汽車低壓電性能參數(shù)研究

彭承榮 單新平 何筱榮 蔣云峰

摘? 要：本文介紹汽車低壓模擬硬線電性能參數(shù)對整車的影響，以及如何通過系統(tǒng)性改進的方法來降低整車各模塊間因電性能參數(shù)閥值匹配所產(chǎn)生的質(zhì)量問題。

關(guān)鍵詞：汽車；低壓；電性能參數(shù)

中圖分類號：U462.3? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1005-2550（2023）06-0021-05

Research on Low-Voltage Electrical Performance Parameters of Vehicle*

PENG Cheng-rong， SHAN Xin-ping， HE Xiao-rong， JIANG Yun-feng

（ SAIC-GM Wuling Automobile Co.， Ltd， Liuzhou 545007， China ）

Abstract： Introduces the influence of electrical performance parameters of low-voltage simulation hardwire on the whole vehicle， and how to reduce the matching problem of electrical performance parameters of each module of the vehicle by systematic improvement method.

Key Words： Vehicle; Low-Voltage; Electrical Performance Parameters

隨著近年來汽車智能化和電動化的普及，尤其是新能源電動車滲透率的提高，汽車各子系統(tǒng)電動化的趨勢愈發(fā)明顯，客戶對汽車所能提供的電子控制系統(tǒng)功能越來越迫切，整車電子系統(tǒng)架構(gòu)（Electronic system Architecture）經(jīng)不斷更新迭代復(fù)雜化，架構(gòu)高安全性，高擴展性，高可用性（即性能集成和資源可用度）和低成本均需要兼顧。

功能需求的增加，導(dǎo)致車內(nèi)各系統(tǒng)交互水平提高，架構(gòu)對子系統(tǒng)性能提出更高的要求，由于現(xiàn)有各主機廠幾乎均采用來料定制的開發(fā)模式即主機廠設(shè)定相關(guān)主體性能和功能要求，零部件配套供應(yīng)商依據(jù)主機廠的要求通過商業(yè)競標(biāo)獲得開發(fā)權(quán)益，無論是主機廠還是配套供應(yīng)商均對子系統(tǒng)成本有苛刻的要求，各方均有根據(jù)現(xiàn)有平臺化既有方案基礎(chǔ)上開發(fā)來降低成本，由于開發(fā)主體地位的差異導(dǎo)致各配套供應(yīng)商之間由于信息不對稱導(dǎo)致在電性能參數(shù)接口定義上出現(xiàn)理解上的偏差。

1? ? 問題原因分類及原理

電動乘用車一般由6～7個CAN通訊網(wǎng)段組成，車身控制域（B-Can），信息娛樂域（I-Can），動力底盤域（P-Can），智能駕駛域（D-Can）如圖1所示。

1.1? ?模塊對系統(tǒng)功能理解或溝通的偏差：

車輛智能化和網(wǎng)聯(lián)化水平提高，導(dǎo)致車內(nèi)傳感器數(shù)量快速增加[1]，各模塊依據(jù)客戶功能需求不斷迭代和開發(fā)新的功能，必然造成模塊依據(jù)功能需求增加采樣接口和傳感器數(shù)量，各模塊供應(yīng)商依據(jù)主機廠功能需求根據(jù)自身開發(fā)經(jīng)驗進行開發(fā)，由于不同子系統(tǒng)分屬不同供應(yīng)商開發(fā)，自然存在一定比例的接口控制文件ICD（Interface Control Document）及電路設(shè)計依據(jù)各模塊供應(yīng)商自身理解進行設(shè)計并且未能完全滿足客戶各種使用場景，因而導(dǎo)致前期功能樣件或多或少出現(xiàn)偶發(fā)性零件功能降級或功能缺陷；隨著整車開發(fā)周期的縮短，模塊化和平臺化開發(fā)成為很多主機廠在項目研發(fā)階段的優(yōu)選方案，早期項目未針對各系統(tǒng)間的匹配和交互引起足夠重視，隨著近年來這類問題的不斷增多，使得行業(yè)和各主機廠對電子架構(gòu)愈發(fā)體現(xiàn)主機廠集成能力的重要性；

