CN101982919B

CN101982919B - 危险品在途监测的车载传感器电源

Info

Publication number: CN101982919B
Application number: CN 201010531805
Authority: CN
Inventors: 赵祥模; 惠飞; 杨澜; 史昕; 雷涛; 刘占文; 杨小军
Original assignee: Changan University
Current assignee: Changan University
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: CN101982919A

Abstract

本发明公开了一种危险品在途监测的车载传感器电源，包括安装在车内的蓄电池、锂电池和电源变换器，所述的电源变换器由电压监测及双电源切换模块、充/放电逻辑判断切换模块、充放电保护模块、充电恒流变换输出电路、5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块组成，其中，充放电保护模块由锂电池过放判断及通断模块和锂电池过充判断及通断模块组成；具有两路隔离输出、双电源智能切换功能、硬件电源保护功能、抗电磁干扰和支持宽温工作，能够满足24V电气系统车辆的各类5V、12V车载传感器需求，进行安全、稳定和高效供电。本发明提高了车载传感器的可靠性，保证在工程车辆电源波动和熄火的情况下传感器及其数据采集系统的稳定工作。

Description

危险品在途监测的车载传感器电源

技术领域

本发明涉及一种新的车载电源硬件设计技术，具体说是一种危险品在途监测的车载传感器电源。

背景技术

危险品在途检测是现代交通技术领域中的一个特殊应用，它是结合交通运输技术、安全技术、无线传感器网络技术、微机电系统技术、计算机技术、传感器技术、通信技术等高新技术所组成的监控系统，以获取在途车辆的安全状态，实现实时预警，防止事故发生。其中，由于车内的电气设备在运行时，会产生大量电磁干扰，这些干扰频带很宽，通过传导、耦合或者辐射的方式，传播到电源系统内，进而影响到传感器的正常工作。所以，车载传感器的安全和稳定供电成为一个关键问题。此电源装置不仅具有提供有效电压驱动的能力，并且还应具有在复杂的车载环境中稳定工作的能力。

现有的车载传感器供电方式一般有两种：一是使用车内的直流电源适配器供电，二是利用普通电池供电。

车内直流电源适配器可基本满足供电功能，但是，由于车辆点火启动时会使输出电流增大，蓄电池可能在短时间内电压急剧下降到最低6-9V左右，或者最高升至33-34V左右，造成电源输出不稳定。从而对危险品监测系统中的气体传感器、液体传感器等特殊传感器造成隐患。其次，汽车直流电源在车辆熄火时无备份电源，而本系统要求工程车辆在熄火状态时仍需通过GPS返回车辆地理信息，所以，汽车直流适配器不能保证传感器采集和存储数据的连续性。

普通电池虽然可以完全脱离车载电源的依赖，但由于其寿命短、利用率不高、带负载能力差等缺点，对于工程车辆在途状态的不间断监测不具备良好的可靠性。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种危险品在途监测的车载传感器电源，该车载传感器电源采用ISO7637电源设计方案和A类测试标准，具有两路隔离输出、双电源智能切换功能、硬件电源保护功能、抗电磁干扰和支持宽温工作，能够满足24V电气系统车辆的各类5V、12V车载传感器需求，进行安全、稳定和高效供电。

为了实现上述任务，本发明采取以下技术方案得以实现：

一种危险品在途监测的车载传感器电源，包括安装在车内的蓄电池，其特征在于，还包括锂电池和电源变换器，所述的电源变换器由电压监测及双电源切换模块、充/放电逻辑判断切换模块、充放电保护模块、充电恒流变换输出电路、5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块组成，其中，充放电保护模块由锂电池过放判断及通断模块和锂电池过充判断及通断模块组成；

蓄电池和电压监测及双电源切换模块输入端连接；电压监测及双电源切换模块的输出端分别与充电恒流变换输出电路、5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块连接；

锂电池与充/放电逻辑判断切换模块连接，充/放电逻辑判断切换模块与充放电保护模块连接，充放电保护模块与充电恒流变换输出电路连接，充电恒流变换输出电路分别与5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块相连接；

