CN109270922A - 自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，用以解决现有汽车电源分配单元的重量较重、体积较大、智能化程度低，维修效率低的问题。本发明包括壳体，壳体内设有线路板，线路板上设有MCU控制器、SBC模块和若干个高边驱动芯片，SBC模块集成有电压转换模块和CAN总线接口模块，电压转换模块与外界电源相连接，CAN总线接口模块分别与仪表盘显示屏和MCU控制器相连接，MCU控制器与各个高边驱动芯片相连接，高边驱动芯片与电源相连接，高边驱动芯片与负载相连接。本发明实现对过流故障实现精确切断开关，对负载回路主动保护，智能化程度较高；在线直接显示过流回路编号或高边驱动芯片编号，提高了维护方便性。

Description

自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元

技术领域

本发明涉及汽车电源分配的技术领域，尤其涉及一种自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元。

背景技术

汽车电源分配单元是对车辆配置的传感器、模块、负载及回路进行电源分配及保护且具有一定防护等级要求的一种总成装置，其主要功能是负责全车用电设备的电源分配，并对用电设备的导线进行过载保护，保证用电设备及车辆的安全使用。汽车电源分配单元作为整车电气系统的神经枢纽，主要由塑料壳体、线路板、汇流条、连接器端子、保险、继电器等零部件组成。在正常工况下，汽车电源分配单元装配的继电器线圈回路长时间加载电流造成电能损耗，绝大部分以热能的方式散发到产品内部，促使环境温度升高，造成工作环境恶化。继电器负载回路工作的方式是触点接触或断开，尤其是在触点接触的过程中会产生声音，这种声音对于驾驶舱的乘客来说是不愿接受的噪音。车辆负载回路工作电流异常时，通过保险熔断保护回路导线和负载，这种保护方式是被动式的一次性保护，故障处理后需要重新装配新的保险，智能化程度较低。继电器的结构形式造成其重量和体积较大，尤其是大电流功率型继电器更大；大电流感性负载的保险的重量和体积也较大。以上保险和继电器的工况和特征已经不符合当前汽车厂要求的零部件轻量化、小型化、智能化、低能耗、无噪音的发展趋势。

现有汽车电源分配单元包括继电器和保险丝，若干个继电器和保险丝分布在线路板上，每个继电器通过一个保险丝与电源相连接，保险丝能通过的额定电流包括10A、15A、20A和40A，电源通过不同的保险丝和继电器分别与后除霜装置、电子真空泵、水泵、空调离合器、喇叭、油泵、汽车变速器（CVT）、智能自动启停系统（ISS）、左雾灯、右雾灯、左近光灯、后近光灯、左远光灯和后远光灯等相连接，线路板结构复杂，控制较繁琐，智能化程度较低。

车辆负载出现故障后，维修人员或者消费者需要打开汽车电源分配单元的盖子或者拆开仪表板护板，根据盖子内部的标识内容或者产品说明书核查汽车电源分配单元内的保险、继电器是否失效，维修效率低，不符合维护快捷、方便的要求。

发明内容

针对现有汽车电源分配单元的重量较重、体积较大、智能化程度低，维修效率低，不能满足现有需求的技术问题，本发明提出一种自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，解决了现有产品中存在的智能化程度低、能耗高、噪音大、体积大、重量重、维修方便性低等问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，包括壳体，壳体内设有线路板，所述线路板上设有MCU控制器、SBC模块和若干个高边驱动芯片，SBC模块集成有电压转换模块和CAN总线接口模块，电压转换模块与外界电源相连接，CAN总线接口模块通过CAN总线与仪表盘显示屏相连接；所述CAN总线接口模块与MCU控制器相连接，MCU控制器分别与各个高边驱动芯片相连接，高边驱动芯片分别与电源和负载相连接。

所述MCU控制器分别与IGN信号检测模块和电压检测模块相连接，IGN信号检测模块的IGN信号由点火开关接入，电压检测模块的电压信号并联在电源两端。

所述高边驱动芯片的输出脚直接与负载和防静电的电容C2相连接，电容C2的一端与高边驱动芯片的输出端相连接，电容C2的另一端接地；所述负载包括后除霜装置、后视镜驱动装置、电子真空泵、水泵、空调离合器、喇叭、油泵、汽车变速器、智能自动启停系统、远光灯、近光灯和前雾灯，远光灯包括左远光灯和右远光灯，近光灯包括左近光灯和右近光灯，前雾灯包括左前雾灯和右前雾灯。

所述电压转换模块包括线性稳压器，CAN总线接口模块包括CAN收发器，线性稳压器的输入端与电源相连接，线性稳压器的输出端与MCU控制器相连；CAN收发器的一端与仪表盘显示屏相连接，CAN收发器的另一端与MCU控制器相连接。

