新能源汽车低压电气系统电耗设计与验证*

张 宾，张小波，刘 钦，胡 阳，姜 磊

（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330001）

1 引言

近年来，随着汽车市场新能源汽车的普及，新能源车与传统燃油车走势差异明显，新能源车尤其是纯电动车销量显著上升，传统燃油车销量逐渐下滑，汽车市场正在加大向电动化转型的步伐。2023年8月新能源车销量68.31万辆，同比增长41.49%，环比增长11.6%，渗透率超过35%。1～8月累计销量已经超过400万辆，同比增长39.58%。

有研究统计表明，用户购买新能源车时，续航里程、购车价格、使用费用、电池特性等都是客户购买新能源车的考量因素（图1），而电耗更是平衡续航里程和购车价格（电池成本）的关键。相同续航里程条件下，低电耗可以带来更低的造车成本、使用成本，减少充电次数，提升用户实际用车体验。

图1 用户购车考量因素数据统计

国务院也发布了《新能源汽车产业发展规划（2021—2035年）》，力求到2025年纯电动乘用车新车平均电耗降至12kWh/100km。降低整车能耗势在必行，各主机厂也纷纷打响能耗战。

2 整车电耗正向研发体系

结合新能源车型（以EV车型与PHEV车型为例）的构型等因素，对整车电耗进行分析，得出整车电耗正向研发体系（图2）。整车电耗由风阻、滚阻、低压负载、热管理4个共性系统，外加能耗核心系统动力总成组成。考虑到EV车型与PHEV车型动力系统的差异，对动力系统进行区分。

图2 整车电耗正向研发体系示意图

由图2可以看出，低压负载能耗是整车能耗中重要的组成部分，低压功耗在整车电耗中的占比约为8%。对于PHEV车，低压电耗降低20W，可节约约0.04度电；对于EV车，低压电耗降低20W，可节约约0.09度电。低压能耗作为整车能耗中的重要一环，亟需在设计上降低低压功耗。

3 整车能量流的能耗分布及流向分析

以某EV 车型为例，结合新能源车型相关零部件功能属性，梳理出整车能量流的能耗分布和流动方向，如图3所示。

图3 整车能耗分布及流向示意图

前、后电驱为保证驾驶动力需求，以高压直流电方式消耗动力电池电能，同时前、后电驱通过滑行能量回收及制动能量回收功能，回收部分电量流入电池包。PTC、压 缩 机 通 过PDU配电，以高压直流电方式消耗动力电池电能，电池包为DCDC 提供高压直流输入，DCDC 通过逆变→降压→逆变的过程转为直流12V电，为低压用电负载提供电能。

4 整车低压电耗影响因素分析及目标确定

整车低压电耗主要由控制器、灯具、热管理、智能驾驶系统、娱乐系统等部分组成。控制器包含各类域控制器、电池管理系统、电机控制器、DCDC逆变器、高压配电单元等；灯具包括前照灯、日行灯、制动灯、氛围灯等；热管理包括水泵、电子风扇、压缩机等；智能驾驶系统包括各类雷达、摄像头、传感器等；娱乐系统包括仪表、中控大屏、抬头显示、记录仪等。根据整车低压电耗组成，对整车低压电耗优化方向作出梳理，如图4所示。

图4 整车低压电耗优化方向

整车低压电耗目标需要基于设计车型的网络架构及竞品车型低压电耗对标数据来确定。

5 整车低压电耗设计

5.1 整车架构

整车网络架构越复杂，控制器越多，整车低压电耗则越大。基于整车架构方面有如下优化措施。

5.1.1 分网段网络管理

分网段网络管理策略基于AutoSAR NM机制设计，主要为局部网络管理策略。局部网络管理是一种针对性休眠唤醒的网络管理策略，其机制是利用预先约定好的PNC（Partial Network Cluster，部分网络簇）参数组将控制器划分成组，控制器在接收到网络管理报文时，通过识别PNI标志位和PNC位来确定是否唤醒并进入正常通信状态或者维持自己不进入总线准备睡眠状态，精准唤醒控制器将会进一步降低电子电气系统的功耗。

网段隔离策略在定义NM PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）基础上，利用局部网络管理标识符PNI（Partial Network Identifier）以及网段隔离参数组SNIC（Source Node Identifier，源节点标识符），中央网关通过SNIC识别哪些网段与功能场景相关，如相关则在该网段发送网络管理报文，否则该网络保持沉默。

分网段网络管理可以结合不同的场景需求，通过控制与该场景无关的节点保持静默以降低整车低压电耗。使用分段网络管理和未使用分段网络管理时的状态迁移见图5。

图5 状态迁移图

5.1.2 采用断路继电器切断某些电器回路

根据不同的使用场景划分，将与该场景无关的控制器集成在一个继电器下，在该场景触发时，断开此继电器以降低该场景下整车低压功耗。

以充电场景为例，在外接充电时断开继电器，将与充电无关的继电器全部断开，以降低充电时的低压功耗。充电场景继电器控制方案示意如图6所示。

图6 充电场景继电器控制方案示意图

5.1.3 基于域控制器低功耗模式

首先需要梳理整车应用场景，根据不同场景设置低功耗方案开关，关闭甚至禁用某些功能或关闭某些控制器。如智能驾驶域控制器、整车域控制器等，涉及的功能主要包括智能驾驶、主动安全、全景、雷达、空调、座椅、地图、娱乐系统、灯光等。低功耗方案设计示例见表1。

