，车载电源的管理问题也越来越重要。车载电源管理系统是今后汽车电气系统不可缺少的组成部分。

本文针对分布式汽车电气控制系统对车载电源的要求，基于分布式控制和分散控制的思想，提出了一种基于智能继电器的车载电源管理系统，目的在于加强车载用电的安全和管理。

2 车载电源管理系统

2.1 车载电源管理系统的功能

国内外许多学者提出了未来各种可能的车载电源的结构和设计方法[7,9]，未来的车载电源很可能是12V/24V/36V多种电制并存或混合多电制的电力系统；未来的车载电力负载包括各种控制器、车身附件和起动机，还可能增加许多现在用机械来驱动的负载，比如空调压缩机等。

车载电源管理系统在车载电源和车载电力负载之间，起到对车载电源的管理作用，包括：①对蓄电池进行SOC检测，以实现对蓄电池的亏电保护。

②稳压电源输出，以满足车载部分特殊控制器对稳

北京市科委“智能电气”资助项目（041502305）。收稿日期 2007-12-05 改稿日期 2008-05-30

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定电压的需求。③电源控制功能，即对整车电力网络的断开和接合控制。④过电流保护功能，包括对电力网络输电线的短路保护和用电器过电流保护。

2.2 分布式系统结构

车载电源管理系统的原理框图如图1所示，12V 稳压控制模块，用于输出12V常通电源和12V可控稳定电压。其中12V常通稳压电源用于车载常通用电器供电，比如某些CPU时钟或需要供电的内存等，12V可控稳定电压用于行驶状态下对需要稳定电源的ECU数字电路部分供电。霍尔电流传感器H 监测蓄电池的充放电电流和电压，用于估计蓄电池SOC值。

图1 车载电源管理系统原理框图

Fig.1 Schematic of automotive electrical power

management system

电源管理系统以电源通道的形式给整车电气系统供应电能。每个通道由1个智能继电器进行控制。如图1中智能继电器R0～R n，分别对电源通道P0～P n的电流进行控制。

2.3 基于智能继电器的电源通道设计

电源通道是具有电流控制功能并具备过电流保护功能的电能传输通道。智能继电器实现了对电源通道的电流控制和电流保护功能。

模拟半导体功率器件,如MOS场效应晶体管、IGBT等，由于有诸多优点[10]，正在取代汽车上传统的继电器进行电流控制[11]。某些功率半导体器件甚至集成了过电压、过电流和过热的保护功能[12-13]。但由于半导体功率器件其导通内阻较大，焦耳热效应会引起较大的能量损失，因此在车载大直流电源（几十安到上百安）开关控制上的应用仍受到限制[14]。

本研究选择了一种普通车用继电器，在其基础上添加了一个单片机控制系统，如图2所示。它包括电压检测电路、电流检测电路、瞬动保护电流和初级线圈驱动电路，此外还有与车载总线通信的总线接口。

图2 智能继电器基本结构

Fig.2 Structure of smart relay

电流检测电路包括霍尔传感器和低通运算放大电路两部分，智能继电器能实时检测线路上的电流并根据由总线获得的参考电流大小实现过载保护。智能继电器采用LIN总线与车载网络进行信息交换。

普通继电器具有对一定倍数的过载电流进行分断的能力，但对于短路大电流无法断开[14]。因此短路保护仍需要添加短路保护器件，本研究选择了双金属型自恢复熔丝作为后备的短路电流保护器件。

3 电源通道的过电流保护方法

3.1 电源通道保护设置

智能继电器设置了3个电流保护点对电源通道进行过电流保护，以实现各种不同过电流情况的保护，如图3中A、B、C所示。

图3 电源通道保护设置

Fig.3 Protection points of power supply channel

其中A为短路电流分断保护点，主要对瞬时短路电流进行分断保护，依赖图2所示的车用自恢复保险；B为基于硬件控制电路的继电器分断保护点，对继电器分断能力范围内的过载电流进行快速分断；C是基于单片机控制的延时过载保护点，该保护是一种限时电流分断保护，以获得电源通道保护的选择性[15]。

由于电源通道同时供给多个负载，发生在负载处的过电流必须由负载对应的保护器件加以切断，如图3所示的D处的控制器内部保护点，只有在该器件失效的情况下，C处的保护点才能发生作用，因此选择性是必须的。

3.2 基于参考电流的选择性保护

目前智能断路器普遍采用三段式过载保护特