一种智能车载配电保护装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车电子系统领域，设及一种智能车载配电保护装置及其方法。
【背景技术】
[0002] 随着汽车及电子产品的发展W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。
[0003] 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W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。
[0004] 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】
[000引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。
[0006] 发明的技术解决方案如下：
[0007] -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；
[0008] 微控制器与车载主控制器通信连接；
[0009] 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；
[0010] 信号采集模块包括智能高边电子开关及外部负载的溫度、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；
[0011] 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。
[0012] 制冷片为半导体制冷片或金属制冷片。
[0013] 电子开关为高边电子开关。
[0014] 微控制器通过CAN总线与外部车载主控制器相连。
[0015] 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。
[0016] 外壳的内壁与制冷片接触。
[0017] 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 工作溫度区间[Tnc，Tnh]、最高极限工作溫度Tmax;Tnc，Tnh分别为装置内部正常工作溫度的下 限和上限;设置完成进入休眠状态；
[0018] 控制智能车载配电装置处于某一工作状态或在W下不同的工作状态之间切换
[0019] W实现过热保护；
[0020] 1)休眠状态:检测智能电子开关通过的电流I，电压V、溫度Tin、T〇ut参数，制冷片不 工作；当电子开关开启时，进入升溫状态；（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，运样的话，我只要控制其电流，就可W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溫度的变化.如采用TEC1-12703型溫 差电致冷组件半导体制冷片，具体过程可W参考:http: //wenku. baidu. com/1 ink?u;rl =-fESjB2f84CXuzb5My 細 4SCwzyGBXbzPHfYJWnzS 叩 uKXSc3XySTz 曲 M4oqN4EnlMaK 醒化 15M-r 州巧b 18Z0xF4V0 iMWEX巧Xuxz 1 DIM巧）
[0021] 2)升溫状态:根据检测的电流I、溫度Tin,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1x1按下式确定：
[0022]
[0023] 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；
[0024] I为该电子开关通过电流，Rr为电子开关的内阻；
[0025] h为空气与外壳对流传热系数；
[0026] Tin为电子开关焊盘溫度，Tout为外部环境溫度；
[0027] η为电子开关与焊盘间的传热效率；
[0028] Ai为外壳外侧表面积，d为外壳厚度，λ为外壳导热系数，Α2为半导体制冷片与外壳 内壁的接触面积；
[0029] ri、Rr、h、Ai、da、A2、K、Π 、r为确定常数；
[0030] 当溫度Tin在正常工作溫度区间[Tnc，Tnh]内（即Tin恒定在某一范围之内）时，进入稳 定状态;溫度范围取25~70度，Tmax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-lsJA;
[0031] 3)稳定状态:检测的电流I、溫度TinW及Tout,根据公式9调整半导体制冷片通过的 电流1x1;
[0032] 当监测到溫度Tin逐步增大至超过Tnh时，进入降溫状态；
[00对 4)降溫状态:持续加大半导体制冷片电流1x1至最佳制冷电流1x2,对装置进行持续 散热，其中最佳制冷电流1X2按下式给定：
[0034] 1x2= n/r (10)
[0035] 当监测到溫度Tin低于Tnc时，进入稳定状态；
[0036] 5)极限状态：当电流Ix增大至最佳制冷电流I。时，溫度仍增大，向外部车载主控制 器告警，当溫度达到最高极限工作溫度Tmax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，直至溫度低于Τη。，进入休眠状态。
[0037] -种智能车载配电保护方法，采用前述的智能车载配电装置；
[0038] 由微处理器通过信号采集模块采集溫度和电流参数；
[0039] 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；
[0040] 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。
[0041 ]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；
[0042] 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；
[0043] 所述的工作状态包括休眠状态、稳定状态、降溫状态、升溫状态和极限状态。
[0044] 智能车载配电装置，利用信号采集控制模块采集的溫度、电流、电压信号，基于半 导体制冷组件建立散热模型，W半导体制冷组件电流为控制对象，W智能高边电子开关焊 盘溫度为控制目标，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。
[004引所述散热模型如下：
[0049] 式中，Tin为智能高边电子开关焊盘溫度，Tout为外部环境溫度，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，Rr为其内阻，h为空气与壳对流 传热系数，Ai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，Κ为半导体制冷组件热导，Π 为帕尔贴系数，Ιχ 半导体制冷组件通过的电流，r半导体制冷组件内阻;11、私、11、41、(1八、42、1(、1]^为确定常 数，外部环境溫度Tout为随时间缓慢变化的变量，在短期控制期内可确定为常数。Tin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Ιχ有关。
[0050] 其中，所述散热模型建立过程如下：
[0051] 1)智能高边电子开关器件在工作过程中，制热量化：
[0052] 化= i2Rt (1)
[0053] 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，冷端吸热量化：
[0054] 化=11 化（2)
[00巧]3)半导体制冷组件冷端制冷量化：
[0056]
[0057] 其中，Τι、Τ2分别为冷端、热端的溫度；
[0058] 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，传热量化：
[0059]
[0060] 其中，Τ3为外壳外侧的溫度；
[0061] 5)装置外壳外侧与空气对流传热，传热量为化：
[0062] 化= hAi(T3-T4) (5)
[0063] 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：
[0064]
[006引将Τ?、Τ4分别用Tin、TDut代替，即可获得装置散热模型：
[0066]
[0067]为使装置能够在极限情况下有效散热，内外部溫度差、W及智能高边电子开关通 过的电流I需满足如下约束条件：
[006 引
[0069] 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：
[0070] 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 作溫度区间[Tnc，Tnh]、最高极限工作溫度Tmax。设置完成进入休眠状态。
[0071]高边开关介绍：[M曲side switch]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.
[0072] 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.
[0073] 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.
[0074] 有益效果：
[0075] 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。
[0076] 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溫度控制在预设的溫度范围内，运是一种 全新的散热控制方案，且易于实施。
[OOW]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】
[0078] 图1是本发明的智能车载配电保护装置结构图；
[0079] 图2是散热保护模块的剖面图；
[0080] 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）；
[0081 ]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】
[0082] W下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详