汽車電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法趨勢(shì)淺析

王大麗， 程 琳， 龍?zhí)K華， 文 柳， 賈鋒濤， 鄭阿東

（奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241006）

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)日新月異， 智能化汽車的逐步實(shí)現(xiàn)，汽車已由原來(lái)的代步工具成為移動(dòng)出行的智能終端， 汽車技術(shù)也向智能化、 網(wǎng)聯(lián)化、 電動(dòng)化及共享化發(fā)展， 汽車這些智能化功能對(duì)整車電源系統(tǒng)性能穩(wěn)定性的要求越來(lái)越敏感。 為確保整車用電環(huán)境的穩(wěn)定可靠， 需要對(duì)整車電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析研究。

整車供電系統(tǒng)的核心零部件為蓄電池、 發(fā)電機(jī)。 蓄電池為車輛提供電能、 儲(chǔ)存電能， 它主要負(fù)責(zé)在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)， 汽車發(fā)電機(jī)不發(fā)電或者電壓很低的情況下，為車內(nèi)電子系統(tǒng)提供電能。 發(fā)電機(jī)是整車的主要電源， 負(fù)責(zé)提供整車在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后車內(nèi)電子系統(tǒng)的用電以及為蓄電池補(bǔ)充電。 蓄電池和發(fā)電機(jī)容量選擇時(shí)， 除了要滿足前述不同工況的用電需求， 還需要綜合考慮整車的布置空間、成本及質(zhì)量的要求， 通過(guò)對(duì)整車供電系統(tǒng)及用電負(fù)載的電源管理使整車的電性能得到保證， 整車電源系統(tǒng)管理場(chǎng)景如下。

1） 場(chǎng)景1： 整車供電量滿足整車正常狀態(tài)的用電， 用戶在停放時(shí)間內(nèi)再次啟動(dòng)車輛時(shí)可正常啟動(dòng)， 這是用戶對(duì)車輛的最低要求。

2） 場(chǎng)景2： 車輛進(jìn)入正常休眠后， 不會(huì)因網(wǎng)絡(luò)異常喚醒耗電， 整車電器系統(tǒng)因電壓低出現(xiàn)故障。

3） 場(chǎng)景3： 用戶用電不當(dāng)或整車耗電異常以及蓄電池健康狀態(tài)不佳時(shí)， 電源管理系統(tǒng)能進(jìn)行管控， 并能通過(guò)儀表或TBOX的APP預(yù)警提醒用戶， 增加用戶感知和提高產(chǎn)品溢價(jià)。

本文通過(guò)對(duì)市場(chǎng)上在售車型的電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的解析， 以及目前終端用戶對(duì)汽車應(yīng)用場(chǎng)景及功能需求激增帶來(lái)的整車供電穩(wěn)定性的需求， 電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須由簡(jiǎn)易的傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變成新型的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法， 達(dá)到對(duì)整車電源系統(tǒng)進(jìn)行智能管理和控制的目的， 從而確保整車用電的穩(wěn)定性。

1 市場(chǎng)上整車電源管理系統(tǒng)常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法介紹

1.1 怠速提升策略

發(fā)電機(jī)容量的選擇要綜合考慮輸出能力、 成本、 質(zhì)量、布置等因素， 發(fā)電機(jī)輸出能力隨轉(zhuǎn)速的增加而增加， 其輸出能力瓶頸是怠速狀態(tài)下。 為了滿足怠速狀態(tài)下的用電需求， 整車通過(guò)開(kāi)啟某大功率負(fù)載時(shí)提高怠速轉(zhuǎn)速的策略（圖1） 來(lái)提升發(fā)電機(jī)的發(fā)電量， 這種簡(jiǎn)易的電源管理設(shè)計(jì)模式適合電器功能較少的低端車型， 例如某品牌6萬(wàn)元左右的車型： 在怠速工況下， 大功率負(fù)載空調(diào) （前照燈） 開(kāi)啟時(shí)， 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由660r/min 提升到720r/min， 發(fā)電機(jī)的發(fā)電量可由原來(lái)的36A提高到41A。

圖1 怠速提升策略

1.2 靜態(tài)電流控制策略

通過(guò)對(duì)整車靜態(tài)電流進(jìn)行控制來(lái)延長(zhǎng)蓄電池的壽命和車輛的停放時(shí)間。

為了滿足車輛停放時(shí)間和儲(chǔ)運(yùn)周期的需要， 設(shè)定整車靜態(tài)電流目標(biāo)， 同時(shí)針對(duì)出口車輛在整車電源分配設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)了海運(yùn)儲(chǔ)運(yùn)模式。 海運(yùn)模式： 對(duì)產(chǎn)生靜態(tài)電流的控制模塊 （非運(yùn)輸過(guò)程必須功能） 回路設(shè)計(jì)一路總電源， 通過(guò)拔掉此總電源回路的海運(yùn)熔斷絲斷開(kāi)回路， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靜態(tài)電流的管理， 確保長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸后車輛還能正常啟動(dòng)及延長(zhǎng)蓄電池壽命。 這種靜態(tài)電流的電源管理方法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但操作起來(lái)復(fù)雜， 使用不方便。 如圖2所示。