所述MCU控制器内设有主控制器、存储器、计算模块、比较模块和CAN控制器，存储器、计算模块、比较模块和CAN控制器均与主控制器相连接，CAN控制器与CAN收发器相连接。

所述高边驱动芯片包括MOSFET场效应管、升压驱动电路和电流反馈电路，升压驱动电路的内部与MOSFET晶体管的栅极相连接，升压驱动电路的外部由高边驱动芯片的IN脚作为控制接口，IN脚通过限流电阻R1与MCU控制器的一个I/O口相连接；电流反馈电路由高边驱动芯片的IS脚作为信号反馈接口，IS脚通过分压电阻R7以及一个RC滤波电路与MCU控制器的一个具有AD转换功能的I/O口相连接；高边驱动芯片的输出端与负载相连接，高边驱动芯片的GND引脚接地。

所述分压电阻R7与RC滤波电路相连接，RC滤波电路包括电阻R8和电容C3，电阻R7与高边驱动芯片的IS脚相连接，电阻R7分别与电容C3的一端和接地端相连接，电容C3的另一端与电阻R8相连接。

所述高边驱动芯片内还设有诊断使能电路，诊断使能电路与高边驱动芯片的DEN脚相连接。

所述高边驱动芯片还包括有VS引脚，VS引脚与12V电源以及浪涌电压抑制电路相连接，浪涌电压抑制电路包括电容C1和稳压管Z1，VS引脚分别与电容C1的一端和稳压管Z1的阴极相连接，电容C1的另一端和稳压管Z1的正极接地相连接。

所述高边驱动芯片的GND引脚与防反接电路相连接，防反接电路包括电阻R3和二极管D1，GND引脚分别与电阻R3的一端和二极管D1的正极相连接，电阻R3的另一端和二极管D1的负极接地。

本发明的有益效果：MCU控制器和高边驱动芯片（HSD）替代传统的保险、继电器后产品重量降低约30%；产在正常工况下没有任何噪音，绝对静音；最大能耗约为传统的继电器的七分之一；高边驱动芯片（HSD）的开关次数可高达100万次，远远高于继电器的10万次，提高了产品使用寿命。本发明对过流故障实现精确切断开关，故障排除后可自动实现重新导通，对回路进行主动保护，智能化程度较高；在线直接显示过流回路编号或高边驱动芯片（HSD）编号，提高了维护方便性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统框图。

图2为本发明的线路板的布置结构示意图。

图3为本发明的高边驱动芯片的控制电路图。

图中，1为高边驱动芯片，2为MCU控制器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，一种自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，包括壳体，壳体内设有线路板，所述线路板上设有MCU控制器2、SBC模块和若干个高边驱动芯片1，SBC模块集成有电压转换模块和CAN总线接口模块，电压转换模块（LDO）与外界12V电源和地相连接，CAN总线接口模块通过CAN总线与仪表盘显示屏相连接；所述CAN总线接口模块与MCU控制器2相连接，MCU控制器2与各个高边驱动芯片1相连接，高边驱动芯片1与电源相连接，高边驱动芯片1与负载相连接。MCU控制器2用于控制高边驱动芯片1的启动。本发明在车辆中进行电源分配及回路保护，增加了MCU控制器2和CAN总线接口模块，MCU控制器为微处理器控制模块，MCU控制器2和高边驱动芯片1（HSD）替代传统的保险和继电器。当负载回路加载工作电流时，集成的MCU控制器2实时监控流经高边驱动芯片1的电流，MCU控制器2通过解析CAN报文识别出对高边驱动芯片的控制信息，高边驱动芯片对回路进行过流和短路保护，回路出现过流或者保险熔断后，通过CAN总线传输信息到仪表板显示屏直接显示过流回路编号或者高边驱动芯片1的编号，提高了维护的方便性。

MCU控制器为微处理器控制模块。所述MCU控制器分别与IGN信号检测模块和电压检测模块相连接，IGN信号检测模块设置在点火开关处，IGN信号检测模块检测点火开关的启动信号，并将启动信号传送至MCU控制器，MCU控制器开始工作。电压检测模块并联在电源两端，检测电源是否工作在正常的9-16V电压的范围内，如果没有工作在正常电压内，MCU控制器切断总电源。

所述负载包括后除霜装置、后视镜驱动装置、电子真空泵、水泵、空调离合器、喇叭、油泵、汽车变速器、智能自动启停系统、远光灯、近光灯和前雾灯相连接，远光灯包括左远光灯和右远光灯，近光灯包括左近光灯和右近光灯，前雾灯包括左前雾灯和右前雾灯。每个负载连接一个高边驱动芯片1形成一个回路，实现对每个负载的各自控制。