表1 低功耗方案设计示例

5.2 硬件设计

基于硬件层面的设计，主要从整车功能配置或者零部件自身入手，可以通过变更设计方案降低低压功耗。

1）降低整车功能和配置：整车低压功耗取决于整车的功能和配置，可以适当降低整车功能配置。

2）将卤素灯切换为LED灯：卤素灯能耗高于LED灯，一般车用卤素灯55W左右，而LED灯为20W左右，可以将前照灯、制动灯、高位制动灯切换为LED灯。

3）减小日行灯功率：减少日行灯灯珠颗粒数量，造型优化等。

4）减小中控屏和仪表屏尺寸：减小屏幕尺寸，降低低压功耗。

5.3 软件设计

基于软件层面的设计，主要从控制策略入手，对系统策略方案进行优化设计，降低低压功耗。

1）适当提升电机水泵、电池水泵和电子风扇开启温度，降低水泵和电子风扇开启频率。

2）适当降低水泵和电子风扇占空比，降低水泵及风扇功率。

3）对DCDC输出电压进行调节，在保证12V蓄电池SOC健康的前提下，在蓄电池SOC较高时适当降低DCDC输出电压，以降低整车低压零部件整体功耗，设计示例见表2。

表2 DCDC输出电压调节方案示例

表3 LIN通信正常模式下DCDC低压侧输出电压

4）下电后将中控屏及仪表屏直接熄屏，或者降低屏幕亮度。

6 整车低压电耗的验证

整车低压电耗验证也是电耗设计中的重要一环，是对整车电耗性能进行判断的可靠手段，以XX车型为例，其验证流程如图7所示。

1）试验样车检查：将车辆上电至Ready状态保持一定时间，然后检查各可操作电器零部件是否工作正常，对不能正常工作的用电器做好记录。整车电源回到ON挡，用诊断仪检查整车控制器是否有故障，对有故障的控制器清除DTC，完成后将车辆重新上电至Ready状态保持一定时间，检查控制器故障状态并做好记录。

2）试验台架搭建：关闭车上所有电器负载，并让车辆下电。断开车辆连接DCDC输出端线束，断开车辆12V蓄电池正负极极柱连接线束，按照相应的电器负载，根据整车原理图安装电压传感器和电流传感器，并在数据采集设备或者功率分析仪上完成设置。连接DCDC输出端线束和12V蓄电池正负极极柱连接线束，将车固定在环境仓转毂上并确认可靠。以某车型为例，台架搭建示例如图8所示。

图8 电耗验证台架搭建示例图

3）试验步骤如下：①将车辆上电至Ready状态，关闭空调、前照灯、氛围灯、智能驾驶，其他设置维持默认模式；②按照GB/T 38146.1—2019《中国汽车行驶工况 第1部分：轻型汽车》中的CLTC和WLTC路谱开始CS（Charge Sustaining，电荷维持态，REEV车型）/CD（Charge Depleting，电荷耗尽态，EV、PHEV车型）/慢充测试，并记录数据；③测试完成后，停止采集设备，并保存数据；④断开车辆的DCDC输出端线束和12V蓄电池正负极极柱连接线束，然后拆除车上的电压传感器和电流传感器，连接车辆的DCDC输出端线束和12V蓄电池正负极极柱连接线束。在试验过程中，使用的设备可能用到功率分析仪、示波器、电流钳、CAN信号采集设备等。

4）数据处理分析：将每个电器负载取平均值，并记录在电器负载平均值统计表中。根据图8绿线，CD/CS工况下整车低压功耗=整段的DCDC输出的功耗平均值-12V蓄电池输入的功耗平均值（比如CD到CS的切换点在第3个循环，那么CD工况的功耗为前2个循环的平均值）；慢充工况下整车低压功耗=充电过程中DCDC输出的功耗平均值-12V蓄电池输入的功耗平均值。

5）优化方案整理、整改：根据统计的电器负载数据，梳理不合格项，设计部门制定优化方案并整改。优化方案整理示例见表4。

表4 不同工况下优化方案整理示例

6）整车低压电耗验收：设计部门完成优化方案整改后，再次通过试验进行整车低压电耗验证，验证电耗合格后，完成整车低压电耗验收。

7 结束语

随着新能源汽车的普及，不断优化整车能耗将是主机厂的设计目标。低压能耗作为整车能耗中的关键一环，优化空间非常大。作为设计者，需要依托完善整车电耗正向研发体系，结合整车低压电耗设计目标，从架构、硬件、软件层面入手制定更优的设计方案。最终通过试验验证整车低压功耗设计方案，分析试验所得数据验证设计方案是否可行，针对不合格项进行整改再验证，不断优化并形成闭环管控。相信随着未来技术的发展，一定能将整车能耗降到最低，极大提升新能源汽车能量效率。