智能駕駛車輛供電系統(tǒng)研究

孫 競(jìng)，周純澤，章毅青

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201208）

整車市場(chǎng)預(yù)計(jì)在2021年后將會(huì)逐步推出滿足L3及更高等級(jí)的乘用車產(chǎn)品。同時(shí)，伴隨著目前電動(dòng)化的趨勢(shì)，后期的整車電源系統(tǒng)也將分別基于12 V、48 V、350 V電壓等級(jí)完善針對(duì)智能駕駛的需求。相較于傳統(tǒng)的整車電源系統(tǒng)架構(gòu)，為了滿足大部分與智能駕駛相關(guān)模塊較高的功能安全等級(jí)需求，L3及以上等級(jí)所適配的電源系統(tǒng)，需要具備冗余的供電節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)診斷、控制其在故障時(shí)的供電通道切換，以消除傳統(tǒng)整車電源系統(tǒng)中的單點(diǎn)失效情況。

1 L0無(wú)自動(dòng)駕駛功能車型電源系統(tǒng)架構(gòu)簡(jiǎn)介

整車電源系統(tǒng)根據(jù)目前的主功率蓄電池電壓等級(jí)主要可以分為傳統(tǒng)燃油車12 V等級(jí)系統(tǒng)、微混車型的48 V等級(jí)系統(tǒng)、混動(dòng)／純電動(dòng)車型的350 V等級(jí)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)燃油車12 V等級(jí)系統(tǒng)的供電架構(gòu)如圖1所示，其中由12 V蓄電池和12 V發(fā)電機(jī)通過(guò)旁路開(kāi)關(guān)為整車電子模塊供電，當(dāng)起動(dòng)機(jī)工作時(shí)，由DC／DC模塊將跌落的電源升壓至穩(wěn)定的12 V為后級(jí)負(fù)載提供輸出。

圖1 傳統(tǒng)12 V供電拓?fù)?/p>

圖2 傳統(tǒng)48 V供電拓?fù)?/p>

微混48 V車型的整車供電架構(gòu)如圖2所示，其中由48 V蓄電池、48 V發(fā)電機(jī)作為常態(tài)工作下的主電源，通過(guò)一個(gè)48 V轉(zhuǎn)12 V的DC／DC模塊為后級(jí)整車電子模塊提供電源，并為12 V蓄電池進(jìn)行充電維護(hù)。

混動(dòng)／純電350 V電壓等級(jí)車型的整車供電架構(gòu)如圖3所示，其中由350 V蓄電池作為常態(tài)工作下的主電源，通過(guò)一個(gè)350 V轉(zhuǎn)12 V的DC／DC模塊為后級(jí)整車電子模塊提供電源，并為12 V蓄電池進(jìn)行充電維護(hù)。

圖3 傳統(tǒng)350 V供電拓?fù)?/p>

以上3種架構(gòu)中的12 V蓄電池向后級(jí)負(fù)載輸出的節(jié)點(diǎn)均存在單點(diǎn)失效的工況。以48 V供電架構(gòu)為例，當(dāng)圖2中的F1節(jié)點(diǎn)失效則后級(jí)BCM、ECM、EPS等電子模塊將失去KL30常電供電，隨之帶來(lái)的是整車多項(xiàng)功能失效。其中轉(zhuǎn)向助力、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、制動(dòng)控制等功能的失控，嚴(yán)重的更是會(huì)對(duì)駕乘人員造成人身的傷害，車輛危險(xiǎn)狀態(tài)對(duì)應(yīng)分析的車輛安全完整性等級(jí)ASIL見(jiàn)表1。

表1 功能安全分析［1］

通過(guò)功能安全分析評(píng)估，在2級(jí)及以上自動(dòng)駕駛模式Hands Off狀態(tài)下，當(dāng)車輛電源出現(xiàn)故障導(dǎo)致車輛駕駛安全負(fù)載和自動(dòng)駕駛負(fù)載無(wú)法工作，需要有備用電源提醒駕駛員立即接管駕駛，并確保接管期間對(duì)相關(guān)負(fù)載的可靠供電，確保車輛駕駛安全。

2 整車冗余電源架構(gòu)簡(jiǎn)介

智能駕駛L3及以上等級(jí)的車型，需要在駕駛員不介入整車控制的情況下保證車輛在內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)其關(guān)鍵功能模塊能夠正常運(yùn)行15 s以上，相應(yīng)的整車供電系統(tǒng)同樣需要滿足以上的需求。為了提升適用于智能駕駛車型的電源系統(tǒng)功能安全等級(jí)，消除供電網(wǎng)絡(luò)的單點(diǎn)失效工況，需要在現(xiàn)有的電源架構(gòu)中添加一個(gè)冗余供電模塊作為備用節(jié)點(diǎn)，以滿足部分電子模塊的供電安全需求。

