基于CAN总线的大电流汽车继电器控制系统的研究

摘 要： 介绍了一种带有 CAN 总线控制模块的汽车继电器控制系统的研制，叙述了该系统的硬件与软件设计。系统以 PIC18F2480 单片机和 CAN 总线收发器为控制核心，采用优化的混合式控制方案，可无弧接通与分断大电流，并实现智能控制和实时保护的功能。
关键词 ： 汽车继电器；CAN总线；混合式控制方案；单片机

Research of High-Current Automobile Relay
Control System Based on CAN Bus
WANG Zhi-qiang, LIU Xiang-jun
（College of Electrical Engineering & Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China）

Abstract: Introduction was made to a type of automobile relay control system with CAN bus control module. The hardware and soft-ware design were discussed in detail. The control core based on PIC18F2480 microcontroller and CAN bus transceiver was built with an optimized hybrid control plan. The relay could switch high-current circuit with non-arc to realize the functions of intelligent control and real-time guard.
Key words: automobile relay; CAN bus; hybrid control plan; microcontroller
0 引言
随着汽车产业的迅猛发展，人们对乘坐汽车的安全性、舒适性和多功能性的要求日益提高。目前汽车电气系统存在以下问题：（1）汽车在存储、运输以及停驶时存在蓄电池电流泄漏问题，影响蓄电池的使用寿命。（2）当汽车发生故障或猛烈碰撞造成短路时，如果不能有效地将蓄电池与整个电气系统断开，则存在起火甚至爆炸的危险。
汽车电源总开关是安装在蓄电池与汽车电气系统之间的一个非常重要的元件，可在汽车发生故障和驾驶员离开汽车时切断主电路电源，有效保护蓄电池和汽车电气系[1] 。目前电源总开关有电磁式开关和蓄电池继电器两种，其安装在蓄电池附近，控制开关安装在驾驶员附近仪表板上，操作方便[2] 。但电磁式开关是手动操作开关，对故障不能起到实时保护作用，而一般继电器的触头容量有限，切断短路电流时会产生电弧，严重时会产生熔焊现象，使得开关损坏或者电气寿命缩短。
如今车载电器越来越多，各种信号控制线使得线束的长度加长、质量大、复杂程度越来越高，同时电路故障率也会随之上升，整车硬件成本、生产效率也会相应增加。而CAN总线的应用可以解决这些问题，CAN总线在汽车上的应用日趋成熟。通过CAN总线，汽车电器的控制将实现智能化。
因此，开发一种带有CAN总线控制模块且可通断大电流的电源总开关成为当务之急。本文对基于CAN总线的大电流汽车继电器进行了研究，实现了无弧通断、短路保护和智能控制的功能。
1 基本原理
本文设计的基于CAN总线的大电流汽车继电器采用单线圈的磁保持继电器作为本体。磁保持继电器的优点是只需要几毫秒的脉冲驱动，就可以使开关处于接通或分断状态，因此需要的功率很小，线圈发热也可以忽略不计。磁保持 继电器本身不能切换大电流，本文将电力电子器件与磁保持继电器相结合，通过合理选择电力电子器件的导通和关断时间，使磁保持继电器实现无弧通断功能。整体结构如图1所示。

现有的混合式控制方案的思想是将电力电子器件与触头并联，由电力电子器件承担触头接通和分断等瞬态过程时的主电路电流，由触头承担稳态时的主电路电流[3] 。从而避免触头因弹跳和开断大电流产生电弧，其中激磁线圈电流、MOSFET驱动脉冲、触头电压三者的时序如图2所示。

MOSFET工作在高频导通模式，在保证可靠性的前提下应尽量减少MOSFET的导通时间，以减少发热，提高使用寿命。因此，本文对现有的混合式控制方案进行优化，采用斜率计算等数学方法，将MOSFET起始导通时刻控制在图2中的A点附近，大大缩短了MOSFET的导通时间。
该继电器系统采用单片机和CAN总线收发器为智能控制模块的核心。模块通过CAN总线接收来自汽车中央控制单元的指令，并将当前继电器有关参数通过CAN总线发送给中央控制单元，实现智能控制，起到实时控制和保护的功。
2 硬件设计
本文设计的继电器采用PIC18F2480单片机和CAN总线收发器MCP2551构成智能控制模块的核心。PIC18F2480自带CAN通信模块与CAN总线收发器一起构成CAN总线通信模块[4] 。
功能电路主要由DC/DC隔离变换电路、MOSFET驱动电路、线圈驱动电路、线圈采样电路和电流采样信号处理电路等组成。硬件电路的整体组成框图如图3所示。

为了实现主电路与控制电路的电气隔离，MOSFET的驱动采用光耦隔离驱动，因此驱动电路电源与单片机系统电源必须相互隔离。本文电源系统的设计采用DC/DC隔离变换器，得到两路相互隔离的电源系统。
主电路电流采样是实现短路实时保护的关键，智能控制模块通过A/D采样，计算出主电路电流大小，从而决定继电器的相应动作。为了实现高精度、快速的电流检测，本文采用ACS754电流传感器作为主电路电流检测元件。ACS754是高精度、双向的电流传感器，能将主电路电流大小线性换算成0～5V的逻辑电平。
3 软件设计
磁保持继电器的吸合时刻和释放时刻的准确判断是软件需要解决的关键问题。软件主要包括总线命令识别子程序、激磁线圈电流采样子程序和主电路电流采样子程序等[5] 。
软件流程图如图4所示。具体流程如下：当 继电器处于分断状态时，智能控制模块处于等待接收命令状态。当继电器处于闭合状态时，智能模块相隔一定的时间采样主电路的电流，并判断电流是否超过短路电流的设定阈值，决定是否执行保护动作。正常状态时，将电流参数通过CAN总线发送给中央控制单元，以便在仪表上显示。继电器接通和分断命令的接收采用中断方式。识别命令后，根据命令调用接通（分断）子程序。当主电路由于短路造成电流过大时，模块自动调用分断子程序，实现短路保护。

4 基于CAN总线的大电流汽车继电器的实现
为了验证方案的可行性，本文将JE12-G型磁保持继电器作为本体，同时用PC机模拟汽车中央控制单元，给继电器的智能控制模块发送指令以及接收来自模块的有关参数。采用Visual Basic6.0软件建立一个控制系统，由于PC机没有CAN总线接口，所以指令数据的传送必须通过RS232/CAN智能协议转换器。
PC机模拟控制系统的主界面如图5所示。主界面显示的波形是主电路的电流波形，其中纵坐标是电流，横坐标是时间，每单位格时间为0.5s（系统工作时，波形自动从右向左移动，所以横坐标原点不一定是零时刻）。图5是在主电路电压42V、电流10A时，突然将电流加到短路电流阈值60A时，继电器实现短路保护的电流波形。通过实验证明，带有CAN总线控制模块的大电流汽车 继电器能在不同负载电流的条件下实现可靠接通和分断，有效地实现继电器无弧通断和实时保护的功能。

5 结语
带有总线控制功能的汽车大电流 继电器，采用优化的混合式控制方案，实现智能控制。将其作为汽车电气系统的电源总开关，能够克服当前电磁式电源总开关的缺点，可靠地保护汽车电气系统，具有很好的应用前景。