汽车静态电流管理系统设计解析

2020-03-14林军昌邵云雷

汽车电器 2020年1期

赵磊，林军昌，邵云雷

（众泰汽车工程研究院，浙江杭州 310000）

随着汽车电子技术的发展，越来越多的电子产品应用到汽车上，汽车从安全性、舒适性、娱乐性等各方面为用户带来了更优质的驾乘感受。但电子产品的增多及其性能的不稳定性导致整车静态电流越来越大，过大的静态电流会快速地消耗掉整车蓄电池的能量，减少车辆的静态停放时间，蓄电池作为车辆冷起动的唯一能量提供者，如果能量消耗过多则会导致车辆抛锚无法启动。因此在汽车开发之初就应该把汽车静态电流作为一个系统统筹规划。

目前国内大部分上市车型设计周期过短，直接导致车辆前期设计周期压缩，评审测试不充分，很多问题流到测试阶段才能发现，甚至很多问题要到用户手中才能暴露，经常可以在各种媒体报道中发现某某品牌的车辆停放几夜后，车主无法启动车辆的问题。任何问题发现得越晚，整改成本就越大，严重者甚至有召回的风险。如何设计一个好的汽车静态电流管理系统直接关系到整个汽车品牌在消费者心目中的形象。

本文从设计开发的角度按照“V”字型理论，从整车级、系统级、部件级3个方面阐述如何在设计阶段对汽车静态电流管理系统进行开发。

1 整车级汽车静态电流管理系统需求开发

用户场景1：当用户将车辆停在停车场锁车后，车辆进入休眠阶段，若干天后用户来到车辆旁边打算进入车内或开启行李厢时，在车主认证通过后，车辆应能监测接收用户指令并正确执行，不应出现亏电抛锚等问题。

用户场景2：当用户将车辆停在停车场锁车后，车辆进入休眠阶段，若干天后用户通过网络远程控制车辆时，在车主认证通过后，车辆应能监测接收用户指令并正确执行，不应出现亏电抛锚等问题。

用户场景3：当用户将车辆停在停车场锁车后，车辆进入休眠阶段，车主因某些原因几十天后打算操作车辆（设计期限内），车辆应能主动关闭一些不必要的耗电负载，在车主认证通过后，车辆应能监测接收用户指令并正确执行，不应出现亏电抛锚等问题。

用户场景4：当用户将车辆停在停车场忘记锁车、车门未关、外界干扰等情况时，车辆应能自动计时，计时期内通过声光提示车主，计时结束后将车辆问题通过网络远程通知车主，自动进入休眠阶段，在车主下次认证通过后，车辆应能监测接收用户指令并正确执行，不应出现亏电抛锚等问题。

参考行业内通用设计要求，一般车辆最长休眠时间设定在45～60天。

2 系统级汽车静态电流管理系统功能设计

2.1 电源架构设计

首先对整车的电源架构进行设计，参考行业内设计经验可以将整车电源分为5挡。

第1挡电源，为整车休眠后工作的用电设备供电，用U30表示。设计原则：①行车安全类用电设备，如发动机管理单元、变速器管理单元、车身稳定系统、电源管理单元、AWD管理单元、车身管理单元、电动助力转向系统、网关等；②远程管理功能相关用电设备，如远程管理单元等；③整车休眠后检测用户用车需求用电设备，如车身管理单元、指纹识别系统、电容门把手、钥匙信号检测系统、尾门脚踢检测系统、防盗系统等；④报警记忆相关用电设备，如仪表、行车记录仪等。

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第2挡电源，为在发动机停机后整车休眠前工作的用电设备供电，用U31表示。设计原则：①提升用户驾乘体验的用电设备：影音娱乐系统、座椅系统、空调系统、灯具控制系统等；②用户常用操作电器设备：开关、门锁、玻璃升降、天窗、电动后背门、电动伸缩踏板等。

第3挡电源，为在发动机启动准备阶段工作的用电设备供电，用UON表示。设计原则：①发动机启动前必须工作的用电设备，如各类发动机信息收集传感器、油泵等；②整车行驶过程才会用到不会影响客户感知的功能，如安全气囊、倒车雷达、自动泊车、全景影像、远近光调节系统、自动驾驶系统等。

第4挡电源，为在发动机启动瞬间停止工作的用电设备供电，用UACC表示。设计原则：减少整车大功率用电设备在启动瞬间的电能分流，确保蓄电池的电能主要用来启动发动机，提升整车的启动能力，如鼓风机、前风挡加热、刮水器、逆变器、备用电源等。

第5挡电源，为在发动机启动瞬间工作的启动机供电，用UCRACK表示。

通过对整车近百个用电设备进行梳理，在电源架构设计阶段尽可能减少U30下的用电设备，也就是休眠后仍在工作耗电的用电设备。图1是5挡电源在整车不同状态下的工作时序图。

图1 电源时序图

2.2 系统架构设计

汽车静态电流管理系统架构（图2）应包含以下4部分。

1）电能提供设备，在发动机熄火后为整车提供电能，即蓄电池。

图2 电源管理系统架构

2）电源监测设备，应能定时监测蓄电池电压、电量、充放电电流等，并实时传输给电能管理中心，即EBS。

3）电能管理中心，根据用户指令控制整车5挡电源的通断，并通过收集蓄电池传感器的情报、用电设备工作状态、整车电源挡位等，进行预警、休眠、唤醒等工作，一般为电源管理单元。

