汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)設(shè)計解析

趙 磊，林軍昌，邵云雷

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310000）

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子產(chǎn)品應(yīng)用到汽車上，汽車從安全性、舒適性、娛樂性等各方面為用戶帶來了更優(yōu)質(zhì)的駕乘感受。但電子產(chǎn)品的增多及其性能的不穩(wěn)定性導(dǎo)致整車靜態(tài)電流越來越大，過大的靜態(tài)電流會快速地消耗掉整車蓄電池的能量，減少車輛的靜態(tài)停放時間，蓄電池作為車輛冷起動的唯一能量提供者，如果能量消耗過多則會導(dǎo)致車輛拋錨無法啟動。因此在汽車開發(fā)之初就應(yīng)該把汽車靜態(tài)電流作為一個系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃。

目前國內(nèi)大部分上市車型設(shè)計周期過短，直接導(dǎo)致車輛前期設(shè)計周期壓縮，評審測試不充分，很多問題流到測試階段才能發(fā)現(xiàn)，甚至很多問題要到用戶手中才能暴露，經(jīng)?？梢栽诟鞣N媒體報道中發(fā)現(xiàn)某某品牌的車輛停放幾夜后，車主無法啟動車輛的問題。任何問題發(fā)現(xiàn)得越晚，整改成本就越大，嚴重者甚至有召回的風(fēng)險。如何設(shè)計一個好的汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)直接關(guān)系到整個汽車品牌在消費者心目中的形象。

本文從設(shè)計開發(fā)的角度按照“V”字型理論，從整車級、系統(tǒng)級、部件級3個方面闡述如何在設(shè)計階段對汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)進行開發(fā)。

1 整車級汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)需求開發(fā)

用戶場景1：當用戶將車輛停在停車場鎖車后，車輛進入休眠階段，若干天后用戶來到車輛旁邊打算進入車內(nèi)或開啟行李廂時，在車主認證通過后，車輛應(yīng)能監(jiān)測接收用戶指令并正確執(zhí)行，不應(yīng)出現(xiàn)虧電拋錨等問題。

用戶場景2：當用戶將車輛停在停車場鎖車后，車輛進入休眠階段，若干天后用戶通過網(wǎng)絡(luò)遠程控制車輛時，在車主認證通過后，車輛應(yīng)能監(jiān)測接收用戶指令并正確執(zhí)行，不應(yīng)出現(xiàn)虧電拋錨等問題。

用戶場景3：當用戶將車輛停在停車場鎖車后，車輛進入休眠階段，車主因某些原因幾十天后打算操作車輛 （設(shè)計期限內(nèi)），車輛應(yīng)能主動關(guān)閉一些不必要的耗電負載，在車主認證通過后，車輛應(yīng)能監(jiān)測接收用戶指令并正確執(zhí)行，不應(yīng)出現(xiàn)虧電拋錨等問題。

用戶場景4：當用戶將車輛停在停車場忘記鎖車、車門未關(guān)、外界干擾等情況時，車輛應(yīng)能自動計時，計時期內(nèi)通過聲光提示車主，計時結(jié)束后將車輛問題通過網(wǎng)絡(luò)遠程通知車主，自動進入休眠階段，在車主下次認證通過后，車輛應(yīng)能監(jiān)測接收用戶指令并正確執(zhí)行，不應(yīng)出現(xiàn)虧電拋錨等問題。

參考行業(yè)內(nèi)通用設(shè)計要求，一般車輛最長休眠時間設(shè)定在45～60天。

2 系統(tǒng)級汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1 電源架構(gòu)設(shè)計

首先對整車的電源架構(gòu)進行設(shè)計，參考行業(yè)內(nèi)設(shè)計經(jīng)驗可以將整車電源分為5擋。

第1擋電源，為整車休眠后工作的用電設(shè)備供電，用U30表示。設(shè)計原則：①行車安全類用電設(shè)備，如發(fā)動機管理單元、變速器管理單元、車身穩(wěn)定系統(tǒng)、電源管理單元、AWD管理單元、車身管理單元、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)等；②遠程管理功能相關(guān)用電設(shè)備，如遠程管理單元等；③整車休眠后檢測用戶用車需求用電設(shè)備，如車身管理單元、指紋識別系統(tǒng)、電容門把手、鑰匙信號檢測系統(tǒng)、尾門腳踢檢測系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等；④報警記憶相關(guān)用電設(shè)備，如儀表、行車記錄儀等。

TIAP與PICC在乳腺癌化療中的應(yīng)用…………………………馬鵬勛，馬琳娜，李潤明，王 超，薛 艷，李 艷，文 雙，張 蓉（59）

第2擋電源，為在發(fā)動機停機后整車休眠前工作的用電設(shè)備供電，用U31表示。設(shè)計原則：①提升用戶駕乘體驗的用電設(shè)備：影音娛樂系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、燈具控制系統(tǒng)等；②用戶常用操作電器設(shè)備：開關(guān)、門鎖、玻璃升降、天窗、電動后背門、電動伸縮踏板等。

