一種智能車(chē)載配電保護(hù)裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽車(chē)電子系統(tǒng)領(lǐng)域，設(shè)及一種智能車(chē)載配電保護(hù)裝置及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著汽車(chē)及電子產(chǎn)品的發(fā)展W及人們對(duì)汽車(chē)舒適性、安全性、人性化要求的不斷 提高，汽車(chē)上的用電設(shè)備越來(lái)越多，相應(yīng)的電流分配及線(xiàn)束越來(lái)越復(fù)雜；中央配電盒通過(guò)復(fù) 雜的內(nèi)部匯流排或電子電路集成、配合相應(yīng)的電子電氣元件、具備電子電氣集控與分配功 能，具備整車(chē)的電源分配、電路保護(hù)及控制功能，保證各用電設(shè)備協(xié)調(diào)、安全及正常使用，其 好壞直接影響到汽車(chē)的性能及安全。
[0003] 傳統(tǒng)的中央配電盒采用繼電器對(duì)大電流功率器件進(jìn)行控制，同時(shí)輔W保險(xiǎn)絲進(jìn)行 過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)，同時(shí)，配電盒需要較高的防護(hù)等級(jí)，一般采用密閉結(jié)構(gòu)。然而，繼電器在工 作工程中通過(guò)的大電流產(chǎn)生的熱量，在密閉空間中無(wú)法有效散熱，極易導(dǎo)致器件過(guò)熱失效， 因此，如何解決配電盒密閉空間中大電流功率器件的有效散熱問(wèn)題，是目前急需解決的問(wèn) 題。
[0004] 因此，有必要設(shè)計(jì)一種智能車(chē)載配電保護(hù)裝置及其方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種智能車(chē)載配電保護(hù)裝置及其方法，該智能 車(chē)載配電保護(hù)裝置及其方法易于實(shí)施，且散熱效果顯著。
[0006] 發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0007] -種智能車(chē)載配電裝置，包括微控制器、信號(hào)采集模塊、功率分配模塊和散熱保護(hù) 模塊;信號(hào)采集模塊、功率分配模塊和散熱保護(hù)模塊均與微控制器相連；
[0008] 微控制器與車(chē)載主控制器通信連接；
[0009] 功率分配模塊中集成有多個(gè)用于控制外部負(fù)載的電子開(kāi)關(guān)；電子開(kāi)關(guān)受控于微控 制器;功率分配模塊設(shè)置在車(chē)載電源與外部負(fù)載之間，用于在微控制器的控制下引入外部 電源為外部負(fù)載供電；
[0010] 信號(hào)采集模塊包括智能高邊電子開(kāi)關(guān)及外部負(fù)載的溫度、電流、電壓信號(hào)采集電 路及相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路?！静杉妷盒盘?hào)是用來(lái)獲得電子開(kāi)關(guān)的內(nèi)阻)所述的散熱保護(hù)模 塊包括導(dǎo)熱焊盤(pán)和制冷片;微控制器和電子開(kāi)關(guān)焊接在PCB板上；
[0011] 導(dǎo)熱焊盤(pán)設(shè)置在PCB板上；導(dǎo)熱焊盤(pán)同導(dǎo)熱絕緣膠與制冷片相連。
[0012] 制冷片為半導(dǎo)體制冷片或金屬制冷片。
[0013] 電子開(kāi)關(guān)為高邊電子開(kāi)關(guān)。
[0014] 微控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)與外部車(chē)載主控制器相連。
[0015] 智能車(chē)載配電裝置設(shè)置在外殼中。外殼上設(shè)有凸型散熱片.此處所謂的凸型散熱 片和外殼是一體的，只不過(guò)其結(jié)構(gòu)為凸型散熱的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
[0016] 外殼的內(nèi)壁與制冷片接觸。
