智能驾驶车辆供电系统研究

孙 竞，周纯泽，章毅青

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201208）

整车市场预计在2021年后将会逐步推出满足L3及更高等级的乘用车产品。同时，伴随着目前电动化的趋势，后期的整车电源系统也将分别基于12 V、48 V、350 V电压等级完善针对智能驾驶的需求。相较于传统的整车电源系统架构，为了满足大部分与智能驾驶相关模块较高的功能安全等级需求，L3及以上等级所适配的电源系统，需要具备冗余的供电节点，并通过诊断、控制其在故障时的供电通道切换，以消除传统整车电源系统中的单点失效情况。

1 L0无自动驾驶功能车型电源系统架构简介

整车电源系统根据目前的主功率蓄电池电压等级主要可以分为传统燃油车12 V等级系统、微混车型的48 V等级系统、混动／纯电动车型的350 V等级系统。

传统燃油车12 V等级系统的供电架构如图1所示，其中由12 V蓄电池和12 V发电机通过旁路开关为整车电子模块供电，当起动机工作时，由DC／DC模块将跌落的电源升压至稳定的12 V为后级负载提供输出。

图1 传统12 V供电拓扑

图2 传统48 V供电拓扑

微混48 V车型的整车供电架构如图2所示，其中由48 V蓄电池、48 V发电机作为常态工作下的主电源，通过一个48 V转12 V的DC／DC模块为后级整车电子模块提供电源，并为12 V蓄电池进行充电维护。

混动／纯电350 V电压等级车型的整车供电架构如图3所示，其中由350 V蓄电池作为常态工作下的主电源，通过一个350 V转12 V的DC／DC模块为后级整车电子模块提供电源，并为12 V蓄电池进行充电维护。

图3 传统350 V供电拓扑

以上3种架构中的12 V蓄电池向后级负载输出的节点均存在单点失效的工况。以48 V供电架构为例，当图2中的F1节点失效则后级BCM、ECM、EPS等电子模块将失去KL30常电供电，随之带来的是整车多项功能失效。其中转向助力、发动机控制、制动控制等功能的失控，严重的更是会对驾乘人员造成人身的伤害，车辆危险状态对应分析的车辆安全完整性等级ASIL见表1。

表1 功能安全分析［1］

通过功能安全分析评估，在2级及以上自动驾驶模式Hands Off状态下，当车辆电源出现故障导致车辆驾驶安全负载和自动驾驶负载无法工作，需要有备用电源提醒驾驶员立即接管驾驶，并确保接管期间对相关负载的可靠供电，确保车辆驾驶安全。

2 整车冗余电源架构简介

智能驾驶L3及以上等级的车型，需要在驾驶员不介入整车控制的情况下保证车辆在内部出现故障时其关键功能模块能够正常运行15 s以上，相应的整车供电系统同样需要满足以上的需求。为了提升适用于智能驾驶车型的电源系统功能安全等级，消除供电网络的单点失效工况，需要在现有的电源架构中添加一个冗余供电模块作为备用节点，以满足部分电子模块的供电安全需求。

目前的车载电子模块中对于冗余供电节点有所需求的主要分为两类：一种如Right Front Lamp和Left Front lamp，需要为功能相同的2个模块分配不同的独立供电节点，以避免2个模块同时失效的工况出现。另一种如ADAS传感器模块这类与智能驾驶强相关的零件，其本身的功能安全等级较高，其单个零件就需要2个独立的供电节点作为冗余设计。

而随着这些电子模块逐渐适配各类新能源车型，新一代的整车供电架构研究方向则开始向着电动化与智能化兼容的方向发展。其中主要包括能够同时适配所有电压等级的全平台冗余电源架构以及针对不同电压等级单独开发的独立平台冗余电源架构。

