CN105522987A - 一种智能车载配电保护装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能车载配电保护装置及其方法，智能车载配电装置包括微控制器、信号采集模块、功率分配模块和散热保护模块；信号采集模块、功率分配模块和散热保护模块均与微控制器相连；本发明创造性地采用了可精确控制其制冷效果的半导体制冷片，基于散热模型及有限状态机，能有效地将配电装置及功率器件的温度控制在预设的温度范围内，这是一种全新的散热控制方案，且易于实施。该智能车载配电保护装置及其方法易于实施，且散热效果显著。

Description

一种智能车载配电保护装置及其方法

技术领域

本发明属于汽车电子系统领域，涉及一种智能车载配电保护装置及其方法。

背景技术

随着汽车及电子产品的发展以及人们对汽车舒适性、安全性、人性化要求的不断提高，汽车上的用电设备越来越多，相应的电流分配及线束越来越复杂；中央配电盒通过复杂的内部汇流排或电子电路集成、配合相应的电子电气元件、具备电子电气集控与分配功能，具备整车的电源分配、电路保护及控制功能，保证各用电设备协调、安全及正常使用，其好坏直接影响到汽车的性能及安全。

传统的中央配电盒采用继电器对大电流功率器件进行控制，同时辅以保险丝进行过流、过压保护，同时，配电盒需要较高的防护等级，一般采用密闭结构。然而，继电器在工作工程中通过的大电流产生的热量，在密闭空间中无法有效散热，极易导致器件过热失效，因此，如何解决配电盒密闭空间中大电流功率器件的有效散热问题，是目前急需解决的问题。

因此，有必要设计一种智能车载配电保护装置及其方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种智能车载配电保护装置及其方法，该智能车载配电保护装置及其方法易于实施，且散热效果显著。

发明的技术解决方案如下：

一种智能车载配电装置，包括微控制器、信号采集模块、功率分配模块和散热保护模块；信号采集模块、功率分配模块和散热保护模块均与微控制器相连；

微控制器与车载主控制器通信连接；

功率分配模块中集成有多个用于控制外部负载的电子开关；电子开关受控于微控制器；功率分配模块设置在车载电源与外部负载之间，用于在微控制器的控制下引入外部电源为外部负载供电；

信号采集模块包括智能高边电子开关及外部负载的温度、电流、电压信号采集电路及相应的信号调理电路。【采集电压信号是用来获得电子开关的内阻)所述的散热保护模块包括导热焊盘和制冷片；微控制器和电子开关焊接在PCB板上；

导热焊盘设置在PCB板上；导热焊盘同导热绝缘胶与制冷片相连。

制冷片为半导体制冷片或金属制冷片。

电子开关为高边电子开关。

微控制器通过CAN总线与外部车载主控制器相连。

智能车载配电装置设置在外壳中。外壳上设有凸型散热片.此处所谓的凸型散热片和外壳是一体的，只不过其结构为凸型散热的设计结构。

外壳的内壁与制冷片接触。

制冷片为半导体制冷片；先对智能车载配电装置进行初始化：确定装置内部正常工作温度区间[T_nc，T_nh]、最高极限工作温度T_max；T_nc，T_nh分别为装置内部正常工作温度的下限和上限；设置完成进入休眠状态；

控制智能车载配电装置处于某一工作状态或在以下不同的工作状态之间切换

以实现过热保护；

1)休眠状态：检测智能电子开关通过的电流I，电压V、温度T_in、T_out参数，制冷片不工作；当电子开关开启时，进入升温状态；(半导体制冷片根据其通过的电流来控制其制冷量，也就是说，通过的电流不同，制冷量不同，这样的话，我只要控制其电流，就可以确定其制冷量，反映到散热模型里，就是通过控制电流来控制温度的变化.如采用TEC1-12703型温差电致冷组件半导体制冷片，具体过程可以参考：http://wenku.baidu.com/link？url＝-fESjB2f84CXuzb5My8H4SCwzyGBXbzPHfYJWnzSnpuKXSc3XySTzPhM4oqN4En1MaKNM4L15M-ryUi5b18ZOxF4VOiMWEXeyXuxz1DR4xy)

