一種基于緊急電源開關(guān)的商用車冗余電源系統(tǒng)

陳凱強(qiáng) 張浩 史新梅 謝連鑫 尹元昊 張嵐

【摘? 要】隨著汽車不斷向智能化、電氣化以及網(wǎng)聯(lián)化方向發(fā)展，人們對(duì)于汽車舒適性、安全性要求越來越高，傳統(tǒng)整車電源系統(tǒng)已不能滿足需求。而相較于乘用車，商用車供電系統(tǒng)負(fù)擔(dān)更大，更易發(fā)生故障。在智能化、電氣化以及網(wǎng)聯(lián)化背景下，文章針對(duì)商用車電源系統(tǒng)存在的失效、可靠性以及安全問題，提出一種商用車冗余電源系統(tǒng)并對(duì)其工作方式進(jìn)行研究。

【關(guān)鍵詞】緊急電源開關(guān);商用車;冗余電源系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U463.61? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）05-0054-03

A Redundant Power Supply System for Commercial Vehicle Based on Emergency Switch

CHEN Kaiqiang，ZHANG Hao，SHI Xinmei，XIE Lianxin，YIN Yuanhao，ZHANG Lan

（Vehicle Electrical Design Institute of Electronic and Electrical Design Department of China National Heavy Duty Truck Group Automotive Research Institute，Jinan 250101，China）

【Abstract】With the continuous development of automobile to the direction of intelligence，electrification and network connection，people have higher and higher requirements for vehicle comfort and safety. Traditional vehicle power supply system has been unable to meet the demand，and compared with passenger vehicles，commercial vehicles power supply system more burden，more prone to failure. In view of the failure，stability and safety problems of commercial vehicle power supply system under the background of intellectualization，electrification and networking，this paper proposes a redundant power supply system for commercial vehicles and studies its working mode.

【Key words】emergency switch;commercial vehicle;redundant power supply system

作者簡(jiǎn)介

陳凱強(qiáng)（1992—），男，工程師，主要從事商用車整車電器系統(tǒng)開發(fā)工作。

1? 前言

隨著人工智能、集成電路等技術(shù)的發(fā)展以及車載芯片計(jì)算能力的提高，人們對(duì)于汽車的關(guān)注點(diǎn)從單一的動(dòng)力性能好壞逐步轉(zhuǎn)移到對(duì)汽車舒適性以及智能化方面的需求[1]。商用車也從僅為使用者提供生產(chǎn)力逐漸向提供舒適、安全、高效以及智能的駕駛環(huán)境發(fā)展。為了滿足這些需求，商用車的車載控制器及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量越來越多，加之商用車作為生產(chǎn)工具，自重、載重大，車載用電器更多，使得整車用電量成倍增加，整車電源系統(tǒng)負(fù)擔(dān)更重，從而對(duì)于整車電源系統(tǒng)可靠性以及安全性的要求更高，商用車傳統(tǒng)電源系統(tǒng)[2]已不能滿足需求。

除此之外，隨著智能駕駛技術(shù)在商用車中普及，為了滿足L3級(jí)及以上智能駕駛控制模塊對(duì)于車輛功能安全等級(jí)的要求，整車電源系統(tǒng)除主供電回路外還應(yīng)具備冗余供電回路[3]。通過對(duì)電源系統(tǒng)主回路以及冗余回路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使得車輛在電源系統(tǒng)任一回路發(fā)生故障時(shí)能夠繼續(xù)安全行駛，或有足夠安全時(shí)間停車檢修[4]。因此，為商用車配備冗余電源系統(tǒng)以提高整車電源系統(tǒng)可靠性、安全性，并實(shí)現(xiàn)商用車的智能化、電氣化是商用車電源系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢(shì)。然而目前冗余電源系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，以及增加車輛電氣系統(tǒng)復(fù)雜度等問題[5]，故本文介紹一種基于緊急電源開關(guān)的商用車冗余電源系統(tǒng)，其使用緊急電源開關(guān)代替多控制器或冗余蓄電池控制器，能降低成本以及車輛電源系統(tǒng)復(fù)雜度，同時(shí)將其接入整車診斷網(wǎng)絡(luò)，可以提高故障診斷效率。

2? 基于緊急電源開關(guān)的商用車冗余電源系統(tǒng)組成

基于緊急電源開關(guān)的商用車冗余電源系統(tǒng)通過一個(gè)接入整車電源系統(tǒng)的緊急電源開關(guān)（Emergency Switch，ES）實(shí)現(xiàn)對(duì)主供電回路以及冗余供電回路的控制，并通過與整車各控制器以及整車CAN網(wǎng)絡(luò)的信息交互實(shí)現(xiàn)對(duì)于整車電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

