關于整車能量管理優化系統的研究

叔大海 孫立柱 黃旭玲 葉平

摘 要：能量管理系統的優化在整車開發過程中作為一個重要環節，對提升汽車性能至關重要。文章介紹了整車能量管理在整車廠的現狀、從技術水平優化整車的能量管理系統來來監控網絡中各控制器的睡眠狀態以及預喚醒狀態，便于能量的合理分配，節省了部分控制器的喚醒時間。基于CAN總線網絡管理技術實現能量管理優化的功能，提高了信息傳輸的速率，具有可靠性、實時性和靈活性。基于CL30s優化能量管理系統，通過監測CAN總線上所有控制器的網絡管理報文，整車是否滿足進入睡眠、喚醒條件。提供了一種優化能量分配的系統方法。

關鍵詞：能量管理;網絡管理;CAN

中圖分類號：U462 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-103-03

Research on the optimization system of vehicle energy management

Shu Dahai， Sun Lizhu， Huang Xuling， Ye Ping

（ Brilliance Automotive Engineering Research Institute， Liaoning Shenyang 110141 ）

Abstract： The optimization of energy management system is an important part of the vehicle development process and is essential for improving vehicle performance. This paper introduces the current situation of vehicle energy management in some domestic automakers， and optimizes the vehicle's energy management system from the technical level to monitor the sleep state and pre-awake state of each controller in the network， which facilitates the rational allocation of energy and saves The wake-up time of some controllers. Based on the CAN bus network management technology to achieve energy manage -ment optimization， the information transmission rate is improved， with reliability， real-time and flexibility. Based on the CL30s optimized energy management system， by monitoring the network management messages of all controllers on the CAN bus， whether the vehicle meets the requirements for entering sleep and wake-up. A systematic approach to optimizing energy distribution is provided.

Keywords： Energy management; Network management; CAN

CLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-103-03

前言

隨著汽車市場的發展需求，汽車的智能化需求，這會對整車能量管理系統要求越來越高，汽車的耗電情況及長時間的放置車輛仍可啟動等性能要求更苛刻。為了能夠滿足客戶需求，整車廠在研發過程中會在整車上搭載更多的電子設備，以至于電氣相關控制器的種類不斷增多，功能和控制網絡越來越復雜，整車電氣系統和控制網絡越來越復雜，隨之采用CAN（CONTROLLER AREA NETWORK）總線標準的車載網絡控制技術的應用也越來越廣泛[1]。為了保證整車的性能和可靠性的前提下，需要在產品開發階段就對整車能量管理系統進行更為合理的分配。

對于整車能量管理系統的優化，采用合理的電源分配。網絡管理技術作為核心技術使得整車所有控制器一同睡眠和喚醒，從而節省整車能量。如果點火開關處于關閉的狀態下，而此時控制器一直檢測到輸入信號，控制器需要時刻執行相應功能，持續有輸出信號，這將致使控制器不能發出睡眠信號，不能進入睡眠模式，最終導致整車處于耗能狀態。

1 整車能量管理系統現狀

近年來，由于客戶需求的增加，越來越多的整車廠在整車上搭載更多的電子設備，開發時期設計的能量管理系統不夠完善導致整車處于耗電快的狀況。電源檔位在OFF、ACC以及Start間切換，某些整車廠不使用網絡管理機制，只要接收到OFF信號，所有控制器均進入睡眠模式。大多數整車廠會采用AUTO SAR（AUTOmotive Open System Architecture，汽車開放系統架構）[2]和OSEK NM（open?systemsand?the corresp-onding?interfaces?for automotive electronics Network Management） [3]，網絡管理機制。

目前，汽車控制領域存在多種總線標準，且每種總線標準的側重點有所不同。AUTOSAR是汽車制造商、零部件供應商為汽車電子提出的開放式標準和架構，以便應用于不同的汽車和平臺，提高軟件復用性，降低開發成本。OSEK網絡管理系統應用于嵌入式汽車通信網絡，管理網絡當中各個ECU之間的通信，提高網絡的通信效率。國內的各大汽車廠商、科研院校也越來越關注AUTOSAR和OSEK帶來的標準化的設計、開發、驗證，從而大幅提高汽車電子的研發效率和研發質量。

2 整車能量管理技術

通過網絡管理技術既可監控總線上各控制器節點的運行狀態，又可控制整車CAN總線網絡的睡眠和喚醒，從而實現整車節能的目的。一般情況下，如果點火開關處于關閉狀態，各控制器將會監控總線所有輸入信號，在一定時間內沒有檢測到任何輸入信號，相應控制就達到睡眠條件，然后將睡眠請求發送到CAN總線，如果其他控制器同樣滿足相應條件也會將睡眠請求發送到CAN總線，之后通過CAN總線網絡管理機制，整車即可進入睡眠，從而節省整車能量的損耗。反之，如果進入已經睡眠的車輛，通過某種方式（例如使用遙控鑰匙對整車進行解鎖）將相關控制器喚醒，通過網絡管理功能，其他控制器也將一起被喚醒，且將相關信號發送到CAN總線，使得整個網絡中各控制器接收到喚醒提示。網絡管理技術的關鍵在于使得整車所有控制器同時進入睡眠模式和喚醒，以節省整車能量。