2)升温状态：根据检测的电流I、温度T_in，基于散热模型，开启半导体制冷片散热，其中半导体制冷片通过的电流I_x1按下式确定：

$I_{x1}=\frac{\Π-\sqrt{{\Π}^2-2rK\[{\mathrm{\ηI}}^2{R}_r\[\frac{1}{{\mathrm{hA}}_1}+\frac{d}{{\mathrm{\λA}}_2}+\frac{1}{K}\]-\left(T_{in}-T_{out}\right)\]}}{r}$ 公式9

∏为帕尔贴系数；r半导体制冷片内阻；K为半导体制冷片热导；

I为该电子开关通过电流，R_r为电子开关的内阻；

h为空气与外壳对流传热系数；

T_in为电子开关焊盘温度，T_out为外部环境温度；

η为电子开关与焊盘间的传热效率；

A₁为外壳外侧表面积，d为外壳厚度，λ为外壳导热系数，A₂为半导体制冷片与外壳内壁的接触面积；

η、R_r、h、A₁、d、λ、A₂、K、∏、r为确定常数；

当温度T_in在正常工作温度区间[T_nc，T_nh]内(即T_in恒定在某一范围之内)时，进入稳定状态；温度范围取25～70度，T_max取85度，高边电子开关采用英飞凌智能高边电子开关，型号BTs6110-1sJA；

3)稳定状态：检测的电流I、温度T_in以及T_out，根据公式9调整半导体制冷片通过的电流I_x1；

当监测到温度T_in逐步增大至超过T_nh时，进入降温状态；

4)降温状态：持续加大半导体制冷片电流I_x1至最佳制冷电流I_x2，对装置进行持续散热，其中最佳制冷电流I_X2按下式给定：

I_x2＝Π/r(10)

当监测到温度T_in低于T_nc时，进入稳定状态；

5)极限状态：当电流I_x增大至最佳制冷电流I_x2时，温度仍增大，向外部车载主控制器告警，当温度达到最高极限工作温度T_max时，主动关停智能高边电子开关工作，保持半导体制冷片最佳制冷电流，直至温度低于T_nc，进入休眠状态。

一种智能车载配电保护方法，采用前述的智能车载配电装置；

由微处理器通过信号采集模块采集温度和电流参数；

微处理器通过控制功率分配模块中的电子开关实现外部电源为外部负载供电；

微处理器通过控制散热保护模块实现智能车载配电装置的过热保护。

制冷片采用能可控的半导体制冷片；电子开关为高边电子开关；

控制智能车载配电装置在不同的工作状态之间切换实现过热保护；

所述的工作状态包括休眠状态、稳定状态、降温状态、升温状态和极限状态。

智能车载配电装置，利用信号采集控制模块采集的温度、电流、电压信号，基于半导体制冷组件建立散热模型，以半导体制冷组件电流为控制对象，以智能高边电子开关焊盘温度为控制目标，建立智能车载配电装置散热保护策略，实现智能车载配电装置散热保护。

所述散热模型如下：

$T_{in}-T_{out}={\mathrm{\ηI}}^2{R}_r\left(\frac{1}{{\mathrm{hA}}_1}+\frac{d}{{\mathrm{\λA}}_2}+\frac{1}{K}\right)+\frac{1}{K}\left(\frac{1}{2}{I}_x^{2}r-\ΠI_x\right),$

其中：

${\Π}^2-2rK\[{\mathrm{\ηI}}^2{R}_r\left(\frac{1}{{\mathrm{hA}}_1}+\frac{d}{{\mathrm{\λA}}_2}+\frac{1}{K}\right)-(T_{in}-T_{out})\]\≥0$

