整车电源模式智能化发展趋势

2021-11-26付朝辉王华阳

汽车电器 2021年11期

付朝辉，王华阳

（吉利汽车中央研究院智能电子软件中心，浙江宁波 315000）

按照2030碳达峰、2060碳中和目标测算，中国电气化水平应分别达到37%、70%。其中，2060年工业部门电气化水平应达到69%，建筑部门达到80%，交通运输部门达到53%。在这个进程中，新能源汽车、电动汽车是重要战略新兴产业，对于实现碳达峰、碳中和目标也具有重要的作用。当前电动车普遍存在的里程焦虑阻碍着全面普及，如何对车载电源进行高效能量管理，将是电动车企业未来面对的持续挑战。

1 前言

减轻电动车用户的里程焦虑，要么增加车载电池的容量，要么提高单次充电的效率和有效行驶里程。根据统计，目前市场在售车型平均电池容量已达59.8kWh，头部车型的电量甚至已超过了100kWh，在总行驶里程上大大地改善电动车的出行距离；充电能力的提升和基础设施的改善：慢充功率可达20kW，而快充则能达到100kW的功率，提升了电动车的使用便利性。

在改善动力系统上的便利性基础上，电动车品牌还需要在智能化方向上进行更多创新，扩展更多的用户体验场景，真正将汽车打造成为移动出行的第三空间，才能吸引大批的忠实用户。据麦肯锡调研，61%的中国消费者会因为智能网联系统而更换汽车品牌，这就要求各个汽车品牌在智能网联系统上形成自己的特色。

在以上两个目标的驱动下，智能电动车在电源架构设计上呈现出以下特点。

1）能量来源的电动化：低压用电器全部采用电力驱动，并由电力转换器（DC/DC converter）和低压蓄电池并联供电。传统燃油车通过皮带轮拖动执行器，比如水泵、空调压缩机等已不复存在。

2）电源系统的轻量化：在减重增程目标驱使下，蓄电池在进行小型化设计（甚至可以讨论直接取消，45Ah铅酸电池重约12kg），利用区域接入来优化线束的回路数并控制线束长度，打破高低压系统物理边界进行集成，提升锂电池包的能量密度（当前大多数厂家还处于150Wh/kg以下水平）。

3）使用场景的多样化：充分利用车辆的智能化水平来提升车辆的使用乐趣，比如：启动哨兵模式来保护车辆的财产安全，使用自主代客泊车来节省寻找车位时间，遥控远程空调来提升乘客的舒适度。

如何平衡车辆行驶和其它智能化功能的能量需求，需要我们总结传统车的经验，分析电动车的差异，并充分利用当前先进技术，找到高效的电源模式管理机制。

2 传统电源管理机制

首先，我们回顾一下当前车辆能量管理策略的应用范围。

2.1 用电器控制

根据负载的电流大小，可以分为大/小电流用电器，30A是汽车单颗智能MOSFET行业的标准阈值。智能MOEFET的规格基本上都是按照30A的标准来设计的。根据用电器的控制方式，可以划分为开关控制和功率调节控制两类。开关控制仅仅对于用电器进行开启和关闭操作，没有中间状态，比如开灯和关灯操作；而功率调节控制往往采用PWM驱动来控制电流大小以达到调节的目的，比如灯光的亮度调节、电子雨刮的速度调节等。

2.2 电源模式

各类负载在使用过程中都会消耗一定的电量，考虑到整车在生产、运输和使用过程中的不同场景下，整车的电源模式可以分为工厂模式、运输模式和正常模式。这些电源模式设计将保证各个阶段的用户需求，在工厂模式下主要满足下线的功能检测，在运输模式下主要满足整车的低功耗要求，而在正常模式下需要支持整车功能的正常使用，当然也包括整车的驻车模式。这些模式之间的切换需要通过诊断仪、开关或者熔断丝信号来激活。在设计阶段，这些电源模式下能够承载的功能都需要和相关需求方进行打磨冻结。

2.3 ECU的模式管理

根据AUTOSAR组织对于ECU的模式定义，ECU的模式可以分为ON、OFF、SLEEP、STANDBY四种模式，见表1。

表1 控制器模式定义

其中SLEEP和STANDBY两个模式的工作能力依赖于硬件架构的设计方案：可以降低芯片工作频率，也可以关闭外设电路等其它方式。

网络上的ECU在各个模式的切换，需要根据物理层的接口电路或者基础芯片的中断管理来实现，此外，供电电压的变化也能实现模式的转换。下面是根据典型的CAN网络上的ECU不同唤醒方式做出简单分类（图1）。