目前的車載電子模塊中對(duì)于冗余供電節(jié)點(diǎn)有所需求的主要分為兩類：一種如Right Front Lamp和Left Front lamp，需要為功能相同的2個(gè)模塊分配不同的獨(dú)立供電節(jié)點(diǎn)，以避免2個(gè)模塊同時(shí)失效的工況出現(xiàn)。另一種如ADAS傳感器模塊這類與智能駕駛強(qiáng)相關(guān)的零件，其本身的功能安全等級(jí)較高，其單個(gè)零件就需要2個(gè)獨(dú)立的供電節(jié)點(diǎn)作為冗余設(shè)計(jì)。

而隨著這些電子模塊逐漸適配各類新能源車型，新一代的整車供電架構(gòu)研究方向則開(kāi)始向著電動(dòng)化與智能化兼容的方向發(fā)展。其中主要包括能夠同時(shí)適配所有電壓等級(jí)的全平臺(tái)冗余電源架構(gòu)以及針對(duì)不同電壓等級(jí)單獨(dú)開(kāi)發(fā)的獨(dú)立平臺(tái)冗余電源架構(gòu)。

2.1 全平臺(tái)冗余電源架構(gòu)

全平臺(tái)冗余電源架構(gòu)如圖4、圖5、圖6所示，其中冗余部分的供電網(wǎng)絡(luò)主要由一個(gè)備用的12 V蓄電池、一個(gè)包含開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓DC／DC和多級(jí)隔離開(kāi)關(guān) （S1、S2、S3）的備用電源模塊以及與智能駕駛相關(guān)或自身功能安全等級(jí)較高需要冗余供電的負(fù)載。該架構(gòu)能夠同時(shí)適配傳統(tǒng)12 V燃油車型、48 V微混車型、350 V混動(dòng)／純電車型。而通過(guò)調(diào)整12 V備用蓄電池的容量則可延長(zhǎng)整車供電節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障到人為接入干預(yù)的允許時(shí)間，從而適配L3～L5不同等級(jí)的智能駕駛車型。

以48 V微混車型為例，當(dāng)整車運(yùn)行正常時(shí)，48 V架構(gòu)DC／DC為常規(guī)12 V網(wǎng)絡(luò)供電 （包括12 V蓄電池），備用電源模塊通過(guò)內(nèi)部Bypass通路 （S1閉合）由常規(guī)12 V蓄電池節(jié)點(diǎn)為冗余12 V網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載模塊供電，同時(shí)檢測(cè)備用12 V蓄電池SOC狀態(tài)，如其狀態(tài)低于閾值則通過(guò)閉合的S2、S3以及內(nèi)部的DC／DC為備用12V蓄電池進(jìn)行充電維護(hù)。如圖7所示。

圖4 12 V冗余供電拓?fù)?（全平臺(tái)）

圖5 48 V冗余供電拓?fù)?（全平臺(tái)）

圖6 350 V冗余供電拓?fù)?（全平臺(tái)）

圖7 48 V冗余供電拓?fù)溥\(yùn)行工況1

在備用12 V蓄電池檢測(cè)電路判定其SOC狀態(tài)達(dá)到規(guī)定閾值的情況下，當(dāng)整車進(jìn)入智能駕駛模式時(shí)，備用供電模塊通過(guò)內(nèi)部常規(guī)12 V蓄電池的Bypass通路 （S1閉合）為冗余12 V網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載模塊供電，同時(shí)通過(guò)斷開(kāi)的S2、S3保證備用12 V蓄電池與后級(jí)負(fù)載隔離，如圖8所示。

圖8 48 V冗余供電拓?fù)溥\(yùn)行工況2

當(dāng)常規(guī)12 V蓄電池輸出節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，備用電源模塊內(nèi)部S1通路斷開(kāi)，S2、S3通路閉合，由備用12 V蓄電池經(jīng)備用12V DC／DC為冗余12 V供電網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載供電，如圖9所示。

圖9 48 V冗余供電拓?fù)溥\(yùn)行工況3

2.2 獨(dú)立平臺(tái)冗余電源架構(gòu)