式中，T_in为智能高边电子开关焊盘温度，T_out为外部环境温度，η为智能高边电子开关与焊盘间的传热效率，I为该智能高边电子开关通过电流，R_r为其内阻，h为空气与壳对流传热系数，A₁为壳外侧表面积，d为智能车载配电装置外壳厚度，λ为壳体导热系数，A₂为半导体制冷组件与配电装置外壳内侧接触面积，K为半导体制冷组件热导，Π为帕尔贴系数，I_x半导体制冷组件通过的电流，r半导体制冷组件内阻；η、R_r、h、A₁、d、λ、A₂、K、∏、r为确定常数，外部环境温度T_out为随时间缓慢变化的变量，在短期控制期内可确定为常数。T_in只与智能高边电子开关通过电流I，半导体制冷组件通过的电流I_x有关。

其中，所述散热模型建立过程如下：

1)智能高边电子开关器件在工作过程中，制热量Q₁：

Q₁＝I²R_r(1)

2)智能高边电子开关器件产生的热量中绝大部分传导至焊盘，半导体制冷组件冷端与之紧密接触，设其中传热效率为η，冷端吸热量Q₂：

Q₂＝ηQ₁(2)

3)半导体制冷组件冷端制冷量Q₃：

$Q_3=\ΠI_x-\frac{1}{2}{I}_x^{2}r-K(T_1-T_2)---\left(3\right)$

其中，T₁、T₂分别为冷端、热端的温度；

4)半导体制冷组件热端与装置外壳内侧紧密接触，通过热传导将热量从外壳内侧传导至外侧，传热量Q₄：

$Q_4=\frac{{\mathrm{\λA}}_2}{d}(T_2-T_3)---\left(4\right)$

其中，T₃为外壳外侧的温度；

5)装置外壳外侧与空气对流传热，传热量为Q₅：

Q₅＝hA₁(T₃-T₄)(5)

忽略接触面的热损失，上述(1)-(5)式中传热量相等，联立(1)-(5)式，可得：

$T_1-T_4={\mathrm{\ηI}}^2{R}_r\left(\frac{1}{{\mathrm{hA}}_1}+\frac{d}{{\mathrm{\λA}}_2}+\frac{1}{K}\right)+\frac{1}{K}\left(\frac{1}{2}{I}_x^{2}r-\ΠI_x\right)---\left(6\right)$

将T₁、T₄分别用T_in、T_out代替，即可获得装置散热模型：

$T_{in}-T_{out}={\mathrm{\ηI}}^2{R}_r\left(\frac{1}{{\mathrm{hA}}_1}+\frac{d}{{\mathrm{\λA}}_2}+\frac{1}{K}\right)+\frac{1}{K}\left(\frac{1}{2}{I}_x^{2}r-\ΠI_x\right)---\left(7\right)$

为使装置能够在极限情况下有效散热，内外部温度差、以及智能高边电子开关通过的电流I需满足如下约束条件：

${\Π}^2-2rK\[{\mathrm{\ηI}}^2{R}_r\left(\frac{1}{{\mathrm{hA}}_1}+\frac{d}{{\mathrm{\λA}}_2}+\frac{1}{K}\right)-(T_{in}-T_{out})\]\≥0---\left(8\right)$

基于获得的装置散热模型(7)，建立散热保护策略。初始化步骤如下：

初始化：建立装置散热保护模型，确定各个固定参数值，同时确定装置内部正常工作温度区间[T_nc，T_nh]、最高极限工作温度T_max。设置完成进入休眠状态。

高边开关介绍：[highsideswitch]高边开关的作用在于降低低压汽车，工业照明和电机控制应用的成本及复杂性.

高边开关是模拟电路和强劲的负载/输出驱动器的经济高效的集成.此类系统封装器件的设计为严格的汽车应用带来了强劲的高电流负载控制.

高边开关的设计能够提高主板空间的效率，节约系统的成本，他们于微控制器在一起为各种负载如马达，照明，传动器等等提供必要的保护和控制.