车内蓄电池的正常供电电压范围为22V~30V，如果电压监测及双电源切换模块监测蓄电池供电电压正常，蓄电池则经过充电压监测及双电源切换模块的输出端和5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块连通，为负载电路供电；同时，蓄电池连通充电恒流变换输出电路、充放电保护模块和充/放电逻辑判断切换模块，为锂电池充电，其中，充/放电逻辑判断切换模块监测锂电池电压并决定通断；当锂电池供电的电压低至14V时，锂电池过放判断及通断模块停止放电以保护锂电池不被过放电；而锂电池的充电电压达到21V时，锂电池过充判断及通断模块终止充电以保护锂电池不被过充电；

当电压监测及双电源切换模块监测蓄电池供电电压高于30V或者低于20V时，锂电池与充/放电逻辑判断切换模块自动切换供电状态，将锂电池与充/放电逻辑判断切换模块连通，经过充电压监测及双电源切换模块的输出端和5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块连通，为负载电路供电；

当蓄电池的供电母线电压恢复为22V～30V时，电压监测及双电源切换模块将锂电池供电状态切换回蓄电池供电状态。

为了防止突发性的断电对传感器产生的不良影响，锂电池由5节3.6V的单项电池串联组成，可提供18V的输出电压。

本发明与现有方法相比，具有以下优点：

1、本电源装置可提供两路12V、5V的隔离电压输出和一路0.5A非隔离恒流输出，具有抗干扰能力强和过压、过流和短路保护。

2、本电源装置采用双电源供电，车载蓄电池与备用电池的正常工作范围无交集，并可实现自动切换，从而有效的避免了干扰，为传感器不间断稳定供电。

3、变压器采用纯手工绕制，线圈匝数由理论推导和试验得到的，从而有效的降低了漏磁。

4、利用四比较器法简单巧妙而准确可靠地实现锂电池充放电逻辑判断，实现了过充及过放电保护功能。

5、采用电流控制型单端反激拓扑的稳压，恒流变换器，具有输入电压范围适应宽、电压调整率高、控制环路频带宽，负载动态调整率高、输出滤波电感小，电源体积小，成本低；双环路控制，易调试等优点。

6、对电源装置的功率开关器件电参数进行了一级降额或二级降额设计，提高了本装置在恶劣环境下工作的可靠性。

7、抗输入浪涌电压范围：最大正浪涌为+100V，最大负浪涌为-600V。

附图说明

图1是电源装置设计结构图；

图2是电压监测及双电源切换模块原理图；

图3是5V/8A电压转换模块电路；

图4是5V/8A电压转换模块的变压器示意图；

图5是12V/1A电压转换模块电路原理图；

图6是12/1A电压转换模块的变压器示意图；

图7是充电恒流变换输出电路图；

图8是充电恒流变换输出电路的变压器示意图；

图9是锂电池与充/放电逻辑判断切换模块电路原理图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

具体实施方式

本发明的危险品在途监测的车载传感器电源，结构框图如图1所示，是根据GB/T 21437.2-2008/ISO 7637-2:2004《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰》第2部分《沿电源线的电瞬态传导》标准要求，综合考虑而设计的。它包括安装在车内的蓄电池、锂电池和电源变换器，电源变换器由电压监测及双电源切换模块、充/放电逻辑判断切换模块、充放电保护模块、充电恒流变换输出电路、5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块组成。其中，充放电保护模块由锂电池过放判断及通断模块和锂电池过充判断及通断模块组成；

蓄电池和锂电池组成双电源供电系统，其中锂电池由5节3.6V的锂电池串联组成，可提供18V的输出电压，正常供电电源为车载24V蓄电池。

危险品在途监测的车载传感器电源还包括有总开关S1，当总开关S1闭合时，车载传感器电源开始工作。首先电压监测及双电源切换模块进行输入电压监测，来判断是否要切换电源。当蓄电池的供电母线电压高于30V或低于22V时，自动切换到锂电池供电状态。当蓄电池供电母线电压恢复为22V～30V时，由锂电池供电状态自动切换回蓄电池供电状态。如输入电压正常，则通过5V/8A电压转换模块和12V/1A的电压转换模块为负载电路供电，同时为锂电池充电。同时，充/放电逻辑判断切换模块监测锂电池电压并决定通断；当锂电池供电的电压低至14V时，锂电池过放判断及通断模块自动停止放电以保护锂电池不被过放电；而锂电池的充电电压达到21V时，锂电池过充判断及通断模块自动终止充电以保护锂电池不被过充电。