2.1 網絡管理報文格式

參與網絡管理的各控制器均被分配一個獨有報文ID，且由報文基地址和節點ID兩部分組成，網絡管理報文幀格式與標準CAN總線報文格式相同，數據長度均為8byte。基于OSEK_NM的CAN網絡中通常采用直接網絡管理，直接網絡管理報文類型包括Alive報文，Ring報文，Limp Home報文等。

AUTOSAR_NM報文為周期性發送的報文，并以廣播的方式發送到網絡上使得所有節點都可以接收到。為整個網絡的通信提供了一個可控的喚醒和關閉機制，進而保證整個網絡同步進入睡眠狀態，實現整車網絡協同睡眠，以便管理需要延時斷電的控制器。相對于OSEK網絡管理機制邏輯更簡單、高效，總線睡眠轉換更快，且具備總線負載控制功能。所以本文基于AUTOSAR_NM的網絡管理標準進行整車能量管理系統進行優化研究。

2.2 總線的睡眠與喚醒

電源檔位切換至OFF，某些控制器沒有網絡需求時，將停止發送網絡管理報文，等待整個網絡均停止發送網絡報文和應用報文后，總線進入睡眠狀態。一段時間（CL30s）掉電后整車進入低功耗狀態，降低整車的靜態電流消耗，延長蓄電池使用壽命。AUTOSAR_NM睡眠喚醒狀態轉換如圖1所示。

電源檔位為OFF且總線處于睡眠狀態或整車在低功耗狀態下。某種喚醒源產生時，各控制器首先進入初始化狀態，隨之進入Repeat Message Status（重復發送報文狀態）。當喚醒方式為內部喚醒，遙控鑰匙上鎖解鎖或特殊的總線報文喚醒時，各控制器進入Prepare Bus Sleep（預睡眠狀態）;當通過切換電源檔位時各控制器進入Normal（正常通訊狀態）。網絡管理報文的周期性發送確保了所有節點只要有網絡請求，即可保持網絡喚醒狀態。

2.3 整車靜態電流

車輛處于停車狀態下，整車控制器不往總線發送信號狀態且處于低功耗模式下，仍有一些控制器消耗蓄電池的電量。一旦靜態電流過大會影響車輛停放的時長，甚至會導致車輛無法啟動，因此整車進入低功耗模式后，靜態電流需要精確地測量和計算，且各零部件需要滿足靜態電流的分級，滿足車輛的日常消耗。長時間放置的車輛能夠再次啟動，要求整車靜態電流過小，即整車的能量管理系統需要設計地更為合理。

3 整車能量管理系統的優化

電源檔位在OFF、ACC以及Start間切換，某些整車廠不使用網絡管理機制，只要接收到OFF信號，所有控制器均進入睡眠模式。直接通過點火鑰匙位置控制電源檔位邏輯如圖2所示。其工作原理較為簡單，但各控制器的喚醒時間較長，給客戶帶來較差的體驗。

另外一種優化整車能量管理系統的方式是增加一種電源檔位機制CL30s，它是一個由網關繼電器吸合從而激活的硬件開關式電源檔位狀態，CL30s與點火開關無關，由控制器產生，如圖3所示。

通過ECU實現電源檔位邏輯的控制，電源檔位邏輯變化是通過依次改變鑰匙位置來實現的。在電源檔位改變為ACC、ON或者Start之前，CL30s為零部件或者ECU的運行提供一個主要的供電電壓值。整車進入睡眠后的在一定時間內，CL30s仍然需要為零部件提供一定的能量。從整車喚醒到電源檔位切換到OFF后的一定時間內均供電。根據不同的需求，該電源可給控制器供電也可以直接給負載供電。

利用CL30s來監控網絡中各控制器的睡眠狀態以及預喚醒狀態，便于能量的合理分配，節省了部分控制器的喚醒時間，控制邏輯簡單等優點。如車輛在進入徹底睡眠狀態后，通過打開司機側車門從而喚醒整車信號，可通過CL30s預先給動力及多媒體啟動的能量，提高控制器開啟時間，便于用戶的體驗。

4 總結

整車中網絡管理技術既可監控總線上各控制器節點的運行狀態，又可控制整車CAN總線網絡的睡眠和喚醒，從而實現整車節能的目的。CL30s是一個由網關繼電器吸合從而激活的硬件開關式電源檔位狀態，在整車進入睡眠后的一定時間內，CL30s仍然需要為零部件提供一定的能量。利用一個控制器來控制電源檔位的輸出，節省了系統資源，控制邏輯簡單，易于控制。統一規劃電源檔位邏輯，有利于整車架構設計，逃避繁瑣的定義，提高了工作效率，使整車的能量得到更合理的利用及分配。

參考文獻

[1] 何進進，肖金生.基于CAN總線的汽車電子標識系統[J].武漢理工大學學報：信息與管理工程版.

[2] 蔣建春，萬瑩，易綱等.基于AUTOSAR架構的通信系統的研究與實現[J].計算機測量與控制， 2011（07）.

[3] 馬保，羅曉敏，涂時亮，沈灝，仇睿.OSEK/VDX操作系統功能測試研究[J].計算機工程，2012（06）.