有益效果：

本发明的智能车载配电保护装置及其方法，解决了传统中央配电盒中，无法实现配电盒密闭空间中大电流功率器件的有效散热问题。

本发明创造性地采用了可精确控制其制冷效果的半导体制冷片，基于散热模型及有限状态机，能有效地将配电装置及功率器件的温度控制在预设的温度范围内，这是一种全新的散热控制方案，且易于实施。

本发明通过建立基于半导体制冷组件的散热模型，实现对配电装置及其大功率器件的快速、有效的散热。采用本发明装置及方法，解决了工作过程中，密闭空间内直接驱动外部大电流负载工作时，开关器件产生的过热失效问题；同时有效替代了传统配电装置中继电器及保险丝，便于配电装置小型化、集成化。

附图说明

图1是本发明的智能车载配电保护装置结构图；

图2是散热保护模块的剖面图；

图3是本发明的一种智能车载装置散热保护策略流程图(自动状态机切换图)；

标号说明：1-微控制器，2-功率分配模块，3-数据采集模块，4-散热保护模块，5-内部电源，6-车载电源，7-车载主控制器，8-外部负载，9-电子高边开关。10-PCB板；电子开关导热焊盘，12-半导体制冷片，13-外壳。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

如图1-3，一种智能车载配电装置，包括微控制器、信号采集模块、功率分配模块和散热保护模块；信号采集模块、功率分配模块和散热保护模块均与微控制器相连；

微控制器与车载主控制器通信连接；

功率分配模块中集成有多个用于控制外部负载的高边电子开关；高边电子开关受控于微控制器；功率分配模块设置在车载电源与外部负载之间，用于在微控制器的控制下引入外部电源为外部负载供电；

信号采集模块包括智能高边电子开关及外部负载的温度、电流、电压信号采集电路及相应的信号调理电路。采集电压信号是用来计算电子开关的内阻)所述的散热保护模块包括导热焊盘和制冷片；微控制器和高边电子开关焊接在PCB板上；

导热焊盘设置在PCB板上；导热焊盘同导热绝缘胶与制冷片相连。

制冷片为半导体制冷片。

微控制器通过CAN总线与外部车载主控制器相连。

智能车载配电装置设置在外壳中。外壳上设有凸型散热片，此处所谓的凸型散热片和外壳是一体的，只不过其结构为凸型散热的设计结构。

外壳的内壁与半导体制冷片接触。

制冷片为半导体制冷片；先对智能车载配电装置进行初始化：确定装置内部正常工作温度区间[T_nc，T_nh]、最高极限工作温度T_max；T_nc，T_nh分别为装置内部正常工作温度的下限和上限；设置完成进入休眠状态；

控制智能车载配电装置处于某一工作状态或在以下不同的工作状态之间切换以实现过热保护；

1)休眠状态：检测智能电子开关通过的电流I，电压V、温度T_in、T_out参数，制冷片不工作；当电子开关开启时，进入升温状态；(半导体制冷片根据其通过的电流来控制其制冷量，也就是说，通过的电流不同，制冷量不同，这样的话，我只要控制其电流，就可以确定其制冷量，反映到散热模型里，就是通过控制电流来控制温度的变化.如采用TEC1-12703型温差电致冷组件半导体制冷片，具体过程可以参考，http://wenku.baidu.com/link？url＝-fESjB2f84CXuzb5My8H4SCwzyGBXbzPHfYJWnzSnpuKXSc3XySTzPhM4oqN4En1MaKNM4L15M-ryUi5b18ZOxF4VOiMWEXeyXuxzlDR4xy)

2)升温状态：根据检测的电流I、温度T_in，基于散热模型，开启半导体制冷片散热，其中半导体制冷片通过的电流I_x1按下式确定：

$I_{x1}=\frac{\Π-\sqrt{{\Π}^2-2rK\[{\mathrm{\ηI}}^2{R}_r\left(\frac{1}{{\mathrm{hA}}_1}+\frac{d}{{\mathrm{\λA}}_2}+\frac{1}{K}\right)-\left(T_{in}-T_{out}\right)\]}}{r}$ 公式9

