一种混合动力汽车智能断路器及预警系统设计

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(1.商洛学院电信学院，陕西 商洛 726000；2.陕西省尾矿资源综合利用重点实验室， 陕西 商洛 726000)

0 引言

随着汽车电气系统负载单元的日益增加，电气故障类型和频次越来越多，而传统电磁式断路器无法满足负荷能力和复杂工况的要求。混合动力汽车所用断路器的工作电压、电流更高，电压范围为12～900 V，电流范围为10～500 A[1]，断路器触头工作容量增大，导致触头分断时产生的电弧能量增大,燃弧时间变长,从而造成触点烧坏进而寿命降低，引发汽车自燃的机率增大。2013年国际电工委员会出台了国际标准IEC 62606—2013《电弧故障检测设备的一般要求》[2]，2015年中国开始实施相同作用的标准GB 14287.4—2014《电气火灾监控系统：故障电弧检测器》[3]，诸类标准用以指导和设计相关保护装置，快速可靠切断断路器触点，避免发生汽车电气火灾事故，促进新能源汽车“三电”技术的发展和推广。当前,国内外研究通过采用新材料和改进其机械机构的方法，用以改善断路器灭弧性能[4]。但是汽车电气系统与船舶电气系统、光伏发电系统和航空供电系统相比[5]，电压等级较低，负载种类复杂多样，各种仪表车灯等均采用负极搭铁方式连接，电弧故障信号更隐蔽、微弱[6]。新能源汽车结构复杂，电气系统电压等级不一，充、用电技术问题和使用环境恶劣等原因，由汽车零部件故障之外的常见因素，诸如导线老化断裂、负极搭铁不牢靠、线束之间被挤压、噪音和电磁兼容性等现象都会导致电弧故障频发[2]。相关研究表明，只有准确判断和识别汽车线路或电器的电气故障，然后及时预警和快速切断故障电路，才是解决问题的一种有效途径。在此，基于汽车大直流组合式电器的相关要求，设计一种基于常用继电器结构的组合式智能断路器，嵌入线路电流监控、报警及开关分断模块，提高断路器的灭弧性、智能化和快速化，解决汽车在运行过程中由电气故障可能带来的自燃问题。

1 智能断路器的原理与设计思路

为了应对短路故障和电路过流现象，传统的汽车电气系统使用了大量熔断器，在故障发生后启动保护动作，这种方式无法分析故障和故障预警[7]。在智能断路器中,加入了智能继电器对可控电气线路进行电流监测，能够即时获得线路电流状态，同时,汽车电气系统的中央控制单元记录全车所有电器的状态信息，计算单个电气线路的正常工作电流，作为电气线路的参考电流；然后比较电气线路的实际电流和参考电流,对汽车电器过流、线束短路、漏电等故障进行更准确的判断，在达到极限阈值时发出控制信号断开电气线路。这属于一种依靠中央控制单元的协调机制来实现电气线路的过流保护[8]。

由于车用电气系统的特殊性,不会直接采用过流关断保护,否则可能会造成行车事故。本文设计一种车用智能组合电器，时刻对电气线路进行过流监测，掌握汽车绝大多数电器工作状态信息，当监测到过流时，利用一种继电器线圈释放故障能量，同时发出报警信号；当过电流超过极限值时，系统由触发电路启动断路器触头，实现电气设备断电保护，如图1所示。

图1 智能断路器工作原理

2 智能断路器系统电路设计

2.1 系统总体电路设计

在汽车智能组合电器中，需要估算控制电路上的额定供电电流，为电路优化控制提供参考电流。当发生短路故障，为防止损坏线路和电器，需要组合电器快速执行切换动作，其具体任务包括自身故障监测、电路通断控制、电路电流监测和短路快速保护4个方面。

PIC中央控制单元选用AVR mega48为主控制器，具有8路10位的ADC和3路可编程 PWM输出，具有在线编程功能，能方便地实现外部输入参数设置和电流、电压检测等任务[9]。系统外围主要由采样电路、驱动触发电路、键盘输入电路、报警电路、显示电路和时钟电路等组成，如图2所示。其中，选用霍尔电流传感器进行采样，检测电气线路的运行状态和过流保护，然后通过A/D转换送给主控器；显示电路显示断路器当前运行状态；键盘输入电路实现参考电流的修改，设置临界点状态。

图2 智能断路器的硬件系统

2.2 继电器线圈能量释放电路设计

一般在设计智能断路器时，通过继电器线圈来控制电气线路的通断，当监测到线圈发生过流时，发送状态信息同时向用户发出报警。这里因为汽车或者其他载运工具的特殊性，为防止故障时突然断电可能带来不安全状况，车用智能断路器在检测到故障时，不主动断开电路，由断路器的继电器线圈释放掉故障能量。线圈能量释放电路如图3所示，电路包括MOS管、限流电阻和稳压管等组成，继电器线圈一端接电气线路，另一端接MOS管漏级，限流电阻一端与稳压管相连，另一端与MOS管源级相连后接地。当发生故障，继电器线圈第1次失电断开时，线圈释放能量，然后继电器线圈吸合通电。同时由报警电路发出提示，等待用户进行关断操控和检修。

