整車電源模式智能化發展趨勢

付朝輝， 王華陽

（吉利汽車中央研究院 智能電子軟件中心， 浙江 寧波 315000）

按照2030碳達峰、2060碳中和目標測算，中國電氣化水平應分別達到37%、70%。其中，2060年工業部門電氣化水平應達到69%，建筑部門達到80%，交通運輸部門達到53%。在這個進程中，新能源汽車、電動汽車是重要戰略新興產業，對于實現碳達峰、碳中和目標也具有重要的作用。當前電動車普遍存在的里程焦慮阻礙著全面普及，如何對車載電源進行高效能量管理，將是電動車企業未來面對的持續挑戰。

1 前言

減輕電動車用戶的里程焦慮，要么增加車載電池的容量，要么提高單次充電的效率和有效行駛里程。根據統計，目前市場在售車型平均電池容量已達59.8kWh，頭部車型的電量甚至已超過了100kWh，在總行駛里程上大大地改善電動車的出行距離；充電能力的提升和基礎設施的改善：慢充功率可達20kW，而快充則能達到100kW的功率，提升了電動車的使用便利性。

在改善動力系統上的便利性基礎上，電動車品牌還需要在智能化方向上進行更多創新，擴展更多的用戶體驗場景，真正將汽車打造成為移動出行的第三空間，才能吸引大批的忠實用戶。據麥肯錫調研，61%的中國消費者會因為智能網聯系統而更換汽車品牌，這就要求各個汽車品牌在智能網聯系統上形成自己的特色。

在以上兩個目標的驅動下，智能電動車在電源架構設計上呈現出以下特點。

1） 能量來源的電動化：低壓用電器全部采用電力驅動，并由電力轉換器 （DC/DC converter） 和低壓蓄電池并聯供電。傳統燃油車通過皮帶輪拖動執行器，比如水泵、空調壓縮機等已不復存在。

2） 電源系統的輕量化：在減重增程目標驅使下，蓄電池在進行小型化設計 （甚至可以討論直接取消，45Ah鉛酸電池重約12kg），利用區域接入來優化線束的回路數并控制線束長度，打破高低壓系統物理邊界進行集成，提升鋰電池包的能量密度 （當前大多數廠家還處于150Wh/kg以下水平）。

3） 使用場景的多樣化：充分利用車輛的智能化水平來提升車輛的使用樂趣，比如：啟動哨兵模式來保護車輛的財產安全，使用自主代客泊車來節省尋找車位時間，遙控遠程空調來提升乘客的舒適度。

如何平衡車輛行駛和其它智能化功能的能量需求，需要我們總結傳統車的經驗，分析電動車的差異，并充分利用當前先進技術，找到高效的電源模式管理機制。

2 傳統電源管理機制

首先，我們回顧一下當前車輛能量管理策略的應用范圍。

2.1 用電器控制

根據負載的電流大小，可以分為大/小電流用電器，30A是汽車單顆智能MOSFET行業的標準閾值。智能MOEFET的規格基本上都是按照30A的標準來設計的。根據用電器的控制方式，可以劃分為開關控制和功率調節控制兩類。開關控制僅僅對于用電器進行開啟和關閉操作，沒有中間狀態，比如開燈和關燈操作；而功率調節控制往往采用PWM驅動來控制電流大小以達到調節的目的，比如燈光的亮度調節、電子雨刮的速度調節等。

2.2 電源模式

各類負載在使用過程中都會消耗一定的電量，考慮到整車在生產、運輸和使用過程中的不同場景下，整車的電源模式可以分為工廠模式、運輸模式和正常模式。這些電源模式設計將保證各個階段的用戶需求，在工廠模式下主要滿足下線的功能檢測，在運輸模式下主要滿足整車的低功耗要求，而在正常模式下需要支持整車功能的正常使用，當然也包括整車的駐車模式。這些模式之間的切換需要通過診斷儀、開關或者熔斷絲信號來激活。在設計階段，這些電源模式下能夠承載的功能都需要和相關需求方進行打磨凍結。

2.3 ECU的模式管理

根據AUTOSAR組織對于ECU的模式定義，ECU的模式可以分為ON、OFF、SLEEP、STANDBY四種模式，見表1。

表1 控制器模式定義

其中SLEEP和STANDBY兩個模式的工作能力依賴于硬件架構的設計方案：可以降低芯片工作頻率，也可以關閉外設電路等其它方式。

網絡上的ECU在各個模式的切換，需要根據物理層的接口電路或者基礎芯片的中斷管理來實現，此外，供電電壓的變化也能實現模式的轉換。下面是根據典型的CAN網絡上的ECU不同喚醒方式做出簡單分類 （圖1）。

圖1 控制器喚醒機制分類圖

圖1體現了喚醒的典型電路。

1） A類控制器：電池常電供電，能通過網絡信號喚醒。

2） B類控制器：電池常電供電，能通過網絡信號和本地事件喚醒，本地事件可以是時鐘事件也可以是中斷事件。

3） C類控制器：電池常電供電，能通過本地事件喚醒。

4） D類控制器：通過繼電器進行供電，不能被喚醒。

2.4 網絡管理

不論是OSEK還是AUTOSAR的網絡管理，都是負責整車網絡的整體狀態切換。在能量管理的范疇內，我們更加關注網絡休眠條件下的喚醒和整車靜態電流水平。從功能維度出發，可以將整車網絡分為3種模式，見表2。