∏为帕尔贴系数；r半导体制冷片内阻；K为半导体制冷片热导；

I为该电子开关通过电流，R_r为电子开关的内阻；

h为空气与外壳对流传热系数；

T_in为电子开关焊盘温度，T_out为外部环境温度；

η为电子开关与焊盘间的传热效率；

A₁为外壳外侧表面积，d为外壳厚度，λ为外壳导热系数，A₂为半导体制冷片与外壳内壁的接触面积；

η、R_r、h、A₁、d、λ、A₂、K、∏、r为确定常数；

某一实例中的具体参数：

η＝0.9，R_r＝U/I高边电子开关内阻随温度不同而不同，故用公式确定，U为采集的电压，I为采集的电流；h自然对流换热系数(取6W/m².k)，A2半导体制冷片与外壳内壁的接触面积，取(40mm*40mm＝1.6*10^-3m²)，A1与A2按10∶1折算(1.6*10^-2m²)，d厚度(2*10^-3m)6063型铝合金外壳导热系数λ＝201W/m.K；K热导率＝0.5(W/cm.K)；具体可参考http:// wenku.baidu.com/link？url＝Ftr6sKFA5It6m16HEF09YT5MaUc20De6HqrA70r7dci4SJdg21D 6IrUwAfdnfoXRMLRJPmsXiqY13TCwpq3YZjoeUxJZy5hCaEu7T86QOa；

帕尔贴系数∏＝aT_c，a半导体制冷片温差电动势率，取500uV/K，T_c为冷端温度，取正常温度300k(开尔文)，可参考http://wenku.baidu.com/link？url＝_9CCWg05u5LICyqzB2L3JSHud6cBSbCroPWhFDtGW2VFCs-20Kmj3NrnreALcnQ51as4x66EZRv-u_eel-w7ZeQjeRZ2sbMPMaksF1NCScS；

r＝4欧姆；

当温度T_in在正常工作温度区间[T_nc，T_nh]内(即T_in恒定在某一范围之内)时，进入稳定状态；

3)稳定状态：检测的电流I、温度T_in以及T_out，根据公式9调整半导体制冷片通过的电流I_x1；

当监测到温度T_in逐步增大至超过T_nh时，进入降温状态；

4)降温状态：持续加大半导体制冷片电流I_x1至最佳制冷电流I_x2，对装置进行持续散热，其中最佳制冷电流I_x2按下式给定：

I_x2＝Π/r(10)

当监测到温度T_in低于T_nc时，进入稳定状态；

5)极限状态：当电流I_x增大至最佳制冷电流I_x2时，温度仍增大，向外部车载主控制器告警，当温度达到最高极限工作温度T_max时，主动关停智能高边电子开关工作，保持半导体制冷片最佳制冷电流，直至温度低于T_nc，进入休眠状态。

一种智能车载配电保护方法，采用前述的智能车载配电装置；

由微处理器通过信号采集模块采集温度和电流参数；

微处理器通过控制功率分配模块中的电子开关实现外部电源为外部负载供电；

微处理器通过控制散热保护模块实现智能车载配电装置的过热保护。

制冷片采用能可控的半导体制冷片；电子开关为高边电子开关；

控制智能车载配电装置在不同的工作状态之间切换实现过热保护；

所述的工作状态包括休眠状态、稳定状态、降温状态、升温状态和极限状态。

Claims (10)

1.一种智能车载配电装置，其特征在于，包括微控制器、信号采集模块、功率分配模块和散热保护模块；信号采集模块、功率分配模块和散热保护模块均与微控制器相连；

微控制器与车载主控制器通信连接；

功率分配模块中集成有多个用于控制外部负载的电子开关；电子开关受控于微控制器；功率分配模块设置在车载电源与外部负载之间，用于在微控制器的控制下引入外部电源为外部负载供电；