該系統(tǒng)由緊急電源開關(guān)、主供配電回路、冗余供配電回路和發(fā)電機(jī)組成。主供配電回路包括自動(dòng)駕駛控制單元、整車控制器、主蓄電池、主監(jiān)測(cè)單元、DC/DC變換器和若干主負(fù)載支路、CAN通信單元以及LIN通信單元。冗余供配電回路包括冗余監(jiān)測(cè)單元、冗余蓄電池、若干冗余負(fù)載支路以及LIN通信單元。主供配電回路與發(fā)電機(jī)相連，冗余供配電回路通過緊急電源開關(guān)與發(fā)電機(jī)相連，同時(shí)主供配電回路與冗余供配電回路通過緊急電源開關(guān)相連。

2.1? 冗余電源系統(tǒng)工作原理

冗余電源系統(tǒng)工作原理分為4步，如圖2所示。

1）若發(fā)電機(jī)不工作，ES斷開，由主蓄電池以及冗余蓄電池分別為相應(yīng)回路負(fù)載進(jìn)行供電。

2）若發(fā)電機(jī)工作，ES接通，主供配電回路以及冗余供配電回路上的負(fù)載由發(fā)電機(jī)供電，同時(shí)發(fā)電機(jī)為主蓄電池以及冗余蓄電池進(jìn)行充電。

3）當(dāng)ES接通時(shí)，ES通過整車CAN網(wǎng)絡(luò)、LIN網(wǎng)絡(luò)與整車各控制器、蓄電池監(jiān)測(cè)單元交互整車狀態(tài)以及蓄電池狀態(tài)等信息，并監(jiān)測(cè)冗余電源系統(tǒng)各回路狀態(tài)。若判斷回路出現(xiàn)故障，則通過ES立即斷開故障回路隔絕故障，保證車輛繼續(xù)安全運(yùn)行。

4）在ES斷開故障回路隔絕故障后，主供配電回路負(fù)載由發(fā)電機(jī)以及主蓄電池供電，冗余供配電回路負(fù)載由冗余蓄電池供電。當(dāng)故障排除后，ES重新接通，各回路負(fù)載由發(fā)電機(jī)供電，同時(shí)發(fā)電機(jī)為主蓄電池以及冗余蓄電池進(jìn)行充電。

2.2? 緊急電源開關(guān)組成及工作原理

ES在冗余電源系統(tǒng)中起到關(guān)鍵作用，圖3為其外形圖，除起到連接主供配電回路以及冗余供配電回路的作用外，同時(shí)也起到隔離故障、控制供配電回路通斷的作用。ES由2個(gè)MOS管開關(guān)、ES預(yù)充電支路以及ES控制器等部分組成。ES主支路通過MOS管開關(guān)Q1、Q2與主回路以及冗余回路相連，ES預(yù)充電支路與ES主支路并聯(lián)，ES控制器通過2路CAN與整車控制器VCU以及智能駕駛控制單元ADU相連，如圖4所示。

緊急電源開關(guān)的工作原理如下。

1）通過ES控制器采集主回路、冗余回路2個(gè)回路出線口上的電壓、電流以及溫度等信息，若任一回路上信息出現(xiàn)異常，則通過ES控制器控制Q1或Q2斷開相應(yīng)回路;當(dāng)故障排除后，通過ES控制器控制ES預(yù)充電支路消除Q1以及Q2兩側(cè)壓差，防止因兩側(cè)壓差過大對(duì)電源系統(tǒng)造成破壞。

2）ES控制器通過CAN1、CAN2與整車控制器VCU、智能駕駛控制器ADU相互交換MOS管開關(guān)的狀態(tài)、恢復(fù)接通狀態(tài)、故障診斷、數(shù)據(jù)采樣等信息，以及整車自動(dòng)駕駛狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)輸出端電壓等信息，其中蓄電池狀態(tài)包括蓄電池正極電壓、輸出電流、蓄電池溫度、荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)等信息。上述信息由與主蓄電池和冗余蓄電池相連的智能電池傳感器通過LIN線發(fā)送給智能駕駛控制器ADU，再轉(zhuǎn)發(fā)給ES控制器。通過上述信息交換，能夠?qū)崿F(xiàn)ES對(duì)于整車電源系統(tǒng)狀態(tài)以及整車狀態(tài)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使得本系統(tǒng)能夠快速發(fā)現(xiàn)整車電源系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，提高了車輛安全性以及可靠性，降低了故障造成的損失。

