一种专用车辆智能配电模块的设计

孙 进，彭卿豪，许海川，任淮北

一种专用车辆智能配电模块的设计

孙 进1，彭卿豪2，许海川1，任淮北1

（1.徐州徐工环境技术有限公司，江苏 徐州 221000；2.株洲嘉成科技发展股份有限公司，湖南 株洲 412000）

论文通过对专用车辆控制系统技术发展趋势的分析，总结出智能配电系统研发的意义和解决的问题，结合实际应用分析了智能配电模块的硬件架构和系统实现，通过利用电子开关代替继电器和保险丝，实现模块的智能配电和故障诊断功能，并采用控制器局域网（CAN）总线通讯技术与主系统进行通讯。所研发的智能配电模块满足相应的技术指标和应用需求，很大程度上优化了配电的效率和安全性能，具有智能化程度高、维护性好、通用性强等特点，该模块的研发也是未来实现无人驾驶的一个重要基础。

专用车辆控制系统；智能配电模块；STM32；状态采集；CAN总线

电子信息技术、自动控制技术和计算机技术的快速发展，推动了专用车辆电控技术的升级换代。从技术发展趋势来看，主要体现为专用车辆电控系统将向集成化、人性化、信息化、自动化和高可靠性方向发展。由于配电系统负责专用车辆的电源供给，是整个控制系统的首要环节，因此，专用车辆配电系统的智能化升级具有举足轻重的作用。目前国内专用车辆配电系统基本上采用两种形式，一种是传统机电式继电器和保险丝架构，另一种是工业控制器（如西门子、台达等品牌）控制继电器配电，并融合保险丝过载保护的构架，由于工业控制器的驱动能力有限，无法直接驱动大功率器件，虽然较第一方式在控制的灵活性和布线的简洁性方面有所提升，但仍然脱离不了中间继电器的使用。由于继电器和保险丝本身的特性如体积过于庞大，接线复杂、电磁干扰等问题，使其具有功能性受限的不足，无法实现智能控制、智能诊断、过载保护不全面等问题，整个系统能耗高、效率低，出现故障后维护难度大、成本高。

随着半导体技术的快速发展，现在可以用一个芯片来取代继电器、保险丝、继电器驱动器、电缆和连接器等众多部件。智能配电模块旨在利用半导体芯片解决目前专用车辆传统配电方式无法实现智能控制、智能诊断、过载保护不全面的问题，对部分核心信号实现供电保护、状态诊断、智能控制等，同时又兼具传统配电方式的良好性价比。

智能配电模块的研究，对整车电源进行智能管理，提高能源的利用效率，针对短路、过温、过载、过压、接地或电池连接失效的保护功能，确保系统安全可靠运行。实现总线化控制，优化系统布线，节省空间，提高系统运行效率。利用微控制检测故障信息并显示，达到信息的可视化，是未来实现无人驾驶的一个关键要素。

1 硬件系统架构

本智能配电模块的硬件架构如图1所示。

本模块系统具有34路电源输出功能，其中19路采用保险丝直接输出方式，驱动电流最大为10 A，并在保险丝两端设置电平采集，实时监控保险丝的运行状态。有15路采用电子开关代替继电器，通过软件配置输出，驱动能力分别为10 A（13路）、20 A（2路），其中10 A（9路）可配置为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）输出，对输出进行分级精准控制。电子开关都具有输出短路、过载保护、状态诊断及智能控制功能。

图1 智能配电模块的硬件架构

注：CAN：控制器局域网（Controller Area Network）；MCU：电机控制单元（Motor Control Unit）。

配有1个红绿蓝（Red, Green, Blue, RGB）三色系统状态指示灯，直观地反映系统运行模式。初始化状态红色灯以1 Hz频率闪烁；预操作状态蓝色灯以1 Hz频率闪烁；操作状态绿灯以1 Hz频率闪烁；停止状态蓝灯以5 Hz频率闪烁；连接状态绿灯以5 Hz频率闪烁；断开连接红灯亮，这些状态对应CANopen的状态。

