汽车双组电瓶充放电自动转换控制器设计

王 襄，张 斌

(1．湖北工业职业技术学院 电子工程系；2．湖北铱派汽车电子有限公司 湖北 十堰 442000)

0 前言

根据市场调研，目前商用车需求量急剧向大吨位多功能发展，车辆发动机马力的不断增大及整车用电设备的不断增加，设备消耗的电流及发动机启动所消耗的启动电流都不断增大，而目前的单组电瓶不能正常为车辆提供足够的电源供给，尤其是在冬季低温下电瓶电量的不足致车辆启动困难。现在部分车辆制造企业开始采用双组电瓶为发动机启动及负载提供电能[1]。

两组电瓶并联，存在充放电不一致的问题，在充电情况下易使车辆充电系统负载过重，导致充电系统故障甚至损坏充电电路部件。在双组电瓶并联放电的情况下，会出现电瓶性能的差异导致自放电严重，缩短电瓶使用寿命。为解决这一问题，目前大多采用人工方式，手动切换两组电瓶之间连接，这种方法不但操作麻烦，还会造成部分电瓶充电不足，电瓶长时间亏电运行会导致其有效使用寿命缩短，过早衰老失效，使车辆运行不良并增加使用成本。

1 设计思路

如何设计出一款商用车双组电瓶充放电自动转换控制器，代替目前手动切换，使之能根据各电瓶电量情况自动切换控制充电及放电，让发电机及充放电电路工作在最佳状态，并长期保持电瓶的电量充足，是本文的出发点。

为此，本设计的技术方案为：将车辆电瓶分为主电瓶及副电瓶，主电瓶与副电瓶都通过车辆相关的线束与控制电路连接，由控制器内部的微处理器不断检测每个电瓶的电压状态，来确定该电瓶是否欠电。正常状态下控制车辆发电机只给主电瓶相接，副电瓶处于备用，当车辆由停止转为起动时(即点火锁由关闭转为打开时)，微处理器检测到点火信号，通过控制电磁开关将副电瓶并接在主电瓶上，此时两组电瓶并联对车辆用电器提供较大的驱动电流使发动机顺利启动。

当完成启动后，控制器通过检测发电机的工作(或检测发动机运转)情况确定发动机是否已经启动，若检测到发动机没启动成功，此时副电瓶仍将保持与主电瓶并联状态，以备再次启动发动机。若检测到发动机启动成功的信号，控制电磁开关断开副电瓶与主电瓶的并联，此时汽车发电机只对主电瓶充电；当主电瓶充满电时，控制器控制相应的电磁开关，将副电瓶再次与主电瓶并联，同时断开主电瓶电路，此时汽车发电机只对副电瓶充电；当副电瓶充满电后再次切换到主电瓶与汽车供电电路连接，一直保持副电瓶处于备用状态。

当车辆处于夜间行驶或内部设备用电量较大时，发电机发出的电能不够使用，主电瓶对用电器放电保持用电器正常工作，最终会导致主电瓶电量不足，当控制器检测到此种情况时，自动将副电瓶切换替代主电瓶工作，确保主电瓶不会亏电而缩短寿命。白天车辆灯具基本不使用，发电机发出电能富裕用于补充电瓶电量。

图1是本设计原理框图。汽车双组电瓶充、放电自动转换控制器，以微处理控制器为核心，主电瓶、副电瓶及发电机为微处理器提供输入信号，微处理器输出的一个控制端口通过开关继电器控制主电瓶的电磁开关，微处理器的另一个控制端口通过控制副电瓶的电磁开关，实现电瓶的充、放电自动转换。

图1 本设计原理方框图

2 电路工作原理

图2是该设计电路原理图。

图2 本设计电路原理图

如图2所示，U1为微处理器，通过外部插接口JP1与点火锁、主电瓶、副电瓶及发电机相接，正常情况下设定主电瓶为优先接通状态。

2.1 发动机启动放电控制

若要启动发动机，点火锁开关通过接口JP1-2为控制器提供一个电压信号，通过电阻R11及R12分压到微处理器接口U1-6，微处理器U1检测到启动发动机信号时，使微处理器输出控制端口U1-9、U1-10输出驱动三极管Q1、Q2使主电瓶的电磁开关K1及副电瓶的电磁开关K2同时接通使两电瓶成并联状态，为发动机启动提供充足的电源。

2.2 完成启动进入充电控制[2]

当发动机启动完成后，发电机输出电压通过接口P1-3进入由电阻R9、R10分压后输入至微处理器检测端口U1-15用于检测启动稳定情况，发动机启动稳定后，微处理器通过输出端口U1-9控制三极管Q2及内部继电器断开副电瓶的电磁开关K2，从而切断副电瓶的连接，此时发动机只对主电瓶充电，同时通过接口JP1-4将主电瓶的电压信号由电阻R1、R3分压后传输给微处理器端口U1-14；通过接口JP1-5将副电瓶的电压信号由电阻R2、R4分压后传输给微处理器检测端口U1-13；由微处理器U1检测比较确定电瓶的电压情况，当主电瓶充满电后，副电瓶电量充足的情况下不做切换，若检测副电瓶的电量不足需要充电时，微处理器U1通过实处端口U1-9控制三极管Q2接通继电器及副电瓶回路的电磁开关，当副电瓶充分接入充电电路后微处理器U1通过控制端口U1-10控制三极管Q1断开继电器及主电瓶回路的电磁开关K1切断主电瓶的连接，只对副电瓶充电，当副电瓶充满电后自动转换至主电瓶，停止对副电瓶的充电。

2.3 故障状态控制

在发动机启动时若某一组电瓶电量严重不足时，微处理器U1通过检测判断切断电量不足的一组电瓶，不让其接入主电路，以免影响电瓶正常工作，并发出报警灯指示；LED1对应第一电瓶状态指示，LED2对应第二电瓶状态指示，当某一电瓶出现故障时对应的指示灯闪烁报警。

在车辆停止状态下，若车内设备用电量较大，导致主电瓶供电下降时自动切换为两组电瓶并联供电或切换至电量充足的电瓶供电，确保电瓶本身不过放电从而延长电瓶的使用寿命。

3 电路的实现

图3为本控制器的PCB板图，图4为产品实物照片

图3 控制器PCB板图

图3 产品实物图

4 产品指标与技术参数

工作电压：24V(18V-32V)

控制切换负载电流： Io ≤ 10A

工作环境温度： -40℃ —85℃

最大耗电流： ≤ 100mA

工作时间：长期

5 结语

本装置经装配调试，达到设计要求，目前已申报国家发明专利。

[参考文献]

[1] (日)电气学会.42V电源化调查专门委员会.汽车电源的42V化技术[M].北京：科学出版社， 2008：37-39.

[2] 贾要勤.汽车电源主要性能参数·汽车电源应用设计[M].北京：科学出版社， 2008：76-82.