图1 控制器唤醒机制分类图

图1体现了唤醒的典型电路。

1） A类控制器：电池常电供电，能通过网络信号唤醒。

2） B类控制器：电池常电供电，能通过网络信号和本地事件唤醒，本地事件可以是时钟事件也可以是中断事件。

3） C类控制器：电池常电供电，能通过本地事件唤醒。

4） D类控制器：通过继电器进行供电，不能被唤醒。

2.4 网络管理

不论是OSEK还是AUTOSAR的网络管理，都是负责整车网络的整体状态切换。在能量管理的范畴内，我们更加关注网络休眠条件下的唤醒和整车静态电流水平。从功能维度出发，可以将整车网络分为3种模式，见表2。

表2 网络状态定义

图2所示为网络模式切换电流曲线。

通过网络状态的记录，我们看到整车电流水平和网络的状态息息相关，而具体休眠递进阶段的电流大小直接受ECU内部硬件状态的影响。

3 智能电力电子技术

当前电力电子技术发展，尤其是功率电子的发展，提升了电源管理系统的效率。

3.1 DC/DC转换器

在没有太阳能发电和其它在线充电基础设施的前提下，高压电池是电动车唯一能量来源，通过电力转换器（DC/DC）转化成12V/48V的低压电源系统。由于没有发动机，不需要考虑起动机这类大电流请求，因此对于12V电池的容量要求相对较低，当前主流选择是45Ah的铅酸电池或锂离子电池。铅酸电池虽然应用广泛并且技术成熟，但是由于质量原因，部分整车厂也在考虑仅仅采用DC/DC转换器提供12V电压的供电场景。DC/DC的优势可以采集电流，识别过流，在瞬间大电流短路时可切断输出，短路移除后，可自动恢复，不用更换主熔断丝。这样的工况就需要在软件控制上考虑各种场景，比如DC/DC的散热、电流负载的跳变，同时需要考虑动力电池失效时，DC/DC输出电容的储能满足特殊工况需求。

3.2 智能MOSFET芯片

传统的配电盒利用熔断丝和继电器来进行负载的控制，优势在于成本低，器件结构简单，无漏电流；不足在于无法进行电流采集和负载电路诊断，也就不能精确进行能量评估和控制。而采用智能MOSFET芯片的控制方式，如图3所示，MOSFET芯片结合MCU的控制能力就能弥补传统配电盒的劣势，不仅可以实现负载的功率控制，也能更好地保护用电器。通过智能电路可以对于过温/过压/过流进行保护，也能采集电流进行能耗评估，但成本也会随之上升。

图3 智能MOSFEST控制器电路

4 网络管理机制

整车控制器ECU也是一类的用电器，并且考虑到当前不断上升的芯片功耗，在电源模式设计时，一定要充分考虑整车ECU网络状态切换。图4为网络拓扑结构概览。

图4 网络拓扑结构概览

整车的网络管理，主要是满足网络各个节点的功能交互需求，这些交互的信息都是通过信号报文来传递。根据不同的场景和设计需要，AUTOSAR的网络管理，可以实现同睡同醒，也可以实现部分网络管理。这两类网络管理策略的落地和网络拓扑结构密切相关，要么需要中央协调机制，要么需要网关路由机制来保证。在进行网络管理机制设计时，我们将遵循从上到下统一休眠，从下到上的冒泡唤醒机制。为了保证这种机制的落地，我们有必要对于当前网络拓扑进行分析和对比，详见表3。

利用其趋性，4月到秋季采茶结束期间可采用规格为20厘米×24厘米的纯黄色诱集板诱杀其成虫，茶园两端分别留1米左右，南北边缘向内分别缩进1米，且分布均匀，20～25张/亩为宜。纯黄色诱集板悬挂的高度因季节的不同而异，春季和秋季悬挂距离茶树树冠蓬面下方20～30厘米处；初夏悬挂距离茶树树冠蓬面下方20厘米至树冠上方20厘米处；盛夏，悬挂距离茶树树冠蓬面上方40～60厘米处[3]。黄色诱集板诱杀成虫的措施防治效果好、安全、无污染，是茶园绿色防控的主要措施之一。

表3 拓扑特征说明

本文主要聚焦应用比较广泛的总线型、环型和星型拓扑进行分析。

4.1 总线型拓扑

总线型拓扑形式利用公共的总线将网络节点统一连接起来，CAN、CAN FD和LIN总线普遍采用这种结构。 CAN子网段内各个节点都可以对于网络进行唤醒，其它节点统一按照网络管理的机制进行响应，并且利用网络管理报文进行状态同步，需要重点关注的是子网段内的唤醒事件如何通过网关节点向主网段进行传播；而网络上的睡眠机制可以根据不同的需要，采用联邦制让各个ECU自行进行休眠，或采用统一休眠管理。如CAN子网段一样，LIN任意一个节点都能唤醒整个子网段，但是只有LIN的主节点才能下发统一的睡眠指令。