所述电压转换模块包括线性稳压器，CAN总线接口模块包括CAN收发器，线性稳压器的输入端与电源相连接，线性稳压器的输出端与MCU控制器相连接；CAN收发器的一端通过CAN总线与仪表盘显示屏相连接，CAN收发器的另一端与MCU控制器相连接。本发明通过CAN总线接口模块可实现与车身其他控制模块的信息交换，对高边驱动芯片1的控制信息经由CAN总线以CAN报文的形式发至CAN总线接口模块，MCU控制器2将接收到的CAN报文解析后识别出对高边驱动芯片1的控制信息（包括需要操作的回路编号以及具体的操作类型）。根据识别出的控制信息，MCU控制器2实现对高边驱动芯片1的控制。

所述MCU控制器内设有主控制器、存储器、计算模块、比较模块和CAN控制器，存储器、计算模块、比较模块和CAN控制器均与主控制器相连接，CAN控制器与CAN收发器相连接。CAN控制器实现的CAN报文的解析。MCU控制器2实时监控流经高边驱动芯片1的电流，比较模块通过对比存储器中预先设定的阀值，对回路进行过流和短路保护。回路出现过流后高边驱动芯片1停止工作，通过CAN线传输信息在仪表板显示屏直接显示过流回路编号或高边驱动芯片1的编号。如图3所示，MCU控制2通过3根控制线与高边驱动芯片1相连，以实现对高边驱动芯片1的开关控制以及过流故障诊断。3根控制线包括2个普通I/O口以及一个具有AD转换功能的I/O口。

根据车辆负载数量、负载功率选取不同数量、不同规格型号的高边驱动芯片1作为负载驱动器件，本发明采用的高边驱动芯片1均为带有诊断以及电流反馈功能的智能型高边驱动芯片1。所述高边驱动芯片包括MOSFET场效应管、升压驱动电路和电流反馈电路，升压驱动电路的内部与MOSFET晶体管的栅极相连接，升压驱动电路的外部由高边驱动芯片的IN脚作为控制接口，IN脚通过电阻R1与MCU控制器的一个I/O口相连接；IN脚为高电平时，高边驱动芯片1的输出通道打开，IN脚为低电平时，输出通道关闭。电流反馈电路由高边驱动芯片的IS脚作为信号反馈接口，IS脚通过分压电阻R7以及一个RC滤波电路（R8、C3组成）与MCU控制器的一个具有AD转换功能的I/O口相连接。S脚为诊断信号反馈引脚，MCU控制器2利用带有AD转换功能的I/O口读取IS脚的电压，计算模块便可计算出当前负载所在回路的电流值，比较模块通过和事先设置好并存储在存储器中的阈值进行比较，判断当前回路是否有故障发生。高边驱动芯片的输出端与负载相连接，高边驱动芯片的GND引脚接地。高边驱动芯片1以N沟道的MOSFET场效应管为核心，内部集成有升压驱动电路，可被MCU控制器2的的I/O口直接驱动，高边驱动芯片1同时集成了电流反馈电路，当高边驱动芯片1正常工作驱动负载时，流经内部MOSFET晶体管的电流将以一个成比例缩小的反馈电流经由芯片的电流反馈引脚流出，外部经过分压电阻R7后产生的反馈电压信号可被MCU控制器2的模数转换数据口读取。MCU控制器2读取当前电流信息后，将与之前存储器中设置的阈值进行对比，若有过流现象发生，则MCU控制器2快速切断当前故障回路的高边驱动芯片1，从而实现对线束的保护作用，同时，发生故障的回路代码也可经由CAN总线发送至汽车仪表盘显示屏进行故障的在线显示。由于高边驱动芯片1是被软件关断，当故障排除后，MCU控制器2可控制高边驱动芯片1恢复至正常工作状态，这就实现了本发明产品的可恢复性。因此，本申请可对过流故障实现精确切断开关，故障排除后可自动实现重新导通，对回路进行主动保护，智能化程度较高；在线直接显示过流回路编号或高边驱动芯片1的编号，提高了维护方便性。

优选地，如图3所示，所述分压电阻R7与滤波电路相连接，滤波电路包括电阻R8和电容C3，电阻R8与高边驱动芯片的IS脚相连接，电阻R7分别与电容C3的一端和接地端相连接，电容C3的另一端与电阻R8相连接。滤波电路实现对流经电阻R8的滤波。

所述高边驱动芯片内还设有诊断电路，诊断电路与高边驱动芯片的DEN脚相连接。DEN脚为高边驱动芯片的诊断功能的使能端，当DEN脚为高电平时，诊断功能使能，DEN脚为低电平时，诊断功能关闭。

所述高边驱动芯片还包括有VS引脚，VS引脚与12V电源以及浪涌电压抑制电路相连接，浪涌电压抑制电路包括电容C1和稳压管Z1，VS引脚分别与电容C1的一端和稳压管Z1的阴极相连接，电容C1的另一端和稳压管Z1的正极接地相连接。