獨(dú)立平臺(tái)冗余電源架構(gòu)相對(duì)于全平臺(tái)冗余電源架構(gòu)，除12 V傳統(tǒng)燃油車型外，針對(duì)48 V微混車型和350 V混動(dòng)／純電車型獨(dú)立設(shè)計(jì)其冗余供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖10、圖11所示。由于這兩種電壓等級(jí)的電源架構(gòu)本身會(huì)帶有2組蓄電池即48 V／350 V鋰電池和12 V蓄電池，其中可將48 V／350 V鋰電池作為備用供電網(wǎng)絡(luò)的供電節(jié)點(diǎn)。

圖10 48 V冗余供電拓?fù)?（獨(dú)立平臺(tái)）

圖11 350 V冗余供電拓?fù)?（獨(dú)立平臺(tái)）

當(dāng)整車運(yùn)行正常時(shí)，備用供電模塊通過(guò)內(nèi)部常規(guī)12 V蓄電池的Bypass通路 （S1閉合）為備用供電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載模塊供電；當(dāng)常規(guī)12 V蓄電池輸出節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，備用電源模塊內(nèi)部S1通路斷開(kāi)，S2通路閉合，由48 V／350 V蓄電池經(jīng)備用48 V （350 V）轉(zhuǎn)12 V DC／DC為后級(jí)冗余12 V供電網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載供電，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)消除供電網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)失效的情況。

3 備用電源系統(tǒng)模塊功能簡(jiǎn)介

3.1 全平臺(tái)備用電源系統(tǒng)模塊

全平臺(tái)備用電源模塊的內(nèi)部功能框圖如圖12所示。其內(nèi)部主要包括模塊控制系統(tǒng)電路、由功率MOSFET及其驅(qū)動(dòng)電路組成的隔離開(kāi)關(guān)、12 V雙向DC／DC電路和12 V備用蓄電池。其中MOSFET Q1、Q2組成的雙向隔離開(kāi)關(guān)與控制系統(tǒng)電路中常規(guī)12 V節(jié)點(diǎn)監(jiān)控模塊的功能安全等級(jí)要求較高，該組合需要確實(shí)可靠地監(jiān)測(cè)常規(guī)12 V蓄電池的輸出電壓狀態(tài)，并在其供電節(jié)點(diǎn)實(shí)際失效時(shí)準(zhǔn)確做出判斷，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路迅速關(guān)斷Q1、Q2實(shí)現(xiàn)失效節(jié)點(diǎn)與后級(jí)冗余供電負(fù)載的安全隔離。當(dāng)監(jiān)控電路檢測(cè)到12 V輸出供電節(jié)點(diǎn)由失效狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)時(shí)，則通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通Q1、Q2形成Bypass通路，恢復(fù)常規(guī)12 V蓄電池對(duì)后級(jí)冗余負(fù)載的供電。同時(shí)由備用12 V蓄電池檢測(cè)電路判斷其狀態(tài)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片控制防反開(kāi)關(guān)MOSFET Q3、Q4由常規(guī)12 V蓄電池為其進(jìn)行充電維護(hù)。由于各隔離開(kāi)關(guān)采用半導(dǎo)體功率MOSFET，使其能夠?qū)崿F(xiàn)微秒級(jí)的開(kāi)關(guān)控制，大大增加了車載備用供電模塊在智能駕駛模式下的響應(yīng)速度。

圖12 備用電源模塊 （全平臺(tái)）

3.2 獨(dú)立平臺(tái)備用電源系統(tǒng)模塊

獨(dú)立平臺(tái)備用電源模塊的內(nèi)部功能框圖如圖13、圖14所示。作為48 V平臺(tái)和350 V平臺(tái)的針對(duì)性設(shè)計(jì)，備用供電模塊內(nèi)部取消了12 V備用蓄電池，而是通過(guò)防反開(kāi)關(guān)MOSFET直接與48 V／350 V蓄電池連接，并在常規(guī)12 V蓄電池輸出節(jié)點(diǎn)失效時(shí)由48 V／350 V蓄電池通過(guò)Q3、Q4、DC／DC模塊直接為后級(jí)冗余負(fù)載供電，該DC／DC模塊由48 V （350 V）轉(zhuǎn)換至12 V，自身無(wú)需對(duì)外部蓄電池進(jìn)行維護(hù)。

