一种支持快充与数据通信的车载智能充电装置的制作方法

本发明涉及车载充电设备，具体为一种支持快充与数据通信的车载智能充电装置。

背景技术：

1、随着智能手机及车载互联系统的普及，applecarplay、androidauto等车载互联功能已成为越来越多车辆的标配。用户通过原车usb数据接口连接手机，即可在中控屏幕上使用导航、音乐、通信等应用，极大地提升了驾驶体验。

2、现有车辆原车usb接口以及现有车载配件方案存在诸多缺陷；一方面原车usb接口供电能力有限，多数存量燃油车以及老款新能源车辆配置的原车usb数据接口输出电流仅0.5a-1.0a，难以满足智能手机快充需求；手机运行carplay等高负载业务时，耗电功率大于接口输出功率，造成手机充电速度缓慢，甚至电量越用越低的现象，影响长途驾驶体验；另一方面，车载互联数据通信与大功率快充存在使用冲突，原车usb接口实现carplay互联时受硬件功率限制，无法大功率充电；普通车载快充充电器虽然能够实现大功率充电，但是缺少数据传输通路，无法实现carplay互联，用户只能在快充、车载互联之间二选一。

3、现有相关专利也各自存在不足：专利cn205264993u公开了一种可同时实现carplay和大电流充电的车载usb集线器，采用hub芯片做数据分发，硬件复杂、成本高，数据路径长易劣化信号，且无自动识别切换能力，需要人工配置。

4、专利cn112769170a公开了车载终端快速充电系统、方法和装置，改造集中于手机终端侧，兼容性差，未解决原车 usb 供电不足的根源问题。

5、专利cn119127762a公开usb快速充电和数据通讯的接口扩展装置，为通用 usb 扩展装置，未针对车载复杂电气环境优化，快充、数据复用同一接口，容易通信不稳。

6、专利cn222016241u公开车载多媒体产品中usb口用手机快速充电电路，仅实现单接口模式切换，缺少多接口独立供电、数据隔离架构，快充状态下数据传输受损，carplay通信难以持续稳定。常规多口车载充电器仅支持充电，无法复用原车主机实现carplay互联。

7、同时车载电气环境工况复杂，车辆启停、休眠唤醒过程中原车usb接口会产生残余电压、电压尖峰、电压抖动等电气扰动；若仅依靠vbus电压电平判断接入状态，容易发生模式误切换，造成carplay通信中断或者充电功能异常。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种支持快充与数据通信的车载智能充电装置，以解决上述背景技术提出的现有技术中复用原车usb的数据信号实现carplay车载互联，容易受原车usb供电能力约束；不易抵御车载电气扰动，无法自动识别工作模式的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种支持快充与数据通信的车载智能充电装置，包括壳体、电源输入模块、dc-dc降压转换模块和至少三个usb输出接口，输出接口分别为usb-c接口、第一usb-a接口和第二usb-a接口，还包括：

3、数据通道切换模块与usb输出接口中的usb-c接口以及第一usb-a接口电性连接，用于在usb-c接口与第一usb-a接口之间建立或断开数据通道连接；

4、检测控制模块与usb-c接口的vbus引脚和dp/dm数据引脚电性连接，用于检测所述usb-c接口的vbus引脚电压状态以及是否检测到usb枚举握手信号，并根据检测结果生成控制信号；

5、快充协议识别模块与dc-dc降压转换模块及各usb输出接口电性连接，用于识别接入设备的快充协议并控制输出电压；

6、独立供电模块与第一usb-a接口电性连接，用于向第一usb-a接口提供独立的5v/3a固定电压输出；

7、电源输入模块用于接入车辆点烟器输出的12v-24v直流电；

8、dc-dc降压转换模块在纯充电模式下将输入的直流电降压转换为多路独立快充输出，分别为各usb输出接口供电；在数据桥接模式下，usb-c接口的vbus输出被禁用，其对应供电通路关闭，usb-c接口仅作为数据透传通道使用，不对外输出pd快充电压；

9、装置上电复位后，检测控制模块将装置初始配置为纯充电模式。

10、优选的，所述检测控制模块被配置为：

11、当检测到usb-c接口的vbus引脚存在电压且通过usb-c接口的dp/dm数据引脚成功检测到usb枚举握手信号时，向数据通道切换模块发送第一控制信号；

12、usb枚举握手信号的检测至少包括以下内容之一或其组合：监测usb-c接口的d+数据引脚是否被上拉至高电平（表明全速/低速设备连接）、监测dp/dm数据引脚上是否存在主机发出的usb复位信号（se0状态持续不低于10ms），以及监测是否接收到主机下发的标准设备描述符请求数据包（get_descriptor请求）。