表2 網絡狀態定義

圖2所示為網絡模式切換電流曲線。

通過網絡狀態的記錄，我們看到整車電流水平和網絡的狀態息息相關，而具體休眠遞進階段的電流大小直接受ECU內部硬件狀態的影響。

3 智能電力電子技術

當前電力電子技術發展，尤其是功率電子的發展，提升了電源管理系統的效率。

3.1 DC/DC轉換器

在沒有太陽能發電和其它在線充電基礎設施的前提下，高壓電池是電動車唯一能量來源，通過電力轉換器 （DC/DC） 轉化成12V/48V的低壓電源系統。由于沒有發動機，不需要考慮起動機這類大電流請求，因此對于12V電池的容量要求相對較低，當前主流選擇是45Ah的鉛酸電池或鋰離子電池。鉛酸電池雖然應用廣泛并且技術成熟，但是由于質量原因，部分整車廠也在考慮僅僅采用DC/DC轉換器提供12V電壓的供電場景。DC/DC的優勢可以采集電流，識別過流，在瞬間大電流短路時可切斷輸出，短路移除后，可自動恢復，不用更換主熔斷絲。這樣的工況就需要在軟件控制上考慮各種場景，比如DC/DC的散熱、電流負載的跳變，同時需要考慮動力電池失效時，DC/DC輸出電容的儲能滿足特殊工況需求。

3.2 智能MOSFET芯片

傳統的配電盒利用熔斷絲和繼電器來進行負載的控制，優勢在于成本低，器件結構簡單，無漏電流；不足在于無法進行電流采集和負載電路診斷，也就不能精確進行能量評估和控制。而采用智能MOSFET芯片的控制方式，如圖3所示，MOSFET芯片結合MCU的控制能力就能彌補傳統配電盒的劣勢，不僅可以實現負載的功率控制，也能更好地保護用電器。通過智能電路可以對于過溫/過壓/過流進行保護，也能采集電流進行能耗評估，但成本也會隨之上升。

圖3 智能MOSFEST控制器電路

4 網絡管理機制

整車控制器ECU也是一類的用電器，并且考慮到當前不斷上升的芯片功耗，在電源模式設計時，一定要充分考慮整車ECU網絡狀態切換。圖4為網絡拓撲結構概覽。

圖4 網絡拓撲結構概覽

整車的網絡管理，主要是滿足網絡各個節點的功能交互需求，這些交互的信息都是通過信號報文來傳遞。根據不同的場景和設計需要，AUTOSAR的網絡管理，可以實現同睡同醒，也可以實現部分網絡管理。這兩類網絡管理策略的落地和網絡拓撲結構密切相關，要么需要中央協調機制，要么需要網關路由機制來保證。在進行網絡管理機制設計時，我們將遵循從上到下統一休眠，從下到上的冒泡喚醒機制。為了保證這種機制的落地，我們有必要對于當前網絡拓撲進行分析和對比，詳見表3。

利用其趨性，4月到秋季采茶結束期間可采用規格為20厘米×24厘米的純黃色誘集板誘殺其成蟲，茶園兩端分別留1米左右，南北邊緣向內分別縮進1米，且分布均勻，20～25張/畝為宜。純黃色誘集板懸掛的高度因季節的不同而異，春季和秋季懸掛距離茶樹樹冠蓬面下方20～30厘米處；初夏懸掛距離茶樹樹冠蓬面下方20厘米至樹冠上方20厘米處；盛夏，懸掛距離茶樹樹冠蓬面上方40～60厘米處[3]。黃色誘集板誘殺成蟲的措施防治效果好、安全、無污染，是茶園綠色防控的主要措施之一。

表3 拓撲特征說明

本文主要聚焦應用比較廣泛的總線型、環型和星型拓撲進行分析。

4.1 總線型拓撲

總線型拓撲形式利用公共的總線將網絡節點統一連接起來，CAN、CAN FD和LIN總線普遍采用這種結構。 CAN子網段內各個節點都可以對于網絡進行喚醒，其它節點統一按照網絡管理的機制進行響應，并且利用網絡管理報文進行狀態同步，需要重點關注的是子網段內的喚醒事件如何通過網關節點向主網段進行傳播；而網絡上的睡眠機制可以根據不同的需要，采用聯邦制讓各個ECU自行進行休眠，或采用統一休眠管理。如CAN子網段一樣，LIN任意一個節點都能喚醒整個子網段，但是只有LIN的主節點才能下發統一的睡眠指令。

4.2 環型拓撲和星型拓撲

以太網通信普遍采用環型和星型拓撲形式，當前OPEN ALLIANCE組織在大力推廣以太網的網絡喚醒和睡眠規范，參與聯盟的各家供應商所開發的PHY能支持喚醒和休眠的功能，但是相互之間的兼容性還不夠徹底。采用環狀拓撲各個節點的狀態需要保持一致，而采用星型拓撲可以進行部分局部狀態同步，取決于中心節點的控制指令。