2.3 系统策略设计

在发动机工作阶段，整车电能主要由发电机供应，同时为蓄电池补充电能。静态电流管理系统主要考虑在发动机熄火后的工作情景。在此情景下，整车用电设备包括4个工作模式。

1）正常工作模式：整车电源处于UACC、UON，各用电设备根据电源挡位及用户需求正常工作。蓄电池亏电预警：①发动机启动状态下，当监测到蓄电池亏电时，应通过屏幕对用户进行提示，通过加油来提升发电机发电量，同时主动关闭一些负载来降低整车用电量；②发动机熄火状态，整车休眠前且监测到用户在车上时，当监测到蓄电池亏电时，应发出声光提示，告知用户整车电量不足请及时充电，以及车辆最长停放时间。

2）休眠等待模式：整车电源处于U31一定时间，整车网络活动静止下来，最终达到整车网络上没有活动，用电设备开始进行休眠计时（10min左右），该计时期间为休眠等待期，如果在计时期间没有主动或被动唤醒请求，则U31断电，用电设备进入休眠模式，否则用电设备执行唤醒指令，结束后重新进行休眠计时。车辆未锁预警：如果监测到车辆未锁，在休眠前应通过远程APP向用户进行预警。

3）浅度休眠模式：整车电源处于U30，用电设备没有主动、被动唤醒请求时，所有使用U31的用电设备电源断开，使用U30的用电设备进入浅度休眠模式，ECU功耗降低至低水平。在该模式下，用电设备除唤醒源检测、芯片记忆等相关电路外其余功能全部停止工作，整车静态电流降至20mA以内。唤醒策略：①远程唤醒，用户可以通过手机APP等远程连接车辆的远程控制单元，并可以开启一些用电设备或启动车辆；②钥匙唤醒，钥匙在车辆检测范围内被检测认证通过，用户通过钥匙发出解锁、开启后背门、寻车、儿童安全锁或尾门脚踢开启、感应式门把手开门等功能需求时，车辆被唤醒；③硬线信号唤醒，当车身管理单元检测到以下硬线信号时应该被唤醒：四门两盖状态变化信号、左前门锁状态变化信号、电源挡位从OFF变为非OFF状态、机械钥匙变化信号、危险报警灯开关输入信号、夜间照明开关信号、前照灯信号、喇叭信号等；④网络唤醒，当检测到CAN总线、LIN总线等网络有被动请求时，相应的用电设备应该被唤醒。

4）深度休眠模式：在浅度休眠模式下，电源管理单元定期（7days左右）监测蓄电池电量，当电量低于某一设定值时，通过远程APP告知用户车辆进入深度休眠模式，同时通过网络向U30的用电设备发送深度休眠指令，第1挡用电设备中的2、3、4项除钥匙信号检测系统外，全部进行电源关闭，整车静态电流降至5mA以下，增长整车静态停放时间，此状态下仅接收钥匙唤醒。

3 部件级汽车静态电流管理系统软硬件设计

3.1 蓄电池设计

蓄电池容量并非越大越好，随着容量的增大，蓄电池的成本和质量都会增加，下面对蓄电池容量从选型方面进行介绍。

1）蓄电池作为整车发动机停机后的唯一电能来源，其初始出厂容量用C标称表示。

2）蓄电池随着使用时间的增加，蓄电池的储能能力会逐步降低，一般使用设计寿命3年，在2年内蓄电池老化损耗的电能上限，用C老化表示。

3）设计时间内的整车发动机停机休眠前视听娱乐设备、座椅调节、玻璃升降、四门开闭锁、室内室外灯具等的电能损耗，用C停机表示。

4）整车休眠30天的电能损耗和蓄电池自损耗，用C休眠表示。

5）蓄电池电量在满足最小启动电量的基础上剩余的电量，用来衡量一辆车可以休眠停放的天数，用C剩余表示。

6）由于蓄电池具有随着温度的降低，启动能力也会减弱的特性，汽车一般设计最低工作环境温度为-30℃，故蓄电池启动所需要的最低电能应为-30℃时的启动所需最低电能，用C启动表示，用公式表示即：

蓄电池容量分解如图3所示。

图3 蓄电池容量分解

通常C标称从以下几方面进行设计：①蓄电池的三包期一般为1年，在此期间内C老化≤5%C标称；②在整车宣传时应正确引导消费者，在发动机熄火状态，关闭大部分用电设备，减少C停机的损耗，一般C停机≤5%C标称；③整车冷启动能力：为保证蓄电池在-30℃可以正常启动车辆，一般要求C启动≈60%C标称；④C休眠+C剩余就是整车最大的静态停放时间，按休眠模式可以分为C浅+C深。

例：假设一辆汽车的浅度休眠静态电流I浅静=20mA，休眠时间为T1，消耗蓄电池容量占比X，深度休眠静态电流为深静=5mA，休眠时间为T2，蓄电池每天自损耗为1%，要求整车静态停放时间为T=60天，则：

为兼顾车辆舒适性与实用性，从以上公式计算得出：当X为0.3时，C标称为70Ah，浅度休眠时间为7天，深度休眠时间为52天，整车静态停放最大时间为59天。

3.2 硬件设计

针对在电源U30下的用电设备，其硬件电路板设计时应重点进行不同芯片的电源模式分类，下面以某零部件的电路板为例，包含显示驱动芯片、MCU主控芯片、电机驱动芯片、运放芯片、CAN收发芯片、供电芯片、触摸按键驱动芯片。其中仅MCU主控芯片、CAN收发芯片、供电芯片提供U30，负责对网络唤醒和硬线唤醒的信号进行监测。

部件级硬件电源分配设计如图4所示。