电压监测及双电源切换模块原理图如图2所示，当危险品在途监测的车载传感器电源总开关S1接通瞬间，车载传感器电源可实现电源接入、母线电压监测、判断及转电功能。电压监测及双电源切换模块的输入端“+（22V~29V）”连接车载蓄电池的正极，Vi2接锂电池。D5，D6构成单向导通网络，肖特基二极管Z2，电阻R17，PMOS管Pm2，R18，三极管Q2组成开关限流网络。电感L1，电容C3，C4组成LC滤波电路。电阻R19，R20，R21，肖特基二极管Z4，三极管Q3组成控制通断网络。二极管D8，电阻C12，C13，C14组成限流储能网络。电阻R22，R78，电容C66，二极管D9组成放电回路。

当蓄电池的母线接通供电瞬间，能为各个模块提供启动电流，以确保整个电源的各个模块可靠启动并正常工作。由二极管D5和D6并联组成过电流保护（不是过流保护，只是这个电流比较大，一个二极管过流能力不够）。当蓄电池的供电母线电压高于30V或低于22V时，自动切换到锂电池供电状态。当蓄电池的供电母线电压恢复为22V～30V时，由锂电池供电状态自动切换回蓄电池供电状态。当切换接通供电瞬间，能为各个模块提供启动电流，以确保整个电源的可靠启动并正常工作。其输出Vi接到5V/8A电压转换模块、12V/1A电压转换模块和充电恒流变换输出电路。

5V/8A电压转换模块的电路图如图3所示，对于24V（额定）低压输入变换器，从电路复杂程度、成本、调试便利性等考虑，选用电流控制型单端反激拓扑电路。图中，Vi为蓄电池输入或锂电池输入电压，电容C8，C9，C9a，C9b，C9c和C8a组成储能单元，电阻R44，电容C37组成设置PWM频率单元。电阻R48，R52，R53，R54，R55，R57，电容C41，C41a，C42，C45组成RC滤波电路。电容C48和电阻R58组成放电回路。U7为PWM控制器，通过脉宽调制实现稳压控制。Vaux为U7辅助供电。电阻R50，R51，R56，电容C43，C44和PMOS管NM2和二极管D17组成U7的控制电路，通过U7的6脚控制PMOS管NM2通断，输出稳压芯片U7的调整电压脉冲。T2为变压器。二极管D18为单向导通。电感L3，电容C46，C49，C50，C51，C52，C54，C56，C56a，C56b组成LC储能滤波电路。电阻R63，R64，R62，R61，R60，电容C55，C47组成三端稳压器U8的控制电路。电阻R59为光耦U6A的限流电阻。R42（这个电阻作用是当光耦导通时使U7的八脚下拉到地）为U6B的匹配电阻。U6A和U6B为光耦。电容C38和电阻R47为RC滤波电路。三极管Q4，电阻R49，电容C40，二极管D15，极性电容C40a通过U7的1脚的控制为8脚提供基准电压。其中，电阻R49，电容C40组成RC滤波电路。二极管D15,极性电容C40a组成储能限流电路。电阻R45，R44，R43，R47，电容C37组成滤波电路。

5V/8A电压转换模块的变压器如4所示，综合考虑体积、效率和常用元器件的工作特性，取开关频率为200kHz。根据开关频率和变换功率选变压器磁芯为PC44 EPC25。通过理论和计算，变压器原边需要用漆包线?0.33×16根并绕，变压器副边用?0.33×26根并绕。实际绕制中可根据磁芯窗口大小对漆包线根数做一定的调整。其中，EPC25（插装骨架11Pins）；P1/2——P3/4 为绕组W1，4匝，180℃漆包线Φ0.33mm×16根；P6/7/8——P9/10/11为绕组W2，2匝，180℃漆包线Φ0.33mm×26根；中间屏蔽层接P5。