4.2 环型拓扑和星型拓扑

以太网通信普遍采用环型和星型拓扑形式，当前OPEN ALLIANCE组织在大力推广以太网的网络唤醒和睡眠规范，参与联盟的各家供应商所开发的PHY能支持唤醒和休眠的功能，但是相互之间的兼容性还不够彻底。采用环状拓扑各个节点的状态需要保持一致，而采用星型拓扑可以进行部分局部状态同步，取决于中心节点的控制指令。

5 整车休眠工况功能细分

整车的电源管理有效运行还需要对于整车的静态电流进行控制，这就需要我们对于休眠工况下的功能应用场景进行细分和总结。

5.1 持续使用

这类功能需要在整车进入休眠模式下也能正常工作，主要分为以下几种。

1）车辆防盗系统，包括检测、报警、显示功能等。

2）车辆访问系统，包括钥匙/手机检测、NFC授权、充电接口等。

3）车辆状态监控，包括电池状态监控、车内温度监控、制动踏板/启动开关操作监控等。

5.2 特定场景使用

1）充电伴随功能，比如充电冷却功能、太阳能充电。

2）远程监控和数据收集，比如哨兵模式、数据上传。

3）远程诊断和软件下载功能。

5.3 按需开启功能

这类功能是根据用户的意图进行开启，当前考虑到车联网的接入场景非常丰富，可以进行灯光秀，也能进行沉浸式游戏体验。这些功能需要在前期设计时考虑妥当，在必要的情况下，需要电源架构师设计特定的模式来统一管理。

6 能量管理设想和实践

通过以上的分析，能量管理机制是功能架构设计的基础，并且对于网络架构和功能开发提出限制条件，考虑到能量来源的唯一性，我们建议采用集中式的管理机制，对于各类用电器进行智能供电控制。

6.1 集中能量分配（图5）

图5 集中能量分配框图

沿用传统车的认知，当车辆在行驶或者其它使用工况下，用户对于持续地耗电有心里准备，然而在车辆已经停止使用的情况，用户期待能够维持电量水平，这就需要考虑到非用户感知相关系统的用电需求。考虑到电动车的能量来源单一，建立集中能量库用于统一分配，能有效地管理整车能量水平。首先需要建立整车的能量评估机制，根据车辆电池的各类信息，评估当前有效能够分配的能量；其次，需要各个用电器发起请求，并且预估本次请求所需消耗的能量；最后根据优先级统一对于不同用电器进行能量按时按需分配。采用集中式管理方式，不仅可以有效地保证能量安全，还能响应不同的功能需求，体现有效率地公平分配。用电器的能量请求还需要利用网络通信来实现，因此在详细设计阶段，不能忽视对于网络状态的依赖。

6.2 动态功率控制（图6）

图6 动态功率控制框图

整体的低压功耗受限于电力转换器（DC/DC）的最高功率，而不同用电器的使用频率和能耗会随着工况不同而变化，这样电力转换器的功率不会基于所有用电器功率简单累加进行设计，而是根据最差工况来进行功率选型，这就必然会存在功率请求冲突的情况，需要电源管理系统进行动态地功率分配，在优先保证车辆安全功能用电需求的基础上，尽量减少用户体验功能的降级。整体上全面评估整车剩余有效功率，按照不同系统使用属性，建立基于优先级的动态分时使用的管理机制。这就要求，负载用电器在进行功率请求时，需要提供最小功率需求信息，这样才能让电源系统高效仲裁并有效分配。

6.3 静态电流监控

在车辆进入睡眠模式下，整车的部分功能还会正常工作，这样才能保证车辆对于用户使用的快速响应，但也会增加网络异常唤醒的概率。整车网络在被唤醒之后，各个控制器就会进入运行模式，这就会提高整车电源的能量消耗，在没有补给的情况下，整车ECU的唤醒会消耗一定的电量，考虑到电池电量传感器SOC计算对于瞬时的电流变化不够灵敏，容易造成整车馈电事件的发生，因此，我们需要建立整车网络唤醒能量补偿机制。此外，还应该利用分布式的智能供电系统来识别静态电流超标的用电器和控制器，建立异常耗电处理机制，并且开发相应的软件模块，能够响应这类异常并对异常用电器进行强制关闭。