汽車雙組電瓶充放電自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器設(shè)計(jì)

王 襄，張 斌

(1．湖北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系；2．湖北銥派汽車電子有限公司 湖北 十堰 442000)

0 前言

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，目前商用車需求量急劇向大噸位多功能發(fā)展，車輛發(fā)動(dòng)機(jī)馬力的不斷增大及整車用電設(shè)備的不斷增加，設(shè)備消耗的電流及發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所消耗的啟動(dòng)電流都不斷增大，而目前的單組電瓶不能正常為車輛提供足夠的電源供給，尤其是在冬季低溫下電瓶電量的不足致車輛啟動(dòng)困難?，F(xiàn)在部分車輛制造企業(yè)開始采用雙組電瓶為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及負(fù)載提供電能[1]。

兩組電瓶并聯(lián)，存在充放電不一致的問(wèn)題，在充電情況下易使車輛充電系統(tǒng)負(fù)載過(guò)重，導(dǎo)致充電系統(tǒng)故障甚至損壞充電電路部件。在雙組電瓶并聯(lián)放電的情況下，會(huì)出現(xiàn)電瓶性能的差異導(dǎo)致自放電嚴(yán)重，縮短電瓶使用壽命。為解決這一問(wèn)題，目前大多采用人工方式，手動(dòng)切換兩組電瓶之間連接，這種方法不但操作麻煩，還會(huì)造成部分電瓶充電不足，電瓶長(zhǎng)時(shí)間虧電運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致其有效使用壽命縮短，過(guò)早衰老失效，使車輛運(yùn)行不良并增加使用成本。

1 設(shè)計(jì)思路

如何設(shè)計(jì)出一款商用車雙組電瓶充放電自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器，代替目前手動(dòng)切換，使之能根據(jù)各電瓶電量情況自動(dòng)切換控制充電及放電，讓發(fā)電機(jī)及充放電電路工作在最佳狀態(tài)，并長(zhǎng)期保持電瓶的電量充足，是本文的出發(fā)點(diǎn)。

為此，本設(shè)計(jì)的技術(shù)方案為：將車輛電瓶分為主電瓶及副電瓶，主電瓶與副電瓶都通過(guò)車輛相關(guān)的線束與控制電路連接，由控制器內(nèi)部的微處理器不斷檢測(cè)每個(gè)電瓶的電壓狀態(tài)，來(lái)確定該電瓶是否欠電。正常狀態(tài)下控制車輛發(fā)電機(jī)只給主電瓶相接，副電瓶處于備用，當(dāng)車輛由停止轉(zhuǎn)為起動(dòng)時(shí)(即點(diǎn)火鎖由關(guān)閉轉(zhuǎn)為打開時(shí))，微處理器檢測(cè)到點(diǎn)火信號(hào)，通過(guò)控制電磁開關(guān)將副電瓶并接在主電瓶上，此時(shí)兩組電瓶并聯(lián)對(duì)車輛用電器提供較大的驅(qū)動(dòng)電流使發(fā)動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)。

當(dāng)完成啟動(dòng)后，控制器通過(guò)檢測(cè)發(fā)電機(jī)的工作(或檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn))情況確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否已經(jīng)啟動(dòng)，若檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)啟動(dòng)成功，此時(shí)副電瓶仍將保持與主電瓶并聯(lián)狀態(tài)，以備再次啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。若檢測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功的信號(hào)，控制電磁開關(guān)斷開副電瓶與主電瓶的并聯(lián)，此時(shí)汽車發(fā)電機(jī)只對(duì)主電瓶充電；當(dāng)主電瓶充滿電時(shí)，控制器控制相應(yīng)的電磁開關(guān)，將副電瓶再次與主電瓶并聯(lián)，同時(shí)斷開主電瓶電路，此時(shí)汽車發(fā)電機(jī)只對(duì)副電瓶充電；當(dāng)副電瓶充滿電后再次切換到主電瓶與汽車供電電路連接，一直保持副電瓶處于備用狀態(tài)。

當(dāng)車輛處于夜間行駛或內(nèi)部設(shè)備用電量較大時(shí)，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能不夠使用，主電瓶對(duì)用電器放電保持用電器正常工作，最終會(huì)導(dǎo)致主電瓶電量不足，當(dāng)控制器檢測(cè)到此種情況時(shí)，自動(dòng)將副電瓶切換替代主電瓶工作，確保主電瓶不會(huì)虧電而縮短壽命。白天車輛燈具基本不使用，發(fā)電機(jī)發(fā)出電能富裕用于補(bǔ)充電瓶電量。

圖1是本設(shè)計(jì)原理框圖。汽車雙組電瓶充、放電自動(dòng)轉(zhuǎn)換控制器，以微處理控制器為核心，主電瓶、副電瓶及發(fā)電機(jī)為微處理器提供輸入信號(hào)，微處理器輸出的一個(gè)控制端口通過(guò)開關(guān)繼電器控制主電瓶的電磁開關(guān)，微處理器的另一個(gè)控制端口通過(guò)控制副電瓶的電磁開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電瓶的充、放電自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