1.2? ?模塊自身開發(fā)經(jīng)驗不足

對比發(fā)現(xiàn)“四新”（新供應(yīng)商，新材料，新工藝，新技術(shù)）類供應(yīng)商由于開發(fā)經(jīng)驗不足，往往在模塊診斷策略上對系統(tǒng)集成把握不夠，對外圍附屬，零部件應(yīng)對整車復(fù)雜電磁環(huán)境及線路可靠性要求認(rèn)識不多，對外在接口及物理匹配件要求過于苛刻，如未能考慮線路在顛簸路面出現(xiàn)的瞬斷導(dǎo)致的接觸不良，當(dāng)電連接器在溫度和振動應(yīng)力作用下時其接觸電阻會發(fā)生變化[2]，連接器內(nèi)端子由于短時的液體接觸如裝配前接插件中有液體、金屬碎屑、雜質(zhì)等物質(zhì)導(dǎo)致的短時串電或短路，由于感性類負(fù)載開啟或者關(guān)斷瞬間所產(chǎn)生的反向電動勢沖擊等[3]，零件的功能邏輯及診斷邏輯偏向自我保護機制較易出現(xiàn)模塊功能降級及功能缺失，未能切實從客戶及整車使用角度進行相關(guān)邏輯設(shè)計避免給客戶帶來不必要的困擾，需要在開發(fā)過程中進行設(shè)計修正和彌補，一定程度上也迫切要求行業(yè)需重點關(guān)注各個子系統(tǒng)不能只關(guān)注模塊基本功能，還需要花大力氣在模塊間信息交互通訊等的“模糊地帶”多做匹配和明晰電氣交互邊界。

圖2 某電動車模塊對機械開關(guān)輸出波形波動未做濾波，單次開關(guān)的診斷時間過短導(dǎo)致的功能失效，模塊針對開關(guān)信號短時的信號跳變誤以為是開關(guān)的實際狀態(tài)發(fā)生了跳轉(zhuǎn)，未能實現(xiàn)控制模塊和開關(guān)狀態(tài)形成一一對應(yīng)關(guān)系，通過控制模塊采樣電路及采樣策略更改，系統(tǒng)接口電路可以濾除掉80微秒以下的信號跳變進而解決該售后質(zhì)量問題。

2? ? 低壓電性能參數(shù)控制方法

2.1? ?低壓電源類參數(shù)設(shè)計優(yōu)化

與整車啟動有關(guān)的控制器IGN/ACC電壓設(shè)定有效值＞4.5V，持續(xù)時間T＞1s；與整車啟動無關(guān)的控制器及執(zhí)行器IGN/ACC電壓高電位有效值范圍＞9V，信號持續(xù)時間＞1s； 并且整車電壓在啟動過程中，所有控制器不能報相關(guān)低壓故障碼（包括歷史故障碼）。

與整車啟動有關(guān)的控制器閥值定義依據(jù)：傳統(tǒng)燃油車及弱混車型，需考慮低溫在保留低壓起動機前提下的冷啟動需求，整車供電電壓可能會被起動機大電流放電出現(xiàn)＜100ms的供電電壓低于7.2V，為提高客戶啟動的成功率，減少客戶由于車輛未能正常啟動的抱怨，定義相關(guān)電壓設(shè)定有效值＞4.5V，持續(xù)時間＞1S，如下圖為某新能源車型的啟動網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，主要涉及參與啟動過程的相關(guān)VCU、MCU和BMS等。