圖2 整車靜態(tài)電流管理示意圖

1.3 發(fā)電機(jī)輸出智能化策略

發(fā)電機(jī)輸出智能化策略主要是擁有LIN調(diào)節(jié)器的發(fā)電機(jī)可以根據(jù)需要設(shè)定發(fā)電的電壓值， 通過(guò)蓄電池傳感器監(jiān)測(cè)蓄電池狀態(tài) （電壓、 電流、 溫度）、 發(fā)動(dòng)機(jī)效率以及車輛運(yùn)行狀態(tài)等條件改變發(fā)電機(jī)的負(fù)荷， 控制蓄電池充電和放電，對(duì)整車電源電量的供給進(jìn)行管控， 從而達(dá)到延長(zhǎng)蓄電池壽命和節(jié)省油耗的目的。 如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)輸出智能化策略示意圖

1.4 單獨(dú)的電源控制模塊策略

通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的電源控制模塊實(shí)現(xiàn)整車電源系統(tǒng)的管理。如圖4所示。

圖4 電源管理控制模塊策略示意圖

通過(guò)蓄電池傳感器監(jiān)測(cè)蓄電池的端電壓U、 蓄電池的充放電 電 流I、 蓄 電 池 溫度t； 根據(jù)U、 I、 t判斷SOC （蓄電池充電狀態(tài)）、 SOH （蓄電池健康度）， 再通過(guò)LIN 網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞給控制模塊（EMS或BCM）， 從而實(shí)現(xiàn)電源管理的目的， 這種電源管理的設(shè)計(jì)方法在前幾年的高檔車上曾有應(yīng)用， 例如奧迪A6，但成本較高， 后來(lái)被功能集成式的設(shè)計(jì)取代了這種分模塊式的設(shè)計(jì)。

2 智能化汽車整車電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法趨勢(shì)

隨著智能化、 網(wǎng)聯(lián)化信息技術(shù)的發(fā)展， 智能駕駛車輛功能的逐步實(shí)現(xiàn)， 軟件定義汽車的時(shí)代已到來(lái)， 對(duì)整車電源系統(tǒng)的安全等級(jí)要求逐步提高， 車載互聯(lián)系統(tǒng)如遠(yuǎn)程啟動(dòng)、 OTA等新興功能實(shí)現(xiàn)， 在整車駐車情況下有了新的用電需求。 網(wǎng)聯(lián)化汽車存在異常耗電的潛在因素越來(lái)越多，虧電問(wèn)題的排查復(fù)雜程度也越來(lái)越高， 電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的趨勢(shì)由原來(lái)延長(zhǎng)蓄電池壽命和車輛的正常啟動(dòng)單一功能目標(biāo)， 轉(zhuǎn)變?yōu)榫邆湔囍悄芑δ苡秒姯h(huán)境的穩(wěn)定及安全，以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)異常喚醒產(chǎn)生的虧電隱患進(jìn)行監(jiān)控及管理， 對(duì)用戶場(chǎng)景科技體驗(yàn)的用電管理等， 新型電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是將電源管理的功能集成到車身域控制器BDM （Body Domain Module） 或娛樂(lè)域控制器DMC （Domain Controller Module）， 通過(guò)軟件策略達(dá)到對(duì)電源系統(tǒng)管理的目的。

2.1 模式化管理

使用軟件來(lái)進(jìn)行整車電源系統(tǒng)的模式管理， 通常有工廠模式、 運(yùn)輸模式、 客戶模式等， 通過(guò)軟件進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，在車輛交付給終端客戶之前通過(guò)不同模式實(shí)現(xiàn)不同階段不同功能的用電需求， 從而達(dá)到整車用電可控及整車電源系統(tǒng)可靠， 實(shí)現(xiàn)方式為通過(guò)設(shè)備與控制通信進(jìn)行進(jìn)入或退出相應(yīng)模式。

1） 工廠模式： 在車輛進(jìn)行生產(chǎn)裝配及調(diào)試監(jiān)測(cè)過(guò)程中， 通過(guò)工廠模式杜絕在整車出廠之前長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟電器負(fù)載或整車出廠之前問(wèn)題排查過(guò)程開(kāi)啟大功率負(fù)載 （空調(diào)），導(dǎo)致蓄電池虧電等情況發(fā)生。 功能主要包含自動(dòng)下電、 部分功能限制。 如圖5所示。

圖5 工廠模式電源管理示意圖

2） 運(yùn)輸模式： 物流使用， 確保車輛在運(yùn)輸期間蓄電池電量滿足啟動(dòng)需求， 功能主要包括自動(dòng)下電、 迎賓功能主動(dòng)關(guān)閉、 不自動(dòng)監(jiān)測(cè)智能鑰匙等， 以及禁用跟物流無(wú)關(guān)的功能， 如音響等。