所述高边驱动芯片的GND引脚与防反接电路相连接，防反接电路包括电阻R3、二极管D1，GND引脚分别与电阻R3的一端和二极管D1的正极相连接，电阻R3的另一端和二极管D1的负极接地。高边驱动芯片的输出脚直接与负载和防静电的电容C2相连接，电容C2的一端与高边驱动芯片的输出端相连接，电容C2的另一端接地。防反接电路防止负载反接时损坏高边驱动芯片1，当反接时高边驱动芯片1不工作。

本发明利用高边驱动芯片1和MCU控制器2分别替代传统的继电器和保险，MCU控制器2只需要1个，产品重量降低约30%；正常工况下没有任何噪音，绝对静音；最大能耗约为传统的继电器的七分之一；高边驱动芯片的开关次数可高达100万次，远远高于继电器的10万次，提高了产品使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，包括壳体，壳体内设有线路板，其特征在于，所述线路板上设有MCU控制器（2）、SBC模块和若干个高边驱动芯片（1），SBC模块集成有电压转换模块和CAN总线接口模块，电压转换模块与外界电源相连接，CAN总线接口模块通过CAN总线与仪表盘显示屏相连接；所述CAN总线接口模块与MCU控制器（2）相连接，MCU控制器分别与各个高边驱动芯片相连接，高边驱动芯片分别与电源和负载相连接。

2.根据权利要求1所述的自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，其特征在于，所述MCU控制器（2）分别与IGN信号检测模块和电压检测模块相连接，IGN信号检测模块的IGN信号由点火开关接入，电压检测模块的电压信号并联在电源两端。

3.根据权利要求1或2所述的自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，其特征在于，所述高边驱动芯片（1）的输出脚直接与负载和防静电的电容C2相连接，电容C2的一端与高边驱动芯片的输出端相连接，电容C2的另一端接地；所述负载包括后除霜装置、后视镜驱动装置、电子真空泵、水泵、空调离合器、喇叭、油泵、汽车变速器、智能自动启停系统、远光灯、近光灯和前雾灯，远光灯包括左远光灯和右远光灯，近光灯包括左近光灯和右近光灯，前雾灯包括左前雾灯和右前雾灯。

4.根据权利要求1所述的自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，其特征在于，所述电压转换模块包括线性稳压器，CAN总线接口模块包括CAN收发器，线性稳压器的输入端与电源相连接，线性稳压器的输出端与MCU控制器相连；CAN收发器的一端与仪表盘显示屏相连接，CAN收发器的另一端与MCU控制器相连接。

5.根据权利要求1或4所述的自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，其特征在于，所述MCU控制器内设有主控制器、存储器、计算模块、比较模块和CAN控制器，存储器、计算模块、比较模块和CAN控制器均与主控制器相连接，CAN控制器与CAN收发器相连接。

6.根据权利要求1所述的自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，其特征在于，所述高边驱动芯片包括MOSFET场效应管、升压驱动电路和电流反馈电路，升压驱动电路的内部与MOSFET晶体管的栅极相连接，升压驱动电路的外部由高边驱动芯片的IN脚作为控制接口，IN脚通过限流电阻R1与MCU控制器的一个I/O口相连接；电流反馈电路由高边驱动芯片的IS脚作为信号反馈接口，IS脚通过分压电阻R7以及一个RC滤波电路与MCU控制器的一个具有AD转换功能的I/O口相连接；高边驱动芯片的输出端与负载相连接，高边驱动芯片的GND引脚接地。

7.根据权利要求6所述的自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，其特征在于，所述分压电阻R7与RC滤波电路相连接，RC滤波电路包括电阻R8和电容C3，电阻R7与高边驱动芯片的IS脚相连接，电阻R7分别与电容C3的一端和接地端相连接，电容C3的另一端与电阻R8相连接。

8.根据权利要求6所述的自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，其特征在于，所述高边驱动芯片内还设有诊断使能电路，诊断使能电路与高边驱动芯片的DEN脚相连接。

9.根据权利要求6所述的自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，其特征在于，所述高边驱动芯片还包括有VS引脚，VS引脚与12V电源以及浪涌电压抑制电路相连接，浪涌电压抑制电路包括电容C1和稳压管Z1，VS引脚分别与电容C1的一端和稳压管Z1的阴极相连接，电容C1的另一端和稳压管Z1的正极接地相连接。

10.根据权利要求6所述的自我诊断及自我控制的汽车电子式电源分配单元，其特征在于，所述高边驱动芯片的GND引脚与防反接电路相连接，防反接电路包括电阻R3和二极管D1，GND引脚分别与电阻R3的一端和二极管D1的正极相连接，电阻R3的另一端和二极管D1的负极接地。