汽车电源管理系统的设计方法趋势浅析

王大丽， 程 琳， 龙苏华， 文 柳， 贾锋涛， 郑阿东

（奇瑞汽车股份有限公司， 安徽 芜湖 241006）

随着现代电子技术日新月异， 智能化汽车的逐步实现，汽车已由原来的代步工具成为移动出行的智能终端， 汽车技术也向智能化、 网联化、 电动化及共享化发展， 汽车这些智能化功能对整车电源系统性能稳定性的要求越来越敏感。 为确保整车用电环境的稳定可靠， 需要对整车电源管理系统的设计方法进行分析研究。

整车供电系统的核心零部件为蓄电池、 发电机。 蓄电池为车辆提供电能、 储存电能， 它主要负责在发动机起动或低速运转时， 汽车发电机不发电或者电压很低的情况下，为车内电子系统提供电能。 发电机是整车的主要电源， 负责提供整车在发动机启动后车内电子系统的用电以及为蓄电池补充电。 蓄电池和发电机容量选择时， 除了要满足前述不同工况的用电需求， 还需要综合考虑整车的布置空间、成本及质量的要求， 通过对整车供电系统及用电负载的电源管理使整车的电性能得到保证， 整车电源系统管理场景如下。

1） 场景1： 整车供电量满足整车正常状态的用电， 用户在停放时间内再次启动车辆时可正常启动， 这是用户对车辆的最低要求。

2） 场景2： 车辆进入正常休眠后， 不会因网络异常唤醒耗电， 整车电器系统因电压低出现故障。

3） 场景3： 用户用电不当或整车耗电异常以及蓄电池健康状态不佳时， 电源管理系统能进行管控， 并能通过仪表或TBOX的APP预警提醒用户， 增加用户感知和提高产品溢价。

本文通过对市场上在售车型的电源管理系统设计方法的解析， 以及目前终端用户对汽车应用场景及功能需求激增带来的整车供电稳定性的需求， 电源系统的设计必须由简易的传统的设计方法转变成新型的系统的设计方法， 达到对整车电源系统进行智能管理和控制的目的， 从而确保整车用电的稳定性。

1 市场上整车电源管理系统常见的设计方法介绍

1.1 怠速提升策略

发电机容量的选择要综合考虑输出能力、 成本、 质量、布置等因素， 发电机输出能力随转速的增加而增加， 其输出能力瓶颈是怠速状态下。 为了满足怠速状态下的用电需求， 整车通过开启某大功率负载时提高怠速转速的策略（图1） 来提升发电机的发电量， 这种简易的电源管理设计模式适合电器功能较少的低端车型， 例如某品牌6万元左右的车型： 在怠速工况下， 大功率负载空调 （前照灯） 开启时， 发动机转速由660r/min 提升到720r/min， 发电机的发电量可由原来的36A提高到41A。

图1 怠速提升策略

1.2 静态电流控制策略

通过对整车静态电流进行控制来延长蓄电池的寿命和车辆的停放时间。

为了满足车辆停放时间和储运周期的需要， 设定整车静态电流目标， 同时针对出口车辆在整车电源分配设计时设计了海运储运模式。 海运模式： 对产生静态电流的控制模块 （非运输过程必须功能） 回路设计一路总电源， 通过拔掉此总电源回路的海运熔断丝断开回路， 从而实现对静态电流的管理， 确保长时间运输后车辆还能正常启动及延长蓄电池寿命。 这种静态电流的电源管理方法设计简单，但操作起来复杂， 使用不方便。 如图2所示。

图2 整车静态电流管理示意图

1.3 发电机输出智能化策略

发电机输出智能化策略主要是拥有LIN调节器的发电机可以根据需要设定发电的电压值， 通过蓄电池传感器监测蓄电池状态 （电压、 电流、 温度）、 发动机效率以及车辆运行状态等条件改变发电机的负荷， 控制蓄电池充电和放电，对整车电源电量的供给进行管控， 从而达到延长蓄电池寿命和节省油耗的目的。 如图3所示。

图3 发电机输出智能化策略示意图

1.4 单独的电源控制模块策略

通过一个单独的电源控制模块实现整车电源系统的管理。如图4所示。

图4 电源管理控制模块策略示意图

通过蓄电池传感器监测蓄电池的端电压U、 蓄电池的充放电 电 流I、 蓄 电 池 温度t； 根据U、 I、 t判断SOC （蓄电池充电状态）、 SOH （蓄电池健康度）， 再通过LIN 网络将信息传递给控制模块（EMS或BCM）， 从而实现电源管理的目的， 这种电源管理的设计方法在前几年的高档车上曾有应用， 例如奥迪A6，但成本较高， 后来被功能集成式的设计取代了这种分模块式的设计。