[0017] 制冷片為半導(dǎo)體制冷片;先對(duì)智能車(chē)載配電裝置進(jìn)行初始化:確定裝置內(nèi)部正常 工作溫度區(qū)間[Tnc，Tnh]、最高極限工作溫度Tmax;Tnc，Tnh分別為裝置內(nèi)部正常工作溫度的下 限和上限;設(shè)置完成進(jìn)入休眠狀態(tài)；
[0018] 控制智能車(chē)載配電裝置處于某一工作狀態(tài)或在W下不同的工作狀態(tài)之間切換
[0019] W實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)；
[0020] 1)休眠狀態(tài):檢測(cè)智能電子開(kāi)關(guān)通過(guò)的電流I，電壓V、溫度Tin、T〇ut參數(shù)，制冷片不 工作；當(dāng)電子開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)，進(jìn)入升溫狀態(tài)；（半導(dǎo)體制冷片根據(jù)其通過(guò)的電流來(lái)控制其制冷 量，也就是說(shuō)，通過(guò)的電流不同，制冷量不同，運(yùn)樣的話(huà)，我只要控制其電流，就可W確定其 制冷量，反映到散熱模型里，就是通過(guò)控制電流來(lái)控制溫度的變化.如采用TEC1-12703型溫 差電致冷組件半導(dǎo)體制冷片，具體過(guò)程可W參考:http: //wenku. baidu. com/1 ink?u;rl =-fESjB2f84CXuzb5My 細(xì) 4SCwzyGBXbzPHfYJWnzS 叩 uKXSc3XySTz 曲 M4oqN4EnlMaK 醒化 15M-r 州巧b 18Z0xF4V0 iMWEX巧Xuxz 1 DIM巧）
[0021] 2)升溫狀態(tài):根據(jù)檢測(cè)的電流I、溫度Tin,基于散熱模型，開(kāi)啟半導(dǎo)體制冷片散熱， 其中半導(dǎo)體制冷片通過(guò)的電流1x1按下式確定：
[0022]
[0023] Π 為帕爾貼系數(shù);r半導(dǎo)體制冷片內(nèi)阻;K為半導(dǎo)體制冷片熱導(dǎo)；
[0024] I為該電子開(kāi)關(guān)通過(guò)電流，Rr為電子開(kāi)關(guān)的內(nèi)阻；
[0025] h為空氣與外殼對(duì)流傳熱系數(shù)；
[0026] Tin為電子開(kāi)關(guān)焊盤(pán)溫度，Tout為外部環(huán)境溫度；
[0027] η為電子開(kāi)關(guān)與焊盤(pán)間的傳熱效率；
[0028] Ai為外殼外側(cè)表面積，d為外殼厚度，λ為外殼導(dǎo)熱系數(shù)，Α2為半導(dǎo)體制冷片與外殼 內(nèi)壁的接觸面積；
[0029] ri、Rr、h、Ai、da、A2、K、Π 、r為確定常數(shù)；
[0030] 當(dāng)溫度Tin在正常工作溫度區(qū)間[Tnc，Tnh]內(nèi)（即Tin恒定在某一范圍之內(nèi)）時(shí)，進(jìn)入穩(wěn) 定狀態(tài);溫度范圍取25~70度，Tmax取85度，高邊電子開(kāi)關(guān)采用英飛凌智能高邊電子開(kāi)關(guān)，型 號(hào)BTs6110-lsJA;
[0031] 3)穩(wěn)定狀態(tài):檢測(cè)的電流I、溫度TinW及Tout,根據(jù)公式9調(diào)整半導(dǎo)體制冷片通過(guò)的 電流1x1;
[0032] 當(dāng)監(jiān)測(cè)到溫度Tin逐步增大至超過(guò)Tnh時(shí)，進(jìn)入降溫狀態(tài)；
[00對(duì) 4)降溫狀態(tài):持續(xù)加大半導(dǎo)體制冷片電流1x1至最佳制冷電流1x2,對(duì)裝置進(jìn)行持續(xù) 散熱，其中最佳制冷電流1X2按下式給定：
[0034] 1x2= n/r (10)
[0035] 當(dāng)監(jiān)測(cè)到溫度Tin低于Tnc時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；