输出端口采用国内知名品牌弹簧式接线端子，单pin持续输出电流最大可达24 A，弹簧式接线方式为用户接线提供快捷和方便，安全可靠。

2 系统实现

2.1 主控单元的选型

智能配电模块对整车控制至关重要，对主控单元的可靠性要求高，需要具备CAN、串行外设接口（Serial Perripheral Interface, SPI）、模数转换器（Analog to Digital Converter, ADC）、输出控制、大量数据采集等功能。综合考量选中STM32系列芯片作为主控单元，该芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer, RISC）内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器（高达256 K字节的闪存和64 K字节的静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory, SRAM），丰富的增强I/O端口，包含标准的通信接口（2个I2C接口、3个SPI接口、2个I2S接口、1个USB OTG全速接口、5个USART接口和2个CAN接口），2个12位的ADC和4个通用16位定时器（系统结构如图2所示）[1]。

图2 STM32系统结构

2.2 电源系统

智能配电模块的电源系统采用了开关型稳压电源，可以克服车载蓄电池欠压、过压、浪涌、尖峰电压和电源电压波动所带来的影响[2]。开关电源前端采用瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor, TVS）抑制电源反压和瞬时过压。此外，还在电路中采用低通滤波器滤除高次谐波改善电源波形，利用小电感和大电容减小电路感生电动势，如图3所示。该配电模块满足国家强制标准《道路车辆电磁兼容性要求和试验方法》（GB 34660—2017）。

2.3 电源监视系统

采用电源监视芯片IMP811SEUS-T，此芯片具有低功耗的特点，用于实时监视主控单元电源系统，本系统未接手动复位信号，当系统电源出现故障时，即通过芯片2号针脚向STM32发出低电平复位信号，可以有效保证系统运行正常，如图4所示。

2.4 输出驱动系统

智能配电模块以传统配电盒为基础，增加嵌入式智能控制系统，实现控制模块的总线化控制、总线化诊断，减少接线，优化布线，对关键信号通过使用电子开关替代继电器实现过载保护。相比于继电器，电子开关具有更多功能、更高效率和更高的可靠性。电子开关可以耐受灰尘、冲击和振动，在元器件贴装和装配时实现更高水平的灵活性。继电器的寿命一般在105～106次[3]，而电子开关的使用寿命会大大增加，单脉冲能量处理能力高达3 000 MJ，对于重复脉冲则达到550 MJ，在许多情况下，可以通过去除之前必须的续流二极管，从而降低系统成本。

图3 电源电路

图4 电源监控电路

由于有电弧产生，机械开关的触点会溶蚀甚至粘连[4-5]，在高开关频率和高感性负载下继电器会受到限制，电子开关可以利用其对能量的处理能力来防止。此外，电子开关支持低速（大约100 Hz）脉宽调制，实现智能电源管理，控制负载的电流，这是一个重要的方面，因为在许多负载必须并联配置情况下，需要考虑越来越高的功率需求和潜在的限制条件。

电子开关在过载方面的性能是一个显著的优势，当保险丝有缺陷时，相关装置不可用，但电子开关可以通过软件配置并重新激活。其能耐受超过100万次短路，并满足AEC-Q100 Grade A规范的严格要求。此外，继电器会产生一定的噪声，而电子开关在动作时是无声的。

在系统层面，专用车辆上越来越多的应用模块和以人性化主导的功能趋势是配电系统面临的重大挑战。基于集中式继电器/保险丝和复杂线束的经典架构将走向终点，新架构将取而代之。在这方面，电子开关具有明显的优势，因为它们能实现基于多个多重智能配电中心的灵活、分散式架构。保险丝没有这种潜力，出于维护原因，它们只能置于易接近的区域。这种分散式架构具有三大优势：（1）线束大大简化，线缆数量减少，长度缩短；（2）可节省空间，因为电子开关的体积要比继电器盒或保险丝盒小得多；（3）可增大容量，因为损耗降低、电流密度增加。

电子开关的动作快，继电器典型动作时间在10 ms，而电子开关的动作时间只需100 µs。此外，电子开关本身具备完善的防护功能（如图5所示）：过载、过压、短路、限流保护等，不会烧毁。与此同时，电子开关可以反馈流经开关的电流，为线路状态诊断提供有效信息。

图5 电子开关系统结构

该模块选用英飞凌的电子开关芯片（如图6—图8所示）来替代继电器，根据驱动能力要求选取合适的电子开关，这些开关均可通过主控单元进行控制输出，并具有输出状态（短路、断路）信息反馈，自带保护功能，在电子开关输出端增加续流二极管，避免在驱动感性负载时的反向电动势对电路的损坏。