如图5所示，12V/1A电压转换模块采用电流控制型单端反激拓扑电路，鉴于12V/1A电压转换模块与5V/8A电压转换模块两路输出各自重载/轻载（甚至空载）组合范围大，且两路输出电压精度都比较高，舍弃以5V/8A为主反馈控制而对12V/1A采用三端稳压器稳压控制的可选方案，采用了两个电流控制型单端反激拓扑分别输出12V/1A与5V/8A的方案。采用此方案，不仅能较好保证12V/1A与5V/8A两路输出各自负在大范围变化时的输出电压精度要求，而且较好的保证了电源效率。

U10为PWM控制芯片，通过脉宽调制实现稳压控制。T3为变压器。Vi为蓄电池输入，电容C10，C11，C11a，C11b组成储能单元。电阻R74，R75，R81，电容C65，C67，PMOS管NM3，二极管D21组成电压调整网络，从PWM芯片U10的6脚引出，接入变压器T3的1端。电阻R83，电容C71为放电回路。D22为限流二极管。电容C69，C72，C73，C74，C75，C77，C79，C78和电感L4组成LC储能滤波电路。电阻R84，R85，R86，R87，R88，电容C70，C77和三端稳压器U11组成电压比较电路。电阻R82，R65,R66，光耦U9A，U9B组成控制电路。电阻R71,电容C71组成滤波电路。二极管D19,电阻R72，电容C62a,C62组成电压比较控制电路。电阻R68，R70，R76，R79，R80，电容C61，C58，C57，C64，C63，C63a，C64，C68组成滤波电路。12V/1A电压转换模块和5V/8A电压转换模块的电路工作原理是一样的，唯一不同的是变压器匝数比不同。

12V/1A电压转换模块的变压器如图6所示，开关频率也取为200kHz。根据开关频率和变换功率选变压器磁芯为PC44 EPC19（插装骨架11Pins）；采用三个绕组，P1——P2 为绕组W1，7匝，180℃漆包线Φ0.33mm×5根；P3——P4 为绕组W2，10匝，180℃漆包线Φ0.33mm×2根；P7——P10 为绕组W3，8匝，180℃漆包线Φ0.33mm×4根；中间屏蔽层接P5。

充电恒流变换输出电路如图7所示，也采用电流控制型单端反激拓扑电路。输入Vi与蓄电池正极相接，输出端与锂电池连接，输出大约0.5A的电流为锂电池充电。T1为变压器，U4为PWM控制芯片，通过脉宽调制实现恒流控制。电容C5，C6，C7，C7a组成电压储能电路。电阻R29，R31，R33，R34，R30，电容C22，C23，PMOS管NM1，二极管D13组成电压调整控制电路。电阻R35，电容C27组成滤波电路。D14为导通单元。电容C26，C28，C29，C30，C32，C33，C34，C35和电感L2组成滤波电路。U3B充放电逻辑判断及保护电路中的U3A相对应，控制充电通断。光耦U3B，PMOS管PM3组成输出控制电路。双运放U5（U5A，U5B），电阻R9，R41，R39，R40，R38，R37，R36，电容C31，C25，C24和二极管D12，D11组成电压比较网络，为U4提供调整电压标准。电容C20，C20a，C21为滤波网络。电阻R26，R25，R28，电容C18，C19组成滤波网络。二极管D10，电容C16组成储能导通网络。电阻R24，R23，电容C17组成滤波网络。

充电恒流变换输出电路的变压器如图8所示，开关频率也取为200kHz。根据开关频率和变换功率选变压器磁芯为PC44 EPC19。EPC19（插装骨架11Pins）；两个绕组，同名端关系P1——P4为绕组W1，7匝，180℃漆包线Φ0.33mm×5根；P7/8——P10/11 为绕组W2，14匝，180℃漆包线Φ0.33mm×2根；中间屏蔽层接P2。

