公交车辆电源电路安全问题及解决方案
随着汽车电子技术的发展以及公交车行业新能源技术的更新换代,汽车电路变得越来越复杂,车上用电器的功率也越来越大,由于车上电路线路的老化以及车上用电器的保护功能不到位,导致车辆线束起火乃至整车烧毁的问题时有发生。本文立足于探讨公交车在具备熔断器保护的情况下,会发生线束起火烧车的原因,并对于如何进行预防性保护提出解决方案。
车辆起火原因
目前车辆均已配备了大量熔断器(俗称保险),但车辆自燃、冒烟起火,最终造成人车伤亡的事情还时有发生。事后,经调查部门详细调查发现,大部分的原因是线路老化造成短路或者某些用电器功率问题导致过载而引发线束自燃,如下图1/2所示:
图1/2线束自燃实拍图
为什么配备了大量的保险还会有电安全事故发生?这是因为保险对电路保护有“盲区”。这个“盲区”就是:电路出现保险保护功率范围内的过载,这种过载导致了线路高温而引起电安全事故。
之所以物理保险存在保护范围内的过载,是因为物理保险(一次性保险片属于热熔保险、可恢复保险片属于双金属保险)对绝对电流保护,只能给予相应最高电流在对应时长外进行保护。
以10A和15A两种最常用保险为例:
10A保险片最小保护电流为12.5A,15A保险片最小保护电流为19A(见图4蓝色虚线所示)。10A保险片在12.5A电流通过时的保护时间是1万秒(约.67分钟),15A保险片在19A电流通过时的保护时间也是1万秒(约.67分钟)。
10A保险片只有在60A电流通过时才是最短熔断时间0.s,15A保险片只有在90A电流通过时才是最短熔断时间0.07s(见图4绿色虚线所示)。
图3负载电流与保护时间曲线图
车辆制造厂在设计电路时选择保险遵循的原则是:以保护线路负载的最大工作电流的1.25倍计算。基于这个原则,10A保险保护的电路最大工作电流是8A,15A保险保护的电路最大工作电流是12A。
随着车辆的使用,电器系统的老化,这个电流有可能超出正常最大工作电流,却小于保险最小保护电流,即“过载电流”。当10A保险电路出现持续12A过载电流,15A保险电路出现持续18A过载电流时,伴随电路中的现象就是电器线路高温,当这个温度持续上升到足够高就会导致车辆的电起火。
举例:15A线路中出现18A过载电流,P导线功率上升=(-)/=44%
导线功率=电流2*导线电阻,当环境温度一定时,电流上升20%,会引起导线功率上升44%。
因此,为避免过载的问题发生,整车电路中需要有一个设备能够对线路的工作电流进行监测和管理,在故障发生之前及时进行处理。
电路故障与负载工作特性
整车电路故障一般与负载工作阶段以及负载工作特性有着密不可分的关系。
电路故障一般分断路、短路、过载三种,其中过载的现象也包括过温。
任何电路中的负载在不同的工作阶段均会出现启动电流、工作电流等多个不同电流值。如下图4所示,某一个负载在启动阶段的瞬时电流值要远远大于他在正常工作阶段的电流值。
图4负载启动时间与工作电流示意图
而不同负载在正常工作时特性又各不相同,他们可以分为阻性负载(例如灯泡)、感性负载(例如电磁阀)、电机类型负载、LED类型负载等,不同的负载类型其工作时候的电流大小又完全不同。
由于上述的复杂性,因此对于电路过载的监测与管理就必须采用多种方式才能做到既能保护良好又不至于发生错误保护。
电路过载监测与管理机理
传统的电路故障管理方式,是负载与开关直接通过线束相连,所有的电路故障只能通过保险的方式进行原始的保障,这样使用的缺点是保险的阈值不敏感且保险失效的风险非常高。
目前,新型的电路故障管理方式,采用电控单元(仪表或者车身控制模块)分别处理输入的信号以及控制负载,电控单元本身具备数据分析能力,可以轻易区分电路的故障类型,且对于具体的故障数据非常敏感,可以最大程度地保障电路安全。
传统电路故障管理与采用电控单元电路故障管理的示意图如下图5所示。
图5传统与电控单元控制负载原理示意图
电路过载监测与管理解决方案
1、使用仪表作为主控单元
欧科佳目前的电控系统中,采用仪表作为主控单元,使得所有控制开关与车辆负载进行分离,车辆电源与车辆负载进行分离,可以从源头解决因控制开关导致的安全隐患和自燃风险!