2.3? 冗余電源系統(tǒng)架構(gòu)及工作過程

2.3.1? 冗余電源系統(tǒng)架構(gòu)

由于緊急電源開關(guān)以及冗余電源支路的加入，整車電源系統(tǒng)架構(gòu)需要發(fā)生相應(yīng)更改，作為各電源模塊與其它負(fù)載的連接媒介，熔斷絲與線束也要做出調(diào)整，如圖5所示。

2.3.2? 冗余電源系統(tǒng)工作過程

如果車輛啟動(dòng)后，冗余蓄電池總開關(guān)未閉合，或者駕駛員操縱模式下，行駛過程中主蓄電池或冗余蓄電池總開關(guān)斷開，在ADU獲取到冗余監(jiān)測(cè)單元異常信號(hào)后，通過CAN通信單元將信息反饋給車輛儀表，提醒駕駛員不要行車或停車檢修，同時(shí)ES斷開相應(yīng)回路以隔絕故障，并且車輛不能進(jìn)入到智能駕駛模式。如果車輛在智能駕駛模式下行駛，主蓄電池或冗余蓄電池總開關(guān)斷開，則ES斷開相應(yīng)回路以隔絕故障的同時(shí)，電源系統(tǒng)中另一供配電回路應(yīng)支持車輛平穩(wěn)自動(dòng)退出智能駕駛模式，同時(shí)通過CAN線向整車控制器以及駕駛員反饋故障狀態(tài)以提醒駕駛員不要行車或停車檢修。

在向整車控制器或駕駛員反饋故障狀態(tài)的同時(shí)，冗余電源系統(tǒng)會(huì)根據(jù)電源系統(tǒng)中故障發(fā)生點(diǎn)以及故障原因不同，采取不同的處理策略。車輛電源系統(tǒng)故障形式為以下3種。

1）主供配電回路故障分別導(dǎo)致ES欠壓或過壓保護(hù)。

2）冗余供配電回路故障導(dǎo)致ES欠壓或過壓保護(hù)。

3）ES自身過流（但不欠壓）或過溫保護(hù)。

2.3.3? 不同處理策略

冗余電源系統(tǒng)采取的不同處理策略可以分為以下3種。

1）若主供配電回路或者冗余供配電回路出現(xiàn)故障，則ES斷開相應(yīng)回路，剩余回路繼續(xù)支持車輛運(yùn)行，待回路故障排除后，ES接通相應(yīng)回路。

2）若ES自身出現(xiàn)故障，則斷開兩側(cè)回路，主供配電回路以及冗余供配電回路各自由主蓄電池、發(fā)電機(jī)以及冗余蓄電池供電，待ES恢復(fù)后再接通兩側(cè)回路。

3）在車輛處于智能駕駛控制模式且失效發(fā)生后，若問題不嚴(yán)重且處于可控范圍內(nèi)，則應(yīng)在車輛進(jìn)入到駕駛員控制模式，且由于熔斷絲熔斷等原因使得故障隔離或恢復(fù)后，使得ES重新自動(dòng)接通，實(shí)現(xiàn)失效恢復(fù)，使整車能夠繼續(xù)正常行駛。

3? 結(jié)束語

基于緊急電源開關(guān)的商用車冗余電源系統(tǒng)，通過緊急電源開關(guān)對(duì)電源系統(tǒng)供配電回路進(jìn)行控制，并將其接入整車診斷網(wǎng)絡(luò)，使其對(duì)于故障反應(yīng)速度更快，故障隔離效果更好。針對(duì)電源系統(tǒng)不同失效形式制定了不同處理策略，提高了電源系統(tǒng)安全性以及可靠性，同時(shí)減少了控制器數(shù)量，降低了成本以及電源系統(tǒng)復(fù)雜度，為商用車冗余電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與發(fā)展提供了一種新思路。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李維楊. 試論汽車電動(dòng)智能化發(fā)展趨勢(shì)[J]. 現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022，12（11）：81-83.

[2] 程寧，王園剛，米浩鋒. 重型汽車電源系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2021，46（14）：87-91.

[3] 付瑩瑩，孫德龍，王勝放，等. 汽車功能安全發(fā)展趨勢(shì)[J]. 重型汽車，2022（3）：42-43.

[4] 孫競(jìng)，周純澤，章毅青. 智能駕駛車輛供電系統(tǒng)研究[J]. 汽車電器，2019（8）：1-5.

[5] 章毅青，仇宗來. 基于自動(dòng)駕駛車輛的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J]. 上海汽車，2018（4）：22-27.

（編輯? 楊凱麟）

收稿日期：2023-10-11