信号采集模块包括智能高边电子开关及外部负载的温度、电流、电压信号采集电路及相应的信号调理电路。

2.根据权利要求1所述的智能车载配电装置，其特征在于，所述的散热保护模块包括导热焊盘和制冷片；微控制器和电子开关焊接在PCB板上；

导热焊盘设置在PCB板上；导热焊盘同导热绝缘胶与制冷片相连。

3.根据权利要求2所述的智能车载配电装置，其特征在于，制冷片为半导体制冷片或金属制冷片。

4.根据权利要求1所述的智能车载配电装置，其特征在于，电子开关为高边电子开关。

5.根据权利要求1所述的智能车载配电装置，其特征在于，微控制器通过CAN总线与外部车载主控制器相连。

6.根据权利要求2所述的智能车载配电装置，其特征在于，智能车载配电装置设置在外壳中。

7.根据权利要求6所述的智能车载配电装置，其特征在于，外壳的内壁与制冷片接触。

8.根据权利要求7所述的智能车载配电装置，其特征在于，制冷片为半导体制冷片；先对智能车载配电装置进行初始化：确定装置内部正常工作温度区间[T_nc，T_nh]、最高极限工作温度T_max；T_nc，T_nh分别为装置内部正常工作温度的下限和上限；设置完成进入休眠状态；

控制智能车载配电装置处于某一工作状态或在以下不同的工作状态之间切换以实现过热保护；

1)休眠状态：检测智能电子开关通过的电流I，电压V、温度T_in、T_out参数，制冷片不工作；当电子开关开启时，进入升温状态；

2)升温状态：根据检测的电流I、温度T_in，基于散热模型，开启半导体制冷片散热，其中半导体制冷片通过的电流I_x1按下式确定：

$I_{x1}=\frac{\Π-\sqrt{{\mathrm{\Π}}^2-2rK\[{\mathrm{\ηI}}^2{R}_r(\frac{1}{{\mathrm{hA}}_1}+\frac{d}{{\mathrm{\λA}}_2}+\frac{1}{K})-(T_{in}-T_{out})\]}}{r}$ 公式9

Π为帕尔贴系数；r半导体制冷片内阻；K为半导体制冷片热导；

I为该电子开关通过电流，R_r为电子开关的内阻；

h为空气与外壳对流传热系数；

T_in为电子开关焊盘温度，T_out为外部环境温度；

η为电子开关与焊盘间的传热效率；

A₁为外壳外侧表面积，d为外壳厚度，λ为外壳导热系数，A₂为半导体制冷片与外壳内壁的接触面积；

η、R_r、h、A₁、d、λ、A₂、K、Π、r为确定常数；

当温度T_in在正常工作温度区间[T_nc，T_nh]内时，进入稳定状态；

3)稳定状态：检测的电流I、温度T_in以及T_out，根据公式9调整半导体制冷片通过的电流I_x1；

当监测到温度T_in逐步增大至超过T_nh时，进入降温状态；

4)降温状态：持续加大半导体制冷片电流I_x1至最佳制冷电流I_x2，对装置进行持续散热，其中最佳制冷电流I_x2按下式给定：

I_x2＝Π/r(10)

当监测到温度T_in低于T_nc时，进入稳定状态；

5)极限状态：当电流I_x增大至最佳制冷电流I_x2时，温度仍增大，向外部车载主控制器告警，当温度达到最高极限工作温度T_max时，主动关停智能高边电子开关工作，保持半导体制冷片最佳制冷电流，直至温度低于T_nc，进入休眠状态。

9.一种智能车载配电保护方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的智能车载配电装置；

由微处理器通过信号采集模块采集温度和电流参数；

微处理器通过控制功率分配模块中的电子开关实现外部电源为外部负载供电；

微处理器通过控制散热保护模块实现智能车载配电装置的过热保护。

10.根据权利要求9所述的智能车载配电保护方法，其特征在于，制冷片采用能可控的半导体制冷片；电子开关为高边电子开关；

控制智能车载配电装置在不同的工作状态之间切换实现过热保护；

所述的工作状态包括休眠状态、稳定状态、降温状态、升温状态和极限状态。