2 智能化汽车整车电源管理系统设计方法趋势

随着智能化、 网联化信息技术的发展， 智能驾驶车辆功能的逐步实现， 软件定义汽车的时代已到来， 对整车电源系统的安全等级要求逐步提高， 车载互联系统如远程启动、 OTA等新兴功能实现， 在整车驻车情况下有了新的用电需求。 网联化汽车存在异常耗电的潜在因素越来越多，亏电问题的排查复杂程度也越来越高， 电源管理系统设计的趋势由原来延长蓄电池寿命和车辆的正常启动单一功能目标， 转变为具备整车智能化功能用电环境的稳定及安全，以及对网络异常唤醒产生的亏电隐患进行监控及管理， 对用户场景科技体验的用电管理等， 新型电源管理系统的设计方法是将电源管理的功能集成到车身域控制器BDM （Body Domain Module） 或娱乐域控制器DMC （Domain Controller Module）， 通过软件策略达到对电源系统管理的目的。

2.1 模式化管理

使用软件来进行整车电源系统的模式管理， 通常有工厂模式、 运输模式、 客户模式等， 通过软件进行模式转换，在车辆交付给终端客户之前通过不同模式实现不同阶段不同功能的用电需求， 从而达到整车用电可控及整车电源系统可靠， 实现方式为通过设备与控制通信进行进入或退出相应模式。

1） 工厂模式： 在车辆进行生产装配及调试监测过程中， 通过工厂模式杜绝在整车出厂之前长时间开启电器负载或整车出厂之前问题排查过程开启大功率负载 （空调），导致蓄电池亏电等情况发生。 功能主要包含自动下电、 部分功能限制。 如图5所示。

图5 工厂模式电源管理示意图

2） 运输模式： 物流使用， 确保车辆在运输期间蓄电池电量满足启动需求， 功能主要包括自动下电、 迎宾功能主动关闭、 不自动监测智能钥匙等， 以及禁用跟物流无关的功能， 如音响等。

3） 客户模式： 正常全功能模式， 通过4S店的设备与整车控制模块通信进行进入和退出， 确保用户功能正常使用。

2.2 电源系统的功能管理

2.2.1 负载动态管理

功能定义： 智能发电机动态调节， 负载分级， 按需通断负载 （通断时对用户提醒）， 从而达到蓄电池电压不低于阈值。 蓄电池电压的监控及控制措施是通过EBS （Electronic BatterySensor）/BDM/DMC/CLM（Climate Control Module）/EMS（Engine Management System） 等交互实现。

如： 负载分级， 将整车舒适性大负载 （电流大于10A） 进行分级， 不同情况下逐步关断： 座椅加热/通风/按摩、 自动空调、 鼓风机 （非前除霜模式）、 娱乐功能（导航保留） 等， 以保证安全负载及行驶相关负载的用电需求， 分级如下。

1） 0级： 无限制。

2） 1级： 风量不高于5挡、 座椅加热功能关闭、 音量不高于50%。

3） 2级： 风量不高于3挡、 座椅加热功能关闭、 音响关闭（导航界面不做限制）。

2.2.2 静态电流管理——网络睡眠管理

随着千车千面的发展趋势， 整车电气系统的功能越来越复杂， 传统的静态电流设计管理方法已无法满足整车不亏电的可靠性要求， 需要采用新型的通过软件策略来解决整车静态电流监控和管理的设计方法。

功能定义： 除传统的整车静态电流目标管控外， 各模块在整车设防后设置强制睡眠时间上限 （例如某模块5min）， 且除特殊功能 （设防、 解防、 迎宾、 报警、 远程启动） 需求的模块外， 其它模块在整车OFF状态下不做网络唤醒功能， 以防存在网络偶发不休眠问题， 导致蓄电池亏电， 车辆启动困难， 给用户带来不便。

2.2.3 蓄电池健康管理

用户在日常用车过程中蓄电池保护意识弱或整车耗电异常以及蓄电池健康状态不佳时进行管控， 并能通过仪表或TBOX的APP收到蓄电池状态的预警提醒， 延长蓄电池的使用寿命及提高用户感知。

功能定义： 在ACC/ON挡， 车速为0的情况下， 通过一些控制策略， 蓄电池的健康状态SOH在仪表或通过TBOX在APP上显示， 并在SOH较低的情况下在仪表上或APP上出现“蓄电池电量不足请启动发动机” 等报警提醒， 避免用户用电不当导致蓄电池反复亏电， 影响蓄电池寿命， 甚至带来启动困难的问题。 如图6所示。

图6 蓄电池健康管理示意图

1） SOH 在ICM 可 调 用 显 示： EBS 读 取SOC， 计 算 出SOH， LIN发送给EMS， CAN转发ICM， 菜单可调用显示。

2） SOH通过TBOX显示在APP内： EBS读取SOC， 计算出SOH， LIN发送给EMS， CAN转发TBOX， 显示在APP内。

3） SOH较低仪表&APP报警显示： SOH低于30%， EMS触发， 在仪表&APP显示报警信息。

3 总结

未来汽车智能化程度会进一步提高， 车辆网络休眠状态下后台运作的功能也会更多， 终端用户在体验科技发展的同时整车电量消耗的场景甚至亏电的因素也会更复杂，因此对整车用电的管理就更加重要。 本文通过解析市场上车辆整车电源管理系统设计方法的变化及趋势， 总结出车辆新型电源管理设计方法， 即在设计阶段通过软件策略实现电源系统管理的设计方法将成为趋势。