5 整車休眠工況功能細分

整車的電源管理有效運行還需要對于整車的靜態電流進行控制，這就需要我們對于休眠工況下的功能應用場景進行細分和總結。

5.1 持續使用

這類功能需要在整車進入休眠模式下也能正常工作，主要分為以下幾種。

1） 車輛防盜系統，包括檢測、報警、顯示功能等。

2） 車輛訪問系統，包括鑰匙/手機檢測、NFC授權、充電接口等。

3） 車輛狀態監控，包括電池狀態監控、車內溫度監控、制動踏板/啟動開關操作監控等。

5.2 特定場景使用

1） 充電伴隨功能，比如充電冷卻功能、太陽能充電。

2） 遠程監控和數據收集，比如哨兵模式、數據上傳。

3） 遠程診斷和軟件下載功能。

5.3 按需開啟功能

這類功能是根據用戶的意圖進行開啟，當前考慮到車聯網的接入場景非常豐富，可以進行燈光秀，也能進行沉浸式游戲體驗。這些功能需要在前期設計時考慮妥當，在必要的情況下，需要電源架構師設計特定的模式來統一管理。

6 能量管理設想和實踐

通過以上的分析，能量管理機制是功能架構設計的基礎，并且對于網絡架構和功能開發提出限制條件，考慮到能量來源的唯一性，我們建議采用集中式的管理機制，對于各類用電器進行智能供電控制。

6.1 集中能量分配 （圖5）

圖5 集中能量分配框圖

沿用傳統車的認知，當車輛在行駛或者其它使用工況下，用戶對于持續地耗電有心里準備，然而在車輛已經停止使用的情況，用戶期待能夠維持電量水平，這就需要考慮到非用戶感知相關系統的用電需求。考慮到電動車的能量來源單一，建立集中能量庫用于統一分配，能有效地管理整車能量水平。首先需要建立整車的能量評估機制，根據車輛電池的各類信息，評估當前有效能夠分配的能量；其次，需要各個用電器發起請求，并且預估本次請求所需消耗的能量；最后根據優先級統一對于不同用電器進行能量按時按需分配。采用集中式管理方式，不僅可以有效地保證能量安全，還能響應不同的功能需求，體現有效率地公平分配。用電器的能量請求還需要利用網絡通信來實現，因此在詳細設計階段，不能忽視對于網絡狀態的依賴。

6.2 動態功率控制 （圖6）

圖6 動態功率控制框圖

整體的低壓功耗受限于電力轉換器 （DC/DC） 的最高功率，而不同用電器的使用頻率和能耗會隨著工況不同而變化，這樣電力轉換器的功率不會基于所有用電器功率簡單累加進行設計，而是根據最差工況來進行功率選型，這就必然會存在功率請求沖突的情況，需要電源管理系統進行動態地功率分配，在優先保證車輛安全功能用電需求的基礎上，盡量減少用戶體驗功能的降級。整體上全面評估整車剩余有效功率，按照不同系統使用屬性，建立基于優先級的動態分時使用的管理機制。這就要求，負載用電器在進行功率請求時，需要提供最小功率需求信息，這樣才能讓電源系統高效仲裁并有效分配。

6.3 靜態電流監控

在車輛進入睡眠模式下，整車的部分功能還會正常工作，這樣才能保證車輛對于用戶使用的快速響應，但也會增加網絡異常喚醒的概率。整車網絡在被喚醒之后，各個控制器就會進入運行模式，這就會提高整車電源的能量消耗，在沒有補給的情況下，整車ECU的喚醒會消耗一定的電量，考慮到電池電量傳感器SOC計算對于瞬時的電流變化不夠靈敏，容易造成整車饋電事件的發生，因此，我們需要建立整車網絡喚醒能量補償機制。此外，還應該利用分布式的智能供電系統來識別靜態電流超標的用電器和控制器，建立異常耗電處理機制，并且開發相應的軟件模塊，能夠響應這類異常并對異常用電器進行強制關閉。

7 總結和展望

當前的策略有效地管理了整車百來個控制器，滿足了整車各種場景下的用電需求。隨著全新架構的演進和半導體技術的發展，我們有理由相信，未來的電源架構將會在以下方面帶來改變。

1） 通過攝像頭精確地識別駕駛員和乘客的當前狀態和使用意圖，結合大數據或者人工智能的算法，全場景進行光、聲、溫的細膩調控，從而達到電源精細化使用；是否可以考慮進行AI節能優化。

2） 直接使用DC/DC替代12V蓄電池，融合整流器、逆變器以及變壓器電路，形成同時具備直流和交流電壓轉化的智能中央電源系統。

3） 通過微波等無線充電技術，在車內形成無線充電空間，對于已經登記的設備，比如智能穿戴設備、醫療監控和小型辦公工具進行充電，給車內第三生活空間提供智能能源服務。

4） 利用V2X技術連接智慧城市，不僅讓車輛融入到城市能源體系，也能利用智慧城市的邊緣計算能力優化車載電源的充電策略。