[0036] 5)極限狀態(tài)：當(dāng)電流Ix增大至最佳制冷電流I。時(shí)，溫度仍增大，向外部車(chē)載主控制 器告警，當(dāng)溫度達(dá)到最高極限工作溫度Tmax時(shí)，主動(dòng)關(guān)停智能高邊電子開(kāi)關(guān)工作，保持半導(dǎo) 體制冷片最佳制冷電流，直至溫度低于Τη。，進(jìn)入休眠狀態(tài)。
[0037] -種智能車(chē)載配電保護(hù)方法，采用前述的智能車(chē)載配電裝置；
[0038] 由微處理器通過(guò)信號(hào)采集模塊采集溫度和電流參數(shù)；
[0039] 微處理器通過(guò)控制功率分配模塊中的電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)外部電源為外部負(fù)載供電；
[0040] 微處理器通過(guò)控制散熱保護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)智能車(chē)載配電裝置的過(guò)熱保護(hù)。
[0041 ]制冷片采用能可控的半導(dǎo)體制冷片；電子開(kāi)關(guān)為高邊電子開(kāi)關(guān)；
[0042] 控制智能車(chē)載配電裝置在不同的工作狀態(tài)之間切換實(shí)現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)；
[0043] 所述的工作狀態(tài)包括休眠狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)、降溫狀態(tài)、升溫狀態(tài)和極限狀態(tài)。
[0044] 智能車(chē)載配電裝置，利用信號(hào)采集控制模塊采集的溫度、電流、電壓信號(hào)，基于半 導(dǎo)體制冷組件建立散熱模型，W半導(dǎo)體制冷組件電流為控制對(duì)象，W智能高邊電子開(kāi)關(guān)焊 盤(pán)溫度為控制目標(biāo)，建立智能車(chē)載配電裝置散熱保護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)智能車(chē)載配電裝置散熱保 護(hù)。
[004引所述散熱模型如下：
[0049] 式中，Tin為智能高邊電子開(kāi)關(guān)焊盤(pán)溫度，Tout為外部環(huán)境溫度，η為智能高邊電子開(kāi) 關(guān)與焊盤(pán)間的傳熱效率，I為該智能高邊電子開(kāi)關(guān)通過(guò)電流，Rr為其內(nèi)阻，h為空氣與殼對(duì)流 傳熱系數(shù)，Ai為殼外側(cè)表面積，d為智能車(chē)載配電裝置外殼厚度，λ為殼體導(dǎo)熱系數(shù)，A2為半導(dǎo) 體制冷組件與配電裝置外殼內(nèi)側(cè)接觸面積，Κ為半導(dǎo)體制冷組件熱導(dǎo)，Π 為帕爾貼系數(shù)，Ιχ 半導(dǎo)體制冷組件通過(guò)的電流，r半導(dǎo)體制冷組件內(nèi)阻;11、私、11、41、(1八、42、1(、1]^為確定常 數(shù)，外部環(huán)境溫度Tout為隨時(shí)間緩慢變化的變量，在短期控制期內(nèi)可確定為常數(shù)。Tin只與智 能高邊電子開(kāi)關(guān)通過(guò)電流I，半導(dǎo)體制冷組件通過(guò)的電流Ιχ有關(guān)。
[0050] 其中，所述散熱模型建立過(guò)程如下：
[0051] 1)智能高邊電子開(kāi)關(guān)器件在工作過(guò)程中，制熱量化：
[0052] 化= i2Rt (1)
[0053] 2)智能高邊電子開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的熱量中絕大部分傳導(dǎo)至焊盤(pán)，半導(dǎo)體制冷組件冷 端與之緊密接觸，設(shè)其中傳熱效率為η，冷端吸熱量化：
[0054] 化=11 化（2)
[00巧]3)半導(dǎo)體制冷組件冷端制冷量化：
[0056]
[0057] 其中，Τι、Τ2分別為冷端、熱端的溫度；
[0058] 4)半導(dǎo)體制冷組件熱端與裝置外殼內(nèi)側(cè)緊密接觸，通過(guò)熱傳導(dǎo)將熱量從外殼內(nèi)側(cè) 傳導(dǎo)至外側(cè)，傳熱量化：
[0059]
[0060] 其中，Τ3為外殼外側(cè)的溫度；