图3 继电器线圈能量释放电路

2.3 短路故障瞬时保护触发电路设计

当某电气回路出现故障，短路电流达到线路承载能力数倍以上时，需要安全切断故障线路，避免发生电气火灾。但是由于断路器断开线路后，检测电路的传感信号变为0，断路器的继电器会再次接通，故障电路恢复供电，然后再跳开，出现反复接通和跳断现象。因此需要增加一种短路瞬时保护触发电路，如图4所示，包括基准电压、电压检校、分压、反相和SR状态触发5个单元。基准电压U0与检测信号SC(霍尔传感器)比较，由比较器的电压U1经R3和R4分压，然后传给SR触发器识别。断路器通断控制信号P0经过反相器U3反相后，接入SR的R端，SR负相输出信号P1至PIC中央控制单元，读取短路故障。其中，SR触发记录短路状态并保持至置位，当采样电路的检测信号SC超过保护阈值时，通过硬件电路逻辑切断断路器。由U2所构成的SR触发电路是瞬动电路断开继电器的关键，防止继电器反复结合，保持状态直到通断控信号P0对其重置。将此短路瞬时保护电路封装成触发模块，包括基准电压U0、检测信号SC、通断控信号P0和VCC4个输入引脚，以及P1端输出引脚组成。

2.4 瞬动保护电路工作时序

短路瞬动保护电路工作时序如图5所示。电气线路从启动前的初始状态A到正常工作状态B，然后发生短路故障C时，触发瞬动保护模块快速切断线路到D状态，然后维持该状态直到复位状态E，之后再次正常通电到工作状态E，通断状态时序图中，灰色部分表示线路接通状态。

图5 短路瞬动保护电路工作时序

2.5 故障状态显示、报警电路与键盘电路

设计的报警电路选取LCD1602液晶[10]，采用7线驱动法，后连1 000 Ω接地电阻，调试液晶对比度，指令和显示数据经过LCD1602的DB4～DB7写入，显示系统的故障状态信息，包括主控单元运行状态、受控点状态和智能控制状态。另外，系统具备有声光报警功能，当出现故障或者过流时，发光二极管连续闪烁同时蜂鸣器报警。键盘电路采用单按键输入方式，用于设定普通断路器和智能断路器的功能转换。在系统运行过程中，通过定时中断检测按键，当功能键按下超过设定时长即切换为普通断路器使用，若需要切换则执行相同的操作。

3 智能断路器的软件设计

3.1 电路故障监测的软件算法

汽车电气设备连接及断路器电路故障监测功能的软件算法，在智能断路器的PIC中央控制单元中完成，软件算法分为故障状态获取、故障数据转换和状态数据发送3个环节，如图6所示。将汽车电气设备所连接的第i个断路器电路故障状态信息定义为λi,j,n(j=1,2,…，n)，具体定义如表1所示。通过断路器触点获取故障状态，再转换成可诊断的状态数据，再发送给PIC中央控制单元，判断故障类型，然后启动触发电路，从而实现设备断电保护和报警。

图6 智能断路器故障诊断的软件方案

表1 断路器电路故障状态信息定义

3.2 智能断路器预警系统软件设计

汽车电气设备和线路很多，线路电流会随着用电负载变化而变化。汽车PIC中央控制单元需要获取所有用电负载的工作状态，依据负载功率列表[11]，估算各个可控供电线路的工作电流大小，作为智能断路器的参考电流。在汽车智能供电PIC系统中，可以简单地将负载看作阻性，认为参考电流与线路电压成正比，电流监测结果近似等于线路实际电流，通过2个电流的比例大小来判断是否存在线路故障，从而启动断路器保护和预警功能。

本次设计的汽车智能断路器预警系统，以AVR mega48为PIC中央主控单元，如图7所示的系统流程，主程序完成对定时器、I/O的初始化，传感器采样，读取E2PROM中的系统参数，根据设定模式进入相应的处理程序，产生时序要求的触发脉冲，完成动作时序的检测和控制。当汽车产生故障电流，由MOS管电路释放能量，保持线路通电，同时报警电路发出警报声光信号和显示故障数据；当故障信号SC大于了基准电压U0(数倍于额定电压)，断路器保持断电；只有当驾驶员或者维修人员重置控制信号P0之后，系统会重启断路器，线路恢复供电。

图7 智能断路器预警系统主程序流程

4 智能断路器的结构设计

汽车智能断路器包括传统继电器部分和集成控制器部分，外形结构如图8所示。其中继电器主体包括铁芯、线圈、衔铁、磁轭和衔铁弹簧等基本组件，下部带有电源插脚以供接；集成控制器放置到断路器的插槽内，与磁轭之间设置一个3层的绝缘片，其外层为隔离层，中间层凸起插入磁轭的槽内，内层凸起嵌入到继电器线圈架的插槽内。这种断路器结构缩小了占用空间，承受振动性能强，保持了原有汽车继电器的常见结构，提高了产品标准化程度，方便在不同汽车上安装和更换。在某混合动力客车上，按照上述设计实验条件下，将汽车的HFV7型继电器替换成设计的智能断路器，模拟执行电路存在短路故障情况，车用智能断路器控制了线路通断，同时通过预警系统的声光和数显模块，提示检测线路存在短路故障。未接智能控制模块时，由于不能快速切断线路，在加载故障电流20次左右时，触头即遭到烧蚀损坏，如图9a所示；当改用智能断路器之后，加载故障电流线路通断500次后，触头未见损坏，如图9b所示。2种情况下，触头表面烧蚀形状对比下明显差异。

图8 智能断路器外形结构

图9 触头表面烧蚀形状对比

5 结束语

为了安全快速分断汽车的故障线路，根据混合动力汽车断路器应用技术条件要求，设计了一种汽车用大直流开关组合电器，即以AVR mega48为主控制器的组合式智能断路器及预警系统。在阐述了智能断路器工作原理的基础上，设计了控制系统的硬件电路和软件实现流程，在原HFV7型继电器结构上嵌入了智能控制模块。此断路器能够有效降低故障过程对断路器触头的烧损，同时可实现故障检测报警功能。也可应用到14 V/42 V双电压系统汽车或其他新能源汽车中，提高电气系统应对电流故障的承载容量，实现此类组合开关功能的集成化、微型化和智能化等优点。