2.1 全平台冗余电源架构

全平台冗余电源架构如图4、图5、图6所示，其中冗余部分的供电网络主要由一个备用的12 V蓄电池、一个包含开关稳压DC／DC和多级隔离开关 （S1、S2、S3）的备用电源模块以及与智能驾驶相关或自身功能安全等级较高需要冗余供电的负载。该架构能够同时适配传统12 V燃油车型、48 V微混车型、350 V混动／纯电车型。而通过调整12 V备用蓄电池的容量则可延长整车供电节点发生故障到人为接入干预的允许时间，从而适配L3～L5不同等级的智能驾驶车型。

以48 V微混车型为例，当整车运行正常时，48 V架构DC／DC为常规12 V网络供电 （包括12 V蓄电池），备用电源模块通过内部Bypass通路 （S1闭合）由常规12 V蓄电池节点为冗余12 V网络中的负载模块供电，同时检测备用12 V蓄电池SOC状态，如其状态低于阈值则通过闭合的S2、S3以及内部的DC／DC为备用12V蓄电池进行充电维护。如图7所示。

图4 12 V冗余供电拓扑 （全平台）

图5 48 V冗余供电拓扑 （全平台）

图6 350 V冗余供电拓扑 （全平台）

图7 48 V冗余供电拓扑运行工况1

在备用12 V蓄电池检测电路判定其SOC状态达到规定阈值的情况下，当整车进入智能驾驶模式时，备用供电模块通过内部常规12 V蓄电池的Bypass通路 （S1闭合）为冗余12 V网络中的负载模块供电，同时通过断开的S2、S3保证备用12 V蓄电池与后级负载隔离，如图8所示。

图8 48 V冗余供电拓扑运行工况2

当常规12 V蓄电池输出节点失效时，备用电源模块内部S1通路断开，S2、S3通路闭合，由备用12 V蓄电池经备用12V DC／DC为冗余12 V供电网络中的负载供电，如图9所示。

图9 48 V冗余供电拓扑运行工况3

2.2 独立平台冗余电源架构

独立平台冗余电源架构相对于全平台冗余电源架构，除12 V传统燃油车型外，针对48 V微混车型和350 V混动／纯电车型独立设计其冗余供电网络架构，如图10、图11所示。由于这两种电压等级的电源架构本身会带有2组蓄电池即48 V／350 V锂电池和12 V蓄电池，其中可将48 V／350 V锂电池作为备用供电网络的供电节点。

图10 48 V冗余供电拓扑 （独立平台）

图11 350 V冗余供电拓扑 （独立平台）

当整车运行正常时，备用供电模块通过内部常规12 V蓄电池的Bypass通路 （S1闭合）为备用供电网络的负载模块供电；当常规12 V蓄电池输出节点失效时，备用电源模块内部S1通路断开，S2通路闭合，由48 V／350 V蓄电池经备用48 V （350 V）转12 V DC／DC为后级冗余12 V供电网络中的负载供电，同样能够实现消除供电网络单点失效的情况。

3 备用电源系统模块功能简介

3.1 全平台备用电源系统模块

全平台备用电源模块的内部功能框图如图12所示。其内部主要包括模块控制系统电路、由功率MOSFET及其驱动电路组成的隔离开关、12 V双向DC／DC电路和12 V备用蓄电池。其中MOSFET Q1、Q2组成的双向隔离开关与控制系统电路中常规12 V节点监控模块的功能安全等级要求较高，该组合需要确实可靠地监测常规12 V蓄电池的输出电压状态，并在其供电节点实际失效时准确做出判断，通过驱动电路迅速关断Q1、Q2实现失效节点与后级冗余供电负载的安全隔离。当监控电路检测到12 V输出供电节点由失效状态恢复到正常状态时，则通过驱动电路在短时间内导通Q1、Q2形成Bypass通路，恢复常规12 V蓄电池对后级冗余负载的供电。同时由备用12 V蓄电池检测电路判断其状态，并通过驱动芯片控制防反开关MOSFET Q3、Q4由常规12 V蓄电池为其进行充电维护。由于各隔离开关采用半导体功率MOSFET，使其能够实现微秒级的开关控制，大大增加了车载备用供电模块在智能驾驶模式下的响应速度。