充/放电逻辑判断切换模块电路如图9所示，利用四比较器简单巧妙而准确可靠地实现锂电池充放电逻辑判断及过充/过放电保护功能：锂电池充电状态下，其放电电路自动切断；锂电池供电状态下，其充电电路自动切断。锂电池充电电压达到21V时，自动终止充电以保护锂电池不被过充电；锂电池的供电电压低至14V时，自动停止放电以保护锂电池不被过放电。在该电路中，输入接锂电池，输出接母线电压监测/判断/转电及变换器启动电路的输入Vi2，提供备用电源切换。

S1为电路总开关，电阻Rinh和LED1组成指示灯电路。由U2A，U2B，U2C，U2D为LM239电压比较芯片中的四个比较器。电阻R6、R7、R1、R4和U2C和U2D构成一个窗口开关函数，通过电阻R6、R7、R1和R4将电压钳位在14~21V，控制输出VIOVP以及VILVP。二极管D8，D4组成限流网络。电阻R13，肖特接二极管Z1，PMOS管Pm1组成输出限流网络。电阻Ri1，Ri2，Ri3，Ri4，和运放U2A组成电压比较网络。U2D，三极管Q1组成判断14V输出控制通断网络。U2C,电阻R8，光耦U3A组成21V输出控制通断网络。D1，D2为开关。电阻R1，R2，R3，三端稳压器U1，电容C1，U2B组成电压比较网络。

当输入锂电池电压小于14V时，通过U2D比较器与1.68V基准电压比较，PMOS管Pm1不工作，即断开对应的锂电池放电电路；当输入锂电池电压大于21V时，通过U2C比较器与2.5V基准电压比较，将断开U3A对应的U3B蓄电池充电电路，实现了锂电池的高低压保护充电。

Claims

1.一种危险品在途监测的车载传感器电源，包括安装在车内的蓄电池，其特征在于，还包括锂电池和电源变换器，所述的电源变换器由电压监测及双电源切换模块、充/放电逻辑判断切换模块、充放电保护模块、充电恒流变换输出电路、5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块组成，其中，充放电保护模块由锂电池过放判断及通断模块和锂电池过充判断及通断模块组成；

车内蓄电池的正常供电电压范围为22V~30V，如果电压监测及双电源切换模块监测蓄电池供电电压正常，蓄电池则经过电压监测及双电源切换模块的输出端和5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块连通，为负载电路供电；同时，蓄电池连通充电恒流变换输出电路、充放电保护模块和充/放电逻辑判断切换模块，为锂电池充电，其中，充/放电逻辑判断切换模块监测锂电池电压并决定通断；当锂电池供电的电压低至14V时，锂电池过放判断及通断模块停止放电以保护锂电池不被过放电；而锂电池的充电电压达到21V时，锂电池过充判断及通断模块终止充电以保护锂电池不被过充电；

当电压监测及双电源切换模块监测蓄电池供电电压高于30V或者低于20V时，锂电池与充/放电逻辑判断切换模块自动切换供电状态，将锂电池与充/放电逻辑判断切换模块连通，经过电压监测及双电源切换模块的输出端和5V/8A电压转换模块和12V/1A电压转换模块连通，为负载电路供电；

当蓄电池的供电母线电压恢复为22V～30V时，电压监测及双电源切换模块将锂电池供电状态切换回蓄电池供电状态；

所述的电压监测及双电源切换模块主要包括开关限流网络、控制通断网络、限流储能网络和放电回路；

所述的5V/8A电压转换模块、12V/1A电压转换模块和充电恒流变换输出电路选用电流控制型单端反激拓扑电路实现；

所述的充/放电逻辑判断切换模块，采用四比较器实现锂电池充放电逻辑判断及过充/过放电保护功能，即锂电池充电状态下，其放电电路自动切断；锂电池供电状态下，其充电电路自动切断。

2.如权利要求1所述的危险品在途监测的车载传感器电源，其特征在于，所述的锂电池由5节3.6V的单项电池串联组成。

3.如权利要求1所述的危险品在途监测的车载传感器电源，其特征在于，所述的充电恒流变换输出电路输出0.5A的电流为锂电池充电。