圖1 本設(shè)計(jì)原理方框圖

2 電路工作原理

圖2是該設(shè)計(jì)電路原理圖。

圖2 本設(shè)計(jì)電路原理圖

如圖2所示，U1為微處理器，通過(guò)外部插接口JP1與點(diǎn)火鎖、主電瓶、副電瓶及發(fā)電機(jī)相接，正常情況下設(shè)定主電瓶為優(yōu)先接通狀態(tài)。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)放電控制

若要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)火鎖開關(guān)通過(guò)接口JP1-2為控制器提供一個(gè)電壓信號(hào)，通過(guò)電阻R11及R12分壓到微處理器接口U1-6，微處理器U1檢測(cè)到啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)時(shí)，使微處理器輸出控制端口U1-9、U1-10輸出驅(qū)動(dòng)三極管Q1、Q2使主電瓶的電磁開關(guān)K1及副電瓶的電磁開關(guān)K2同時(shí)接通使兩電瓶成并聯(lián)狀態(tài)，為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)提供充足的電源。

2.2 完成啟動(dòng)進(jìn)入充電控制[2]

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成后，發(fā)電機(jī)輸出電壓通過(guò)接口P1-3進(jìn)入由電阻R9、R10分壓后輸入至微處理器檢測(cè)端口U1-15用于檢測(cè)啟動(dòng)穩(wěn)定情況，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定后，微處理器通過(guò)輸出端口U1-9控制三極管Q2及內(nèi)部繼電器斷開副電瓶的電磁開關(guān)K2，從而切斷副電瓶的連接，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)只對(duì)主電瓶充電，同時(shí)通過(guò)接口JP1-4將主電瓶的電壓信號(hào)由電阻R1、R3分壓后傳輸給微處理器端口U1-14；通過(guò)接口JP1-5將副電瓶的電壓信號(hào)由電阻R2、R4分壓后傳輸給微處理器檢測(cè)端口U1-13；由微處理器U1檢測(cè)比較確定電瓶的電壓情況，當(dāng)主電瓶充滿電后，副電瓶電量充足的情況下不做切換，若檢測(cè)副電瓶的電量不足需要充電時(shí)，微處理器U1通過(guò)實(shí)處端口U1-9控制三極管Q2接通繼電器及副電瓶回路的電磁開關(guān)，當(dāng)副電瓶充分接入充電電路后微處理器U1通過(guò)控制端口U1-10控制三極管Q1斷開繼電器及主電瓶回路的電磁開關(guān)K1切斷主電瓶的連接，只對(duì)副電瓶充電，當(dāng)副電瓶充滿電后自動(dòng)轉(zhuǎn)換至主電瓶，停止對(duì)副電瓶的充電。

2.3 故障狀態(tài)控制

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)若某一組電瓶電量嚴(yán)重不足時(shí)，微處理器U1通過(guò)檢測(cè)判斷切斷電量不足的一組電瓶，不讓其接入主電路，以免影響電瓶正常工作，并發(fā)出報(bào)警燈指示；LED1對(duì)應(yīng)第一電瓶狀態(tài)指示，LED2對(duì)應(yīng)第二電瓶狀態(tài)指示，當(dāng)某一電瓶出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)應(yīng)的指示燈閃爍報(bào)警。

在車輛停止?fàn)顟B(tài)下，若車內(nèi)設(shè)備用電量較大，導(dǎo)致主電瓶供電下降時(shí)自動(dòng)切換為兩組電瓶并聯(lián)供電或切換至電量充足的電瓶供電，確保電瓶本身不過(guò)放電從而延長(zhǎng)電瓶的使用壽命。

3 電路的實(shí)現(xiàn)

圖3為本控制器的PCB板圖，圖4為產(chǎn)品實(shí)物照片

圖3 控制器PCB板圖

圖3 產(chǎn)品實(shí)物圖

4 產(chǎn)品指標(biāo)與技術(shù)參數(shù)

工作電壓：24V(18V-32V)

控制切換負(fù)載電流： Io ≤ 10A

工作環(huán)境溫度： -40℃ —85℃

最大耗電流： ≤ 100mA

工作時(shí)間：長(zhǎng)期

5 結(jié)語(yǔ)

本裝置經(jīng)裝配調(diào)試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，目前已申報(bào)國(guó)家發(fā)明專利。

[參考文獻(xiàn)]

[1] (日)電氣學(xué)會(huì).42V電源化調(diào)查專門委員會(huì).汽車電源的42V化技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社， 2008：37-39.

[2] 賈要勤.汽車電源主要性能參數(shù)·汽車電源應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社， 2008：76-82.