13、当检测到usb-c接口的vbus引脚存在电压、但未检测到usb枚举握手信号时，不发送切换指令，保持装置当前所处工作模式不变；

14、当检测到usb-c接口的vbus引脚无电压时，向数据通道切换模块发送第二控制信号。

15、优选的，所述检测控制模块当检测到usb-c接口的vbus引脚电压持续稳定高于预设阈值（如3.3v）且持续时间≥50ms后，开启200ms-500ms的检测时间窗口，并在该检测时间窗口内采集dp/dm数据引脚上的usb枚举握手信号，以避免vbus上电爬升过程中的误触发；

16、检测控制模块当检测到usb-c接口的vbus引脚存在电压但未检测到usb枚举握手信号时，判定为“无效接入或休眠保持状态”，保持当前模式不变，数据通道切换模块维持原有通断状态；

17、检测控制模块当检测到usb-c接口的vbus引脚无电压时，判定为“纯充电模式”，控制数据通道切换模块断开usb-c接口与第一usb-a接口的数据通道连接，并将第一usb-a接口的dp/dm引脚与快充协议识别模块连接，由快充协议识别模块控制第一usb-a接口的充电输出。

18、优选的，在数据通道导通状态下，所述检测控制模块持续采集usb-c接口的vbus引脚电压以及dp/dm数据引脚信号；当vbus引脚无电压，或者vbus引脚持续存在电压但连续800ms未采集到usb枚举握手信号时，所述检测控制模块输出第二控制信号。

19、优选的，所述数据通道切换模块为usb2.0高速差分模拟开关芯片或mcu控制的多路复用器，其带宽不小于900mhz，支持480mbps数据传输速率；所述数据通道切换模块接收第一控制信号时将dp/dm数据引脚电性导通，接收第二控制信号时断开数据通道连接。

20、优选的，所述dc-dc降压转换模块和独立供电模块的电源输入端均独立于usb-c接口的电源输入，由车辆点烟器供电；

21、所述独立供电模块的5v/3a输出回路与usb-c接口的vbus供电回路之间通过隔离型dc-dc变换器实现完全电气隔离，使第一usb-a接口的供电参考地与usb-c接口的vbus参考地相互独立，以避免地环路干扰和电位冲突；所述隔离型dc-dc变换器的原边连接车辆点烟器电源，副边产生独立的5v/3a输出为第一usb-a接口供电，原边与副边之间无直接电气连接。

22、优选的，所述usb-c接口的vbus引脚与dc-dc降压转换模块及独立供电模块的电源输入端之间设有防倒灌隔离电路，使usb-c接口的vbus引脚仅用于电压检测，不向装置内部电路供电；所述防倒灌隔离电路包括p-mos管及分压电阻网络，所述p-mos管的源极连接usb-c接口的vbus引脚，漏极连接检测控制模块的检测输入端，栅极通过分压电阻网络控制通断。

23、优选的，所述usb-c接口支持pd3.0快充协议，最大输出功率不低于27w；所述第一usb-a接口由独立供电模块提供5v/3a固定输出，用于数据通信及稳定充电；

24、所述第二usb-a接口仅支持快充协议识别与功率输出，不支持usb数据传输协议，如carplay/androidauto的数据链路层通信，其dp/dm引脚仅用于快充协议识别协商，如qc3.0协议的d+/d-电压调节协商，不与装置内部或外部的usb数据总线连接，也不参与任何usb数据包的收发处理，三个接口的供电通路彼此独立。

25、优选的，在数据桥接模式下，所述数据通道切换模块将usb-c接口的dp/dm数据引脚与第一usb-a接口的dp/dm数据引脚完全透传连接，所述检测控制模块内部的mcu不参与数据包的解包、解析、过滤或转发操作，所有usb数据包均以物理层直通方式传输。

26、一种支持快充与数据通信的车载智能充电装置的控制方法，包括以下步骤：

27、s1：装置上电，默认进入纯充电模式；检测控制模块通过电阻分压网络采集usb-c接口vbus引脚的电压信号，当分压后的电压值高于预设阈值时，判定为存在电压，否则判定为无电压；