图6 电子开关电路1

图7 电子开关电路2

图8 电子开关电路3

另外，该模块还预留两路继电器作为干节点输出，单个继电器输出电流能力可达20 A，可供用户灵活配置使用。

2.5 状态采集系统

电子开关输出具有短路、过载保护功能，并反馈电平或电流信息给主控单元进行状态诊断及智能控制，通过对保险丝两端进行电平采集，实现保险丝状态诊断。为了增加系统的稳定性，采用专用芯片TIC10024对电路各关键点的输出状态（输出口的高低电平）进行采集（如图9所示），该芯片可以监控多达24个直接开关输入，开关输入可承受高达40 V的电压，其中10路可配置为连接到地或电池的开关，每个输入通道有6个独特的湿电流设置。输入引脚上可承受±8 kV接触静电放电，符合ISO 10605标准。

2.6 通讯系统

数据通信方面，智能配电模块采用专用CAN 2.0B接口芯片（如图10所示），配置120 Ω终端电阻，最高通信速率可以达到1 Mb/s，实时将主控单元采集到的数据传送至主系统，并接收处理主系统的指令，对配电模块进行智能控制。

本模块采用CANopen应用协议，相关标准参照CIA-DS301 Application Layer and Communicat- ion Profile V4.02和CIA-DS401 Device Profile for Generic I/O Modules V2.1。采用快速服务数据对象（Service Data Obiect, SDO）协议直接访问CANopen设备对象字典，SDO协议是“服务器客户端”的通信模型，也就是客户端向指定的（指定Node-ID）服务器发出请求，服务器给出应答。在CANopen网络中，本模块作为服务器，接收主站（客户端）的请求并应答。符合CIA301规范，本模块（服务器）响应SDO数据的默认CAN-ID为0x580+$NODEID，接收SDO数据的默认CAN-ID为0x600+$NODEID[6]，如表1、表2所示。

图9 状态采集电路

图10 CAN总线接口电路

表1 CANopen对象字典

表2 SDO数据结构

本模块的默认node-ID是0x1，所以主站可以以0x601的CAN-ID发送请求数据，以0x581的CAN-ID应答。以厂商ID标识为例来描述数据传输格式，如表3—表5所示。

表3 厂商ID标识

表4 参数读取报文发送

表5 应答报文接收

注：0x4F表示接到一个字节。

3 测试与结论

本模块已经在专用车辆上进行联合调试和试运行测试（模块如图11所示），各项性能指标均可达到用户需求，且运行稳定，具体指标如表6所示。智能诊断和过载保护方面的测试均有进行相关模拟测试，各关键节点诊断及过载保护快速准确。在线束连接方面，输出线束在传统配电模块的基础上不变，由于智能配电模块输入信号的线束是直接通过CAN总线进行传输，所以输入信号的线束直接可以省掉。在成本方面，智能配电模块相对稍微高点，但增幅基本上可以控制在20%以内。

图11 模块实物图

表6 模块性能指标

4 应用前景

本课题研发的专用车辆智能配电模块，实现了对车辆的电源系统的高效智能管理，具有短路和过载保护及相应故障指示。同步提升了电控系统的可靠性和维修性，并具有通用性，可以在不同类型的专用车辆上推广应用。另外，由于本模块开发了通信功能，能将智能配电模块的状态信息和故障信息通过CAN总线传输至主控模块或上位机，也为故障的远程诊断和无人驾驶奠定了技术基础，顺应了专用车辆智能化作业和信息化管理的发展趋势。

[1] 意法-ST.STM32F103RB[EB/OL].（2021-05-11）[2022-11-02].www.semiee.com/5c4d6c5a-4c21-b28e-49112 24b1f60.html.

[2] 张庆,李小珊.车载蓄电池亏电电压阈值的研究[J].汽车实用技术,2021,46(17):8-10.

[3] 张蓉,王少军,张碧娟,等.继电器的额定寿命与可靠度[J].电子测试,2017(8):32-33.

[4] 张昆华,管伟明,孙加林,等.AgSnO2电接触材料的制备和直流电弧侵蚀形貌特征[J].稀有金属材料与工程,2005,34(6):924-927.

[5] 王海涛,景芹,赵靖英.Ag/SnO2电-La2O3-Bi2O3触头材料研究[J].稀有金属材料与工程,2005,34(10):1666- 1668.

[6] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,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

孙进（1981—），男，高级工程师，研究方向为环卫机械自动化控制，E-mail:179490362@qq.com。