第3擋電源，為在發(fā)動機啟動準備階段工作的用電設(shè)備供電，用UON表示。設(shè)計原則：①發(fā)動機啟動前必須工作的用電設(shè)備，如各類發(fā)動機信息收集傳感器、油泵等；②整車行駛過程才會用到不會影響客戶感知的功能，如安全氣囊、倒車雷達、自動泊車、全景影像、遠近光調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)等。

第4擋電源，為在發(fā)動機啟動瞬間停止工作的用電設(shè)備供電，用UACC表示。設(shè)計原則：減少整車大功率用電設(shè)備在啟動瞬間的電能分流，確保蓄電池的電能主要用來啟動發(fā)動機，提升整車的啟動能力，如鼓風(fēng)機、前風(fēng)擋加熱、刮水器、逆變器、備用電源等。

第5擋電源，為在發(fā)動機啟動瞬間工作的啟動機供電，用UCRACK表示。

通過對整車近百個用電設(shè)備進行梳理，在電源架構(gòu)設(shè)計階段盡可能減少U30下的用電設(shè)備，也就是休眠后仍在工作耗電的用電設(shè)備。圖1是5擋電源在整車不同狀態(tài)下的工作時序圖。

圖1 電源時序圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)架構(gòu) （圖2）應(yīng)包含以下4部分。

1）電能提供設(shè)備，在發(fā)動機熄火后為整車提供電能，即蓄電池。

圖2 電源管理系統(tǒng)架構(gòu)

2）電源監(jiān)測設(shè)備，應(yīng)能定時監(jiān)測蓄電池電壓、電量、充放電電流等，并實時傳輸給電能管理中心，即EBS。

3）電能管理中心，根據(jù)用戶指令控制整車5擋電源的通斷，并通過收集蓄電池傳感器的情報、用電設(shè)備工作狀態(tài)、整車電源擋位等，進行預(yù)警、休眠、喚醒等工作，一般為電源管理單元。

2.3 系統(tǒng)策略設(shè)計

在發(fā)動機工作階段，整車電能主要由發(fā)電機供應(yīng)，同時為蓄電池補充電能。靜態(tài)電流管理系統(tǒng)主要考慮在發(fā)動機熄火后的工作情景。在此情景下，整車用電設(shè)備包括4個工作模式。

1）正常工作模式：整車電源處于UACC、UON，各用電設(shè)備根據(jù)電源擋位及用戶需求正常工作。蓄電池虧電預(yù)警：①發(fā)動機啟動狀態(tài)下，當監(jiān)測到蓄電池虧電時，應(yīng)通過屏幕對用戶進行提示，通過加油來提升發(fā)電機發(fā)電量，同時主動關(guān)閉一些負載來降低整車用電量；②發(fā)動機熄火狀態(tài)，整車休眠前且監(jiān)測到用戶在車上時，當監(jiān)測到蓄電池虧電時，應(yīng)發(fā)出聲光提示，告知用戶整車電量不足請及時充電，以及車輛最長停放時間。

2）休眠等待模式：整車電源處于U31一定時間，整車網(wǎng)絡(luò)活動靜止下來，最終達到整車網(wǎng)絡(luò)上沒有活動，用電設(shè)備開始進行休眠計時 （10min左右），該計時期間為休眠等待期，如果在計時期間沒有主動或被動喚醒請求，則U31斷電，用電設(shè)備進入休眠模式，否則用電設(shè)備執(zhí)行喚醒指令，結(jié)束后重新進行休眠計時。車輛未鎖預(yù)警：如果監(jiān)測到車輛未鎖，在休眠前應(yīng)通過遠程APP向用戶進行預(yù)警。

3）淺度休眠模式：整車電源處于U30，用電設(shè)備沒有主動、被動喚醒請求時，所有使用U31的用電設(shè)備電源斷開，使用U30的用電設(shè)備進入淺度休眠模式，ECU功耗降低至低水平。在該模式下，用電設(shè)備除喚醒源檢測、芯片記憶等相關(guān)電路外其余功能全部停止工作，整車靜態(tài)電流降至20mA以內(nèi)。喚醒策略：①遠程喚醒，用戶可以通過手機APP等遠程連接車輛的遠程控制單元，并可以開啟一些用電設(shè)備或啟動車輛；②鑰匙喚醒，鑰匙在車輛檢測范圍內(nèi)被檢測認證通過，用戶通過鑰匙發(fā)出解鎖、開啟后背門、尋車、兒童安全鎖或尾門腳踢開啟、感應(yīng)式門把手開門等功能需求時，車輛被喚醒；③硬線信號喚醒，當車身管理單元檢測到以下硬線信號時應(yīng)該被喚醒：四門兩蓋狀態(tài)變化信號、左前門鎖狀態(tài)變化信號、電源擋位從OFF變?yōu)榉荗FF狀態(tài)、機械鑰匙變化信號、危險報警燈開關(guān)輸入信號、夜間照明開關(guān)信號、前照燈信號、喇叭信號等；④網(wǎng)絡(luò)喚醒，當檢測到CAN總線、LIN總線等網(wǎng)絡(luò)有被動請求時，相應(yīng)的用電設(shè)備應(yīng)該被喚醒。