圖13 備用電源模塊 （48 V獨(dú)立平臺(tái)）

3.3 備用電源模塊對(duì)整車電子環(huán)境的影響

伴隨著備用電源模塊加入供電網(wǎng)絡(luò)，整車其余電子環(huán)境也會(huì)隨之做出相應(yīng)改變。首先作為備用電源模塊與其他零件的連接媒介，整車的供電分布系統(tǒng)，即熔斷絲盒與線束也將作出相應(yīng)的調(diào)整。同樣以EPS模塊為例，如圖15所示，EPS供電節(jié)點(diǎn)增加的同時(shí)，相應(yīng)的線束節(jié)點(diǎn)和熔斷絲也會(huì)增加。

另一方面，乘客能夠通過(guò)儀表及指示燈得到智能駕駛工況下由于備用供電模塊運(yùn)行帶來(lái)的交互信息，其對(duì)照列表見(jiàn)表2。具體的診斷信息也可通過(guò)Onstar等數(shù)據(jù)收集模塊上傳到云端，方便后臺(tái)定位故障車輛并對(duì)車主提供相應(yīng)的援助。

4 智能駕駛適配冗余供電方案對(duì)比

全平臺(tái)冗余供電方案只需開(kāi)發(fā)一款備用供電模塊，且內(nèi)部DC／DC為12 V等級(jí)，其功率元器件耐壓要求較低，硬件成本較有優(yōu)勢(shì)。但其獨(dú)立供電源需要在原本的電源架構(gòu)中新增一塊12 V的蓄電池，其對(duì)整車而言會(huì)增加一定的布置體積、質(zhì)量和成本。同時(shí)新增的蓄電池要求備用電源模塊內(nèi)部的DC／DC具備雙向升降壓的功能，即正常工況下實(shí)時(shí)監(jiān)控備用蓄電池狀態(tài)，由常規(guī)12 V蓄電池降壓后為備用12 V蓄電池充電；常規(guī)12 V供電節(jié)點(diǎn)失效后，由備用12 V蓄電池升壓后為冗余供電網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載模塊供電。該功能將增加模塊軟件的復(fù)雜度，同時(shí)對(duì)備用12 V蓄電池的維護(hù)提出了額外的要求。

獨(dú)立冗余供電方案在混動(dòng)和純電的車型上借助原有的48 V／350 V蓄電池作為冗余供電網(wǎng)絡(luò)的備用電源，節(jié)省了額外電源的成本及整車布置體積、質(zhì)量。其備用供電模塊的內(nèi)部DC／DC在工作時(shí)只需處于單向降壓模式，即在常規(guī)12 V供電節(jié)點(diǎn)失效后由48 V／350 V蓄電池降壓后為冗余供電網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載模塊供電。其功能實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，且軟件和硬件能夠較大程度地復(fù)用常規(guī)供電網(wǎng)絡(luò)的48 V（350 V） 轉(zhuǎn)12 V DC／DC模塊的設(shè)計(jì)方案。但相對(duì)于全平臺(tái)冗余供電方案，其備用供電模塊內(nèi)部的DC／DC由于需要適配48 V和350 V的電壓等級(jí)，硬件成本相較12 V等級(jí)的DC／DC模塊及隔離開(kāi)關(guān)模塊會(huì)有所增加。且滿足高壓350 V的隔離開(kāi)關(guān)技術(shù)尚未成熟，迅速開(kāi)關(guān)所導(dǎo)致的電壓應(yīng)力、EMC等問(wèn)題仍有待解決。而為了開(kāi)發(fā)3種電壓等級(jí)的獨(dú)立備用供電模塊，該方案的前期開(kāi)發(fā)投入也會(huì)較高。

圖14 備用電源模塊 （350 V獨(dú)立平臺(tái)）

圖15 EPS供電拓?fù)鋵?duì)比

5 結(jié)論

對(duì)于目前的市場(chǎng)而言，傳統(tǒng)12 V燃油車型、48 V微混車型、350 V混動(dòng)／純電車型市場(chǎng)占比尚未明確。在這樣的環(huán)境下開(kāi)發(fā)一款短期內(nèi)能夠同時(shí)適用于大多車型且滿足智能駕駛需求的冗余供電架構(gòu)，能夠以較小的前期投入迅速取得市場(chǎng)的先機(jī)。而隨著后期不同電壓等級(jí)智能駕駛車型市場(chǎng)的占比逐漸明朗，高壓隔離開(kāi)關(guān)技術(shù)趨于成熟，半導(dǎo)體器件成本進(jìn)一步降低，針對(duì)某一款主流電壓等級(jí)的智能駕駛車型重新開(kāi)發(fā)一款獨(dú)立平臺(tái)的整車冗余供電架構(gòu)，則可有效降低成本以及整車布置體積和質(zhì)量。

表2 備用電源模塊交互信息

（編輯 楊 景）