3） 客戶模式： 正常全功能模式， 通過(guò)4S店的設(shè)備與整車控制模塊通信進(jìn)行進(jìn)入和退出， 確保用戶功能正常使用。

2.2 電源系統(tǒng)的功能管理

2.2.1 負(fù)載動(dòng)態(tài)管理

功能定義： 智能發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)， 負(fù)載分級(jí)， 按需通斷負(fù)載 （通斷時(shí)對(duì)用戶提醒）， 從而達(dá)到蓄電池電壓不低于閾值。 蓄電池電壓的監(jiān)控及控制措施是通過(guò)EBS （Electronic BatterySensor）/BDM/DMC/CLM（Climate Control Module）/EMS（Engine Management System） 等交互實(shí)現(xiàn)。

如： 負(fù)載分級(jí)， 將整車舒適性大負(fù)載 （電流大于10A） 進(jìn)行分級(jí)， 不同情況下逐步關(guān)斷： 座椅加熱/通風(fēng)/按摩、 自動(dòng)空調(diào)、 鼓風(fēng)機(jī) （非前除霜模式）、 娛樂(lè)功能（導(dǎo)航保留） 等， 以保證安全負(fù)載及行駛相關(guān)負(fù)載的用電需求， 分級(jí)如下。

1） 0級(jí)： 無(wú)限制。

2） 1級(jí)： 風(fēng)量不高于5擋、 座椅加熱功能關(guān)閉、 音量不高于50%。

3） 2級(jí)： 風(fēng)量不高于3擋、 座椅加熱功能關(guān)閉、 音響關(guān)閉（導(dǎo)航界面不做限制）。

2.2.2 靜態(tài)電流管理——網(wǎng)絡(luò)睡眠管理

隨著千車千面的發(fā)展趨勢(shì)， 整車電氣系統(tǒng)的功能越來(lái)越復(fù)雜， 傳統(tǒng)的靜態(tài)電流設(shè)計(jì)管理方法已無(wú)法滿足整車不虧電的可靠性要求， 需要采用新型的通過(guò)軟件策略來(lái)解決整車靜態(tài)電流監(jiān)控和管理的設(shè)計(jì)方法。

功能定義： 除傳統(tǒng)的整車靜態(tài)電流目標(biāo)管控外， 各模塊在整車設(shè)防后設(shè)置強(qiáng)制睡眠時(shí)間上限 （例如某模塊5min）， 且除特殊功能 （設(shè)防、 解防、 迎賓、 報(bào)警、 遠(yuǎn)程啟動(dòng)） 需求的模塊外， 其它模塊在整車OFF狀態(tài)下不做網(wǎng)絡(luò)喚醒功能， 以防存在網(wǎng)絡(luò)偶發(fā)不休眠問(wèn)題， 導(dǎo)致蓄電池虧電， 車輛啟動(dòng)困難， 給用戶帶來(lái)不便。

2.2.3 蓄電池健康管理

用戶在日常用車過(guò)程中蓄電池保護(hù)意識(shí)弱或整車耗電異常以及蓄電池健康狀態(tài)不佳時(shí)進(jìn)行管控， 并能通過(guò)儀表或TBOX的APP收到蓄電池狀態(tài)的預(yù)警提醒， 延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命及提高用戶感知。

功能定義： 在ACC/ON擋， 車速為0的情況下， 通過(guò)一些控制策略， 蓄電池的健康狀態(tài)SOH在儀表或通過(guò)TBOX在APP上顯示， 并在SOH較低的情況下在儀表上或APP上出現(xiàn)“蓄電池電量不足請(qǐng)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)” 等報(bào)警提醒， 避免用戶用電不當(dāng)導(dǎo)致蓄電池反復(fù)虧電， 影響蓄電池壽命， 甚至帶來(lái)啟動(dòng)困難的問(wèn)題。 如圖6所示。

圖6 蓄電池健康管理示意圖

1） SOH 在ICM 可 調(diào) 用 顯 示： EBS 讀 取SOC， 計(jì) 算 出SOH， LIN發(fā)送給EMS， CAN轉(zhuǎn)發(fā)ICM， 菜單可調(diào)用顯示。

2） SOH通過(guò)TBOX顯示在APP內(nèi)： EBS讀取SOC， 計(jì)算出SOH， LIN發(fā)送給EMS， CAN轉(zhuǎn)發(fā)TBOX， 顯示在APP內(nèi)。

3） SOH較低儀表&APP報(bào)警顯示： SOH低于30%， EMS觸發(fā)， 在儀表&APP顯示報(bào)警信息。

3 總結(jié)

未來(lái)汽車智能化程度會(huì)進(jìn)一步提高， 車輛網(wǎng)絡(luò)休眠狀態(tài)下后臺(tái)運(yùn)作的功能也會(huì)更多， 終端用戶在體驗(yàn)科技發(fā)展的同時(shí)整車電量消耗的場(chǎng)景甚至虧電的因素也會(huì)更復(fù)雜，因此對(duì)整車用電的管理就更加重要。 本文通過(guò)解析市場(chǎng)上車輛整車電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的變化及趨勢(shì)， 總結(jié)出車輛新型電源管理設(shè)計(jì)方法， 即在設(shè)計(jì)階段通過(guò)軟件策略實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)管理的設(shè)計(jì)方法將成為趨勢(shì)。