4）深度休眠模式：在淺度休眠模式下，電源管理單元定期 （7days左右）監(jiān)測蓄電池電量，當電量低于某一設(shè)定值時，通過遠程APP告知用戶車輛進入深度休眠模式，同時通過網(wǎng)絡(luò)向U30的用電設(shè)備發(fā)送深度休眠指令，第1擋用電設(shè)備中的2、3、4項除鑰匙信號檢測系統(tǒng)外，全部進行電源關(guān)閉，整車靜態(tài)電流降至5mA以下，增長整車靜態(tài)停放時間，此狀態(tài)下僅接收鑰匙喚醒。

3 部件級汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

3.1 蓄電池設(shè)計

蓄電池容量并非越大越好，隨著容量的增大，蓄電池的成本和質(zhì)量都會增加，下面對蓄電池容量從選型方面進行介紹。

1）蓄電池作為整車發(fā)動機停機后的唯一電能來源，其初始出廠容量用C標稱表示。

2）蓄電池隨著使用時間的增加，蓄電池的儲能能力會逐步降低，一般使用設(shè)計壽命3年，在2年內(nèi)蓄電池老化損耗的電能上限，用C老化表示。

3）設(shè)計時間內(nèi)的整車發(fā)動機停機休眠前視聽娛樂設(shè)備、座椅調(diào)節(jié)、玻璃升降、四門開閉鎖、室內(nèi)室外燈具等的電能損耗，用C停機表示。

4）整車休眠30天的電能損耗和蓄電池自損耗，用C休眠表示。

5）蓄電池電量在滿足最小啟動電量的基礎(chǔ)上剩余的電量，用來衡量一輛車可以休眠停放的天數(shù)，用C剩余表示。

6）由于蓄電池具有隨著溫度的降低，啟動能力也會減弱的特性，汽車一般設(shè)計最低工作環(huán)境溫度為-30℃，故蓄電池啟動所需要的最低電能應(yīng)為-30℃時的啟動所需最低電能，用C啟動表示，用公式表示即：

蓄電池容量分解如圖3所示。

圖3 蓄電池容量分解

通常C標稱從以下幾方面進行設(shè)計：①蓄電池的三包期一般為1年，在此期間內(nèi)C老化≤5%C標稱；②在整車宣傳時應(yīng)正確引導(dǎo)消費者，在發(fā)動機熄火狀態(tài)，關(guān)閉大部分用電設(shè)備，減少C停機的損耗，一般C停機≤5%C標稱；③整車冷啟動能力：為保證蓄電池在-30℃可以正常啟動車輛，一般要求C啟動≈60%C標稱；④C休眠+C剩余就是整車最大的靜態(tài)停放時間，按休眠模式可以分為C淺+C深。

例：假設(shè)一輛汽車的淺度休眠靜態(tài)電流I淺靜=20mA，休眠時間為T1，消耗蓄電池容量占比X，深度休眠靜態(tài)電流為深靜=5mA，休眠時間為T2，蓄電池每天自損耗為1%，要求整車靜態(tài)停放時間為T=60天，則：

為兼顧車輛舒適性與實用性，從以上公式計算得出：當X為0.3時，C標稱為70Ah，淺度休眠時間為7天，深度休眠時間為52天，整車靜態(tài)停放最大時間為59天。

3.2 硬件設(shè)計

針對在電源U30下的用電設(shè)備，其硬件電路板設(shè)計時應(yīng)重點進行不同芯片的電源模式分類，下面以某零部件的電路板為例，包含顯示驅(qū)動芯片、MCU主控芯片、電機驅(qū)動芯片、運放芯片、CAN收發(fā)芯片、供電芯片、觸摸按鍵驅(qū)動芯片。其中僅MCU主控芯片、CAN收發(fā)芯片、供電芯片提供U30，負責(zé)對網(wǎng)絡(luò)喚醒和硬線喚醒的信號進行監(jiān)測。

部件級硬件電源分配設(shè)計如圖4所示。

圖4 部件級硬件電源分配設(shè)計

3.3 軟件設(shè)計

針對在電源U30下的用電設(shè)備，應(yīng)對整車休眠喚醒流程、判定條件、定時器設(shè)計結(jié)合前期的設(shè)計需求規(guī)范進行設(shè)計，避免出現(xiàn)誤執(zhí)行、死機等問題。下面簡介一種休眠喚醒控制策略：主要包括狀態(tài)檢測、喚醒狀態(tài)、等待狀態(tài)、休眠狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)故障。圖5為休眠喚醒狀態(tài)檢測機制，表1為休眠喚醒狀態(tài)說明表。

圖5 休眠喚醒狀態(tài)檢測機制

表1 休眠喚醒狀態(tài)說明表

4 總結(jié)

通過對汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)整車級、系統(tǒng)級、部件級的設(shè)計解析并形成技術(shù)規(guī)范，才能設(shè)計出符合用戶需求的車輛。當然以上所有的策略設(shè)計都應(yīng)該形成對應(yīng)的在產(chǎn)品驗證階段可以被檢測的測試用例，才能保證后期設(shè)計出符合設(shè)計要求并且可被測試的讓用戶滿意的汽車。