與整車啟動無關(guān)的控制器及執(zhí)行器電源參數(shù)，主要考慮到車輛在成功啟動后，車上的供電電源由蓄電池切換為發(fā)電機或DC/DC。

為避免車載部分公用回路的電機類零件反向電動勢影響，有效值設(shè)置相對較高，如下為部分用電器模式切換時存在Δ5V左右的沖擊電壓，由于整車電器有感性負(fù)載，關(guān)斷時有反向電動勢，所以各控制器電源電路對V＜150V，T＜2μS的脈沖，必須做濾波信號處理；對于有感性負(fù)載長時工作的電器件，在關(guān)斷瞬間，反向電動勢必須滿足V＜100V，T＜1mS，IGN/ACC電壓高電位有效值范圍＞9V，信號持續(xù)時間＞1s。

2.2? ?特殊場景下低壓電源類參數(shù)功能應(yīng)對策略

車輛在長時間駐車或者整車靜態(tài)電流異常時，會出現(xiàn)車輛蓄電池虧電，由于部分用戶未通過正常車輛道路救援方式使用同規(guī)格12V蓄電池進行低壓系統(tǒng)重啟，可能會出現(xiàn)使用商用車24V系統(tǒng)或者比較容易獲取到的其他交通工具所用蓄電池進行搭電救援，這就需要車上所搭載模塊具備一定的短時過耐壓能力，國內(nèi)已有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)對相關(guān)汽車零部件有相關(guān)電器負(fù)荷要求[4]，行業(yè)也有相關(guān)針對該項相關(guān)電壓跳變研究[5]；因而我們定義在這些特殊場景下的模塊功能應(yīng)對策略：

1）所有用電器在直流電壓U=26V持續(xù)1min后，干擾移出后系統(tǒng)功能應(yīng)可自動恢復(fù)；

2）無過壓保護的模塊：以1V/分鐘的梯度，在+16V到+18V之間持續(xù)循環(huán)變化電壓，測試60min后，干擾移出后系統(tǒng)功能應(yīng)可自動恢復(fù)；有過壓保護的模塊：以+18V電壓，測試60min后，干擾移出后系統(tǒng)功能應(yīng)可自動恢復(fù)；

3）耐反向極性電壓要求：U=-16V，持續(xù)2min后干擾移出后系統(tǒng)功能應(yīng)可自動恢復(fù)；

該項安全主要是為了應(yīng)對，當(dāng)部分客戶錯裝配蓄電池正負(fù)極時，整車模塊不會在此情況下，出現(xiàn)模塊損壞或功能降級。

3? ? 低壓電性能參數(shù)管控實際案例

3.1? ?低壓電源參數(shù)設(shè)計優(yōu)化

某EV車型在總裝廠車輛例行電器功能檢查過程中發(fā)現(xiàn)，車輛點火鑰匙整車低壓完全下電后，車輛出現(xiàn)蓄電池虧電導(dǎo)致車輛無法啟動，經(jīng)重新更換蓄電池后故障仍然偶發(fā)性存在，涉及車輛數(shù)為300臺存在車輛無法正常交付，導(dǎo)致客戶嚴(yán)重抱怨，經(jīng)過問題詳細(xì)排查發(fā)現(xiàn)，部分車輛在開啟鼓風(fēng)機或操作升降器電機等感性負(fù)載類用電器過程中，或者其他有儲能器件的控制模塊拋負(fù)載[6]的過程中存在一定感性電動勢通過如下鏈路反串至收放機回路：

鼓風(fēng)機/升降器電機→電源保險盒回路→保險盒輸入端（IN）→點火鎖輸出端（OUT）→點火鎖輸入端（IN）→電源管理模塊輸出端（OUT）→蓄電池

收放機電源端電源控制邏輯為默認(rèn)電源ACC到OFF電壓閥值超過10V判斷電源模式切換至OFF狀態(tài)，但實際下電過程中由于如下兩個因素導(dǎo)致未能正常下電，收放機屏幕仍然持續(xù)點亮導(dǎo)致整車靜態(tài)電流超標(biāo)，異常消耗整車蓄電池電量出現(xiàn)虧電：