[0061] 5)裝置外殼外側(cè)與空氣對(duì)流傳熱，傳熱量為化：
[0062] 化= hAi(T3-T4) (5)
[0063] 忽略接觸面的熱損失，上述(1)-(5)式中傳熱量相等，聯(lián)立(1)-(5)式，可得：
[0064]
[006引將Τ?、Τ4分別用Tin、TDut代替，即可獲得裝置散熱模型：
[0066]
[0067]為使裝置能夠在極限情況下有效散熱，內(nèi)外部溫度差、W及智能高邊電子開(kāi)關(guān)通 過(guò)的電流I需滿(mǎn)足如下約束條件：
[006 引
[0069] 基于獲得的裝置散熱模型(7)，建立散熱保護(hù)策略。初始化步驟如下：
[0070] 初始化:建立裝置散熱保護(hù)模型，確定各個(gè)固定參數(shù)值，同時(shí)確定裝置內(nèi)部正常工 作溫度區(qū)間[Tnc，Tnh]、最高極限工作溫度Tmax。設(shè)置完成進(jìn)入休眠狀態(tài)。
[0071]高邊開(kāi)關(guān)介紹：[M曲side switch]高邊開(kāi)關(guān)的作用在于降低低壓汽車(chē)，工業(yè)照 明和電機(jī)控制應(yīng)用的成本及復(fù)雜性.
[0072] 高邊開(kāi)關(guān)是模擬電路和強(qiáng)勁的負(fù)載/輸出驅(qū)動(dòng)器的經(jīng)濟(jì)高效的集成.此類(lèi)系統(tǒng)封 裝器件的設(shè)計(jì)為嚴(yán)格的汽車(chē)應(yīng)用帶來(lái)了強(qiáng)勁的高電流負(fù)載控制.
[0073] 高邊開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)能夠提高主板空間的效率，節(jié)約系統(tǒng)的成本，他們于微控制器在 一起為各種負(fù)載如馬達(dá)，照明，傳動(dòng)器等等提供必要的保護(hù)和控制.
[0074] 有益效果：
[0075] 本發(fā)明的智能車(chē)載配電保護(hù)裝置及其方法，解決了傳統(tǒng)中央配電盒中，無(wú)法實(shí)現(xiàn) 配電盒密閉空間中大電流功率器件的有效散熱問(wèn)題。
[0076] 本發(fā)明創(chuàng)造性地采用了可精確控制其制冷效果的半導(dǎo)體制冷片，基于散熱模型及 有限狀態(tài)機(jī)，能有效地將配電裝置及功率器件的溫度控制在預(yù)設(shè)的溫度范圍內(nèi)，運(yùn)是一種 全新的散熱控制方案，且易于實(shí)施。
[OOW]本發(fā)明通過(guò)建立基于半導(dǎo)體制冷組件的散熱模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電裝置及其大功率器 件的快速、有效的散熱。采用本發(fā)明裝置及方法，解決了工作過(guò)程中，密閉空間內(nèi)直接驅(qū)動(dòng) 外部大電流負(fù)載工作時(shí)，開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的過(guò)熱失效問(wèn)題；同時(shí)有效替代了傳統(tǒng)配電裝置中 繼電器及保險(xiǎn)絲，便于配電裝置小型化、集成化。
【附圖說(shuō)明】
[0078] 圖1是本發(fā)明的智能車(chē)載配電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0079] 圖2是散熱保護(hù)模塊的剖面圖；
[0080] 圖3是本發(fā)明的一種智能車(chē)載裝置散熱保護(hù)策略流程圖（自動(dòng)狀態(tài)機(jī)切換圖）；
[0081 ]標(biāo)號(hào)說(shuō)明：1-微控制器，2-功率分配模塊，3-數(shù)據(jù)采集模塊，4-散熱保護(hù)模塊，5-內(nèi) 部電源，6-車(chē)載電源，7-車(chē)載主控制器，8-外部負(fù)載，9-電子高邊開(kāi)關(guān)。10-PCB板；電子開(kāi)關(guān) 導(dǎo)熱焊盤(pán)，12-半導(dǎo)體制冷片，13-外殼。
【具體實(shí)施方式】
[0082] W下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