图12 备用电源模块 （全平台）

3.2 独立平台备用电源系统模块

独立平台备用电源模块的内部功能框图如图13、图14所示。作为48 V平台和350 V平台的针对性设计，备用供电模块内部取消了12 V备用蓄电池，而是通过防反开关MOSFET直接与48 V／350 V蓄电池连接，并在常规12 V蓄电池输出节点失效时由48 V／350 V蓄电池通过Q3、Q4、DC／DC模块直接为后级冗余负载供电，该DC／DC模块由48 V （350 V）转换至12 V，自身无需对外部蓄电池进行维护。

图13 备用电源模块 （48 V独立平台）

3.3 备用电源模块对整车电子环境的影响

伴随着备用电源模块加入供电网络，整车其余电子环境也会随之做出相应改变。首先作为备用电源模块与其他零件的连接媒介，整车的供电分布系统，即熔断丝盒与线束也将作出相应的调整。同样以EPS模块为例，如图15所示，EPS供电节点增加的同时，相应的线束节点和熔断丝也会增加。

另一方面，乘客能够通过仪表及指示灯得到智能驾驶工况下由于备用供电模块运行带来的交互信息，其对照列表见表2。具体的诊断信息也可通过Onstar等数据收集模块上传到云端，方便后台定位故障车辆并对车主提供相应的援助。

4 智能驾驶适配冗余供电方案对比

全平台冗余供电方案只需开发一款备用供电模块，且内部DC／DC为12 V等级，其功率元器件耐压要求较低，硬件成本较有优势。但其独立供电源需要在原本的电源架构中新增一块12 V的蓄电池，其对整车而言会增加一定的布置体积、质量和成本。同时新增的蓄电池要求备用电源模块内部的DC／DC具备双向升降压的功能，即正常工况下实时监控备用蓄电池状态，由常规12 V蓄电池降压后为备用12 V蓄电池充电；常规12 V供电节点失效后，由备用12 V蓄电池升压后为冗余供电网络中的负载模块供电。该功能将增加模块软件的复杂度，同时对备用12 V蓄电池的维护提出了额外的要求。

独立冗余供电方案在混动和纯电的车型上借助原有的48 V／350 V蓄电池作为冗余供电网络的备用电源，节省了额外电源的成本及整车布置体积、质量。其备用供电模块的内部DC／DC在工作时只需处于单向降压模式，即在常规12 V供电节点失效后由48 V／350 V蓄电池降压后为冗余供电网络的负载模块供电。其功能实现较为简单，且软件和硬件能够较大程度地复用常规供电网络的48 V（350 V） 转12 V DC／DC模块的设计方案。但相对于全平台冗余供电方案，其备用供电模块内部的DC／DC由于需要适配48 V和350 V的电压等级，硬件成本相较12 V等级的DC／DC模块及隔离开关模块会有所增加。且满足高压350 V的隔离开关技术尚未成熟，迅速开关所导致的电压应力、EMC等问题仍有待解决。而为了开发3种电压等级的独立备用供电模块，该方案的前期开发投入也会较高。

图14 备用电源模块 （350 V独立平台）

图15 EPS供电拓扑对比

5 结论

对于目前的市场而言，传统12 V燃油车型、48 V微混车型、350 V混动／纯电车型市场占比尚未明确。在这样的环境下开发一款短期内能够同时适用于大多车型且满足智能驾驶需求的冗余供电架构，能够以较小的前期投入迅速取得市场的先机。而随着后期不同电压等级智能驾驶车型市场的占比逐渐明朗，高压隔离开关技术趋于成熟，半导体器件成本进一步降低，针对某一款主流电压等级的智能驾驶车型重新开发一款独立平台的整车冗余供电架构，则可有效降低成本以及整车布置体积和质量。

表2 备用电源模块交互信息

（编辑 杨 景）