28、s2：若vbus引脚无电压，判定为“纯充电模式”，执行以下操作：

29、s21：检测控制模块向数据通道切换模块发送第二控制信号；

30、s22：数据通道切换模块响应于第二控制信号，断开usb-c接口与第一usb-a接口的数据通道连接；

31、s23：快充协议识别模块控制第二usb-a接口进行快充协议识别与输出；usb-c接口由快充协议识别模块控制进行pd快充输出；第一usb-a接口由独立供电模块固定输出5v/3a，不参与快充协议识别，其输出电压与电流均为恒定值；

32、s3：若vbus引脚存在电压，检测控制模块进一步检测usb-c接口的dp/dm数据引脚上是否存在usb枚举握手信号；usb枚举握手信号的检测包括：监测usb-c接口的d+数据引脚是否被上拉至高电平，以及监测是否接收到主机发出的usb复位信号和设备描述符请求；

33、s4：若vbus引脚存在电压且成功检测到usb枚举握手信号，判定为“数据桥接模式”，执行以下操作：

34、s41：检测控制模块向数据通道切换模块发送第一控制信号；

35、s42：数据通道切换模块响应于第一控制信号，将usb-c接口的dp/dm数据引脚与第一usb-a接口的dp/dm数据引脚电性导通，使第一usb-a接口与外部usb供电设备建立数据通信；同时，usb-c接口的vbus输出被禁用，其对应供电通路关闭，usb-c接口仅作为数据透传通道；

36、s43：独立供电模块向第一usb-a接口提供5v/3a固定电压供电；

37、s44：快充协议识别模块独立控制第二usb-a接口进行快充协议识别与输出；

38、s5：若vbus引脚存在电压但未检测到usb枚举握手信号，判定为“无效接入或休眠保持状态”，保持当前模式不变，不向数据通道切换模块下发切换指令。

39、装置上电后首次执行本步骤时，“当前模式”即为s1中默认进入的纯充电模式；后续循环执行过程中，“当前模式”指装置实际所处的工作模式，在无效接入或休眠保持状态下，检测控制模块继续实时监测vbus状态及dp/dm信号活动；若vbus跌落至无电压，则主动切回纯充电模式，转至s2；若在后续监测中成功检测到完整的usb枚举握手信号，则转入数据桥接模式。

40、“无效接入或休眠保持状态”包括以下车载场景：车辆熄火后原车主机进入低功耗休眠保持状态致使vbus引脚存在待机电压但无数据通信能力、usb线缆拔出后vbus线路上的电容残余电压，以及车辆启动或熄火过程中电源系统的瞬态电气噪声导致的vbus电压波动。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、1、本发明中，通过设置检测控制模块对usb-c接口的vbus引脚电压以及dp/dm数据引脚的usb枚举握手信号进行双重采集校验，装置上电默认配置为纯充电模式；仅在vbus存在电压且检测到完整usb枚举握手序列时，才控制数据通道切换模块切换至数据桥接模式；面对车机休眠待机电压、线缆拔出后的电容残余电压、车辆工况带来的瞬态电气噪声等车载电气干扰，在仅有vbus电压而无有效枚举握手信号时，检测控制模块维持原有工作模式；该硬件双维度检测架构，验证数据源真实接入状态，规避车载电气扰动引发的模式误切换，提升装置在复杂车载环境下的工作可靠性，保障carplay/androidauto数据通信稳定工作；

43、2、本发明中，通过车辆点烟器独立取电，规避原车usb接口的电流约束，利用dc-dc降压转换模块与独立供电模块相配合实现多路独立供电，总功率可达60w，实现各接口输出互不干扰；借助数据通道切换模块完成usb-c接口与第一usb-a接口的数据引脚物理直通，保障carplay/androidauto数据通信完整稳定；独立供电模块为第一usb-a接口提供5v/3a供电，使该接口在数据通信的同时可稳定充电，克服了充电与车载互联功能无法同时使用的问题；

44、3、本发明中，采用直通式数据通道替代hub芯片集中式数据分发架构，缩短数据传输路径，提升信号完整性，简化硬件结构并降低硬件成本；对三个usb接口进行功能分层设置，usb-c接口承担数据桥接输入与pd快充，第一usb-a接口实现数据传输与5v/3a充电，第二usb-a接口用于快充输出，适配多样使用场景，同时设置p-mos防倒灌隔离电路，usb-c接口vbus引脚仅做电压检测，阻隔点烟器电源向原车主机倒灌，保障车载电子系统运行安全。