仪表作为驾驶员专用显示设备,和各种常规控制开关都被一同安装在车辆的驾驶仪表台,因此使用较短的线束就可以将控制开关接入仪表,避免了由配电盒到控制开关、再由控制开关回到配电盒这样冗长的线路,使安全隐患降到最低;
当控制开关为负极有效(接地开、悬空关)时,因为仪表内部将电瓶电压经过隔离和保护电路后,生成专门进行输入开关检测的正极电压,该电压经过特定检测电阻(负载)后,同步被连接到仪表的输入开关,此时开关线路中产生的电流属于负载后电流,俗称接地线,如果对负极短路(错误或失误搭铁),也只是信号错误,不会导致线路起火。
仪表供电经过内部电源芯片分配后,做到每个开关电源进行独立保护,避免了传统电路一个保险负责多个开关的情况。同时,仪表内部进行开关信号识别采用的电阻功率极小,产生的信号电流平均为毫安级,具有极高的安全保障。
开关指令经过仪表电路转换和识别后,通过只有1.5~3V左右的车载CAN通讯线路,以数字信息的形式通知模块,由电控模块执行输出动作,最终产生工作电流。
2、使用车身控制模块给负载供电
模块使用定制集成电路驱动所有负载,具备负载电流的精准监控,可满足实现:对启动瞬间大电流、常规工作下的超功率电流,以及负载或线束异常下导致的小电流,可以实现有效监控和保护,及时发现负载变更情况。除了常规的断路、短路保护,可以通过软件定义当前负载运行的最高启动电流、常规满负载工作电流、精简模式(或半负载)下最小电流以及扫描时间(如下图6所示),实现更精确的保护动作。
全车负载不再仅仅依靠通过熔断器(保险)和继电器来进行线路和负载的保护和隔离,大大增加了保护的有效性和可靠度。
图6软件设置负载控制阈值
不同功能的负载分别独立连接到模块对应的输出端子中,每个输出端子仅用于操作同一功能的负载,某一个负载故障,故障会被锁定至当前负载,因此故障也会被锁定在车辆局部功能失效,不会引起车辆其他负载失效。
根据负载在车辆中分配的位置和数量,模块在全车的位置可以就近布置,仅需1条通信线路,就可缩短功率线路的长度,降低车辆发热的分布点。另外,模块设计的通用性,保证模块损害后可以互换使用,为车辆的运营提供更高的可靠性。
3、故障的仪表报警与数据处理
车辆开关及负载的控制电子化意味着车辆控制的信息化,所有的开关、负载都可以转化为相应的信息。欧科佳仪表自带液晶屏幕显示,在对信息的传递和实现车辆负载控制的同时,增加了对信息的处理机制,实现车辆、开关及负载的动态监控和管理。
车辆开关接入仪表,仪表通过自身程序运算和检测,将输入状态数字化,在控制负载打开和关闭的同时,将输入状态同步提供给仪表屏幕显示,用户仅需要进入特定页面即可查看相应开关动作时,开关是否故障。
车辆负载接入模块,模块处于半自主工作状态,即模块各负载的输出和关闭指令由仪表通过CAN总线进行控制,同时负载及负载线路的短路、过载、开路由模块自身主动完成。
模块在接收仪表指令的同时,会主动将自身状态进行发送,并由仪表进行接收和处理,模块自身状态中至少包含每个输出是否故障及故障类型、负载当前工作电流、模块自身工作电压等基本信息。
模块负载发生故障,仪表接收模块状态,并进行数据解析后和处理后,判定当前模块当前管脚处于哪种故障状态(断路、过载、短路),仪表则根据预设的逻辑,对驾驶员进行对应报警提示(如显示文字、声音报警等)或特定输出动作(如危险指示灯自动打开等)。
仪表和模块在通信过程中,因意外或其他原因,导致CAN通信线路异常,无法完成数据通信,此时模块则进入完全自主工作状态,此时所有的负载输出会根据客户需求执行不同的预设动作(如维持当前状态、关闭输出或打开输出等)。
解决方案的实施分析
欧科佳(中国)借助法国总公司在欧洲多年的汽车电子技术积累,在使用电控单元进行车辆负载的数字化控制以及电路故障的监测与管理方面有着独到的技术。在实际车辆电子电气架构设计中,模块按负载所处的位置分别就近布置,每个负载接一路输出、每个负载逐一标定就能够解决:断路、短路以及因为电路出现保险保护功率范围内的过载。目前,该解决方案已经在国内多家整车制造厂落地实施,经过多年的验证,有效率达到98%以上。
尽管如此,由于多年造车的习惯,该方案在实际实施过程中还是会面临如下问题:
1、模块布置集中,未进行分布式布置;
2、多个负载,或多种负载接在一个输出端子上,导致负载与模块的输出端子功率不匹配;
3、每个负载的信息不全,制作样车验证时间太短,无法实现负载逐一标定,以达到最好的负载监控效果。
虽然实际使用过程中依然面临着以上问题,但随着整车厂对于负载控制问题的重视逐年增加,问题会逐步得到解决,电路监测与控制终将纳入全方位监测阶段。
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