1）同一電源網(wǎng)絡(luò)下，感性負(fù)載關(guān)斷瞬間釋放一定感性電動勢導(dǎo)致非感性負(fù)載模塊端電壓出現(xiàn)跳變；

2）同一電源網(wǎng)絡(luò)下，有源電器控制模塊因自帶LC放電回路或電容等在電壓瞬斷情況下，通過線束回路泄放電流到其他控制模塊。

問題優(yōu)化：

1）針對下電過程中感謝負(fù)載用電器按電源參數(shù)要求，反向電動勢必須滿足V＜100V，T＜1Ms，減少感性負(fù)載對整車電源電壓波動影響；

2）收放機電源狀態(tài)切換判斷邏輯由ΔU=10V更改為U＜4.5V以上且持續(xù)時長超過1s，達(dá)到此條件為下電狀態(tài)。

3.2? ?特殊場景低壓短時過電壓設(shè)計優(yōu)化

售后工程師反饋某車輛整車出現(xiàn)多個控制器模塊燒蝕，但車輛電源保險盒內(nèi)保險未出現(xiàn)熔斷。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)車型蓄電池已嚴(yán)重虧電，經(jīng)抽取故障車輛發(fā)生故障時間大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)電源電壓未出現(xiàn)異常，更換車輛已燒蝕控制模塊后讀取整車故障碼發(fā)現(xiàn)有整車過壓故障碼，將分析后的數(shù)據(jù)與客戶進一步溝通，虧電情況下客戶使用商用車24V蓄電池針對該車輛進行虧電后搭電再啟動，部門模塊電源管理回路元器件保護閥值選型未能達(dá)到24V導(dǎo)致燒蝕。

問題優(yōu)化：

1）按電源過電壓設(shè)計要求，將控制模塊耐壓等級由16V提高至24V，持續(xù)過電壓時間需求1min；

2）TVS管截止電壓由16V更改為24V，最大鉗位電壓提升至38.9V；

該項更改實施后，經(jīng)24V蓄電池正向及反向過電壓1min測試后，整車各模塊功能均正常。

4? ? 結(jié)束語

未來汽車電動化和智能化程度將越來越高，給客戶帶來使用便捷性和科技感的同時，車上所搭載的傳感器和控制模塊數(shù)量越來越多。由于各子系統(tǒng)操作系統(tǒng)種類和數(shù)量的增加，系統(tǒng)集成復(fù)雜度越來越高，而各模塊供應(yīng)商開發(fā)相對獨立，因而需要作為系統(tǒng)集成方的各主機廠需要花更多氣力和資源關(guān)注電子架構(gòu)電源參數(shù)基礎(chǔ)集成相關(guān)工作，只有各系統(tǒng)間匹配的盲區(qū)的消除，才能減少給用戶帶來的用車?yán)_。

參考文獻：

[1]李軍. 整車電氣系統(tǒng)的布置集成[J].設(shè)計研究， 2009.08.

[2]陳鵬. 汽車電連接器失效模式及失效機理分析與研究 [J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗， 2022.10.

[3]陳炳林.汽車感性負(fù)載反電動勢抑制技術(shù)研究 [J].儀表研究， 2019.06.

[4]GB/T 28046.2 道路車輛 電氣及電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗第2部分：電氣負(fù)荷 [s].

[5]楊國樑.某款車型基于電壓跳變試驗的測試方法 [J].汽車電器，202305.

[6]姚亞夫. 汽車拋負(fù)載電壓的理論與試驗研究[J]. 汽車工程，2002105.

專家推薦語

楊曉松

國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（襄陽）

電子電器專業(yè)總師

該論文論點明確，論證嚴(yán)謹(jǐn)，從汽車低壓電性能參數(shù)故障的“問題原因分類及原理”論述到“低壓電性能參數(shù)管控實際案例”，論證了某些汽車低壓電性能的故障、原因分析、解決問題的措施和方案，有著較高的實用價值和參考意義。