汽車電源管理系統的設計方法趨勢淺析

王大麗， 程 琳， 龍蘇華， 文 柳， 賈鋒濤， 鄭阿東

（奇瑞汽車股份有限公司， 安徽 蕪湖 241006）

隨著現代電子技術日新月異， 智能化汽車的逐步實現，汽車已由原來的代步工具成為移動出行的智能終端， 汽車技術也向智能化、 網聯化、 電動化及共享化發展， 汽車這些智能化功能對整車電源系統性能穩定性的要求越來越敏感。 為確保整車用電環境的穩定可靠， 需要對整車電源管理系統的設計方法進行分析研究。

整車供電系統的核心零部件為蓄電池、 發電機。 蓄電池為車輛提供電能、 儲存電能， 它主要負責在發動機起動或低速運轉時， 汽車發電機不發電或者電壓很低的情況下，為車內電子系統提供電能。 發電機是整車的主要電源， 負責提供整車在發動機啟動后車內電子系統的用電以及為蓄電池補充電。 蓄電池和發電機容量選擇時， 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、成本及質量的要求， 通過對整車供電系統及用電負載的電源管理使整車的電性能得到保證， 整車電源系統管理場景如下。

1） 場景1： 整車供電量滿足整車正常狀態的用電， 用戶在停放時間內再次啟動車輛時可正常啟動， 這是用戶對車輛的最低要求。

2） 場景2： 車輛進入正常休眠后， 不會因網絡異常喚醒耗電， 整車電器系統因電壓低出現故障。

3） 場景3： 用戶用電不當或整車耗電異常以及蓄電池健康狀態不佳時， 電源管理系統能進行管控， 并能通過儀表或TBOX的APP預警提醒用戶， 增加用戶感知和提高產品溢價。

本文通過對市場上在售車型的電源管理系統設計方法的解析， 以及目前終端用戶對汽車應用場景及功能需求激增帶來的整車供電穩定性的需求， 電源系統的設計必須由簡易的傳統的設計方法轉變成新型的系統的設計方法， 達到對整車電源系統進行智能管理和控制的目的， 從而確保整車用電的穩定性。

1 市場上整車電源管理系統常見的設計方法介紹

1.1 怠速提升策略

發電機容量的選擇要綜合考慮輸出能力、 成本、 質量、布置等因素， 發電機輸出能力隨轉速的增加而增加， 其輸出能力瓶頸是怠速狀態下。 為了滿足怠速狀態下的用電需求， 整車通過開啟某大功率負載時提高怠速轉速的策略（圖1） 來提升發電機的發電量， 這種簡易的電源管理設計模式適合電器功能較少的低端車型， 例如某品牌6萬元左右的車型： 在怠速工況下， 大功率負載空調 （前照燈） 開啟時， 發動機轉速由660r/min 提升到720r/min， 發電機的發電量可由原來的36A提高到41A。

圖1 怠速提升策略

1.2 靜態電流控制策略

通過對整車靜態電流進行控制來延長蓄電池的壽命和車輛的停放時間。

為了滿足車輛停放時間和儲運周期的需要， 設定整車靜態電流目標， 同時針對出口車輛在整車電源分配設計時設計了海運儲運模式。 海運模式： 對產生靜態電流的控制模塊 （非運輸過程必須功能） 回路設計一路總電源， 通過拔掉此總電源回路的海運熔斷絲斷開回路， 從而實現對靜態電流的管理， 確保長時間運輸后車輛還能正常啟動及延長蓄電池壽命。 這種靜態電流的電源管理方法設計簡單，但操作起來復雜， 使用不方便。 如圖2所示。

圖2 整車靜態電流管理示意圖

1.3 發電機輸出智能化策略

發電機輸出智能化策略主要是擁有LIN調節器的發電機可以根據需要設定發電的電壓值， 通過蓄電池傳感器監測蓄電池狀態 （電壓、 電流、 溫度）、 發動機效率以及車輛運行狀態等條件改變發電機的負荷， 控制蓄電池充電和放電，對整車電源電量的供給進行管控， 從而達到延長蓄電池壽命和節省油耗的目的。 如圖3所示。

圖3 發電機輸出智能化策略示意圖

1.4 單獨的電源控制模塊策略

通過一個單獨的電源控制模塊實現整車電源系統的管理。如圖4所示。

圖4 電源管理控制模塊策略示意圖

通過蓄電池傳感器監測蓄電池的端電壓U、 蓄電池的充放電 電 流I、 蓄 電 池 溫度t； 根據U、 I、 t判斷SOC （蓄電池充電狀態）、 SOH （蓄電池健康度）， 再通過LIN 網絡將信息傳遞給控制模塊（EMS或BCM）， 從而實現電源管理的目的， 這種電源管理的設計方法在前幾年的高檔車上曾有應用， 例如奧迪A6，但成本較高， 后來被功能集成式的設計取代了這種分模塊式的設計。

2 智能化汽車整車電源管理系統設計方法趨勢

隨著智能化、 網聯化信息技術的發展， 智能駕駛車輛功能的逐步實現， 軟件定義汽車的時代已到來， 對整車電源系統的安全等級要求逐步提高， 車載互聯系統如遠程啟動、 OTA等新興功能實現， 在整車駐車情況下有了新的用電需求。 網聯化汽車存在異常耗電的潛在因素越來越多，虧電問題的排查復雜程度也越來越高， 電源管理系統設計的趨勢由原來延長蓄電池壽命和車輛的正常啟動單一功能目標， 轉變為具備整車智能化功能用電環境的穩定及安全，以及對網絡異常喚醒產生的虧電隱患進行監控及管理， 對用戶場景科技體驗的用電管理等， 新型電源管理系統的設計方法是將電源管理的功能集成到車身域控制器BDM （Body Domain Module） 或娛樂域控制器DMC （Domain Controller Module）， 通過軟件策略達到對電源系統管理的目的。

2.1 模式化管理

使用軟件來進行整車電源系統的模式管理， 通常有工廠模式、 運輸模式、 客戶模式等， 通過軟件進行模式轉換，在車輛交付給終端客戶之前通過不同模式實現不同階段不同功能的用電需求， 從而達到整車用電可控及整車電源系統可靠， 實現方式為通過設備與控制通信進行進入或退出相應模式。

1） 工廠模式： 在車輛進行生產裝配及調試監測過程中， 通過工廠模式杜絕在整車出廠之前長時間開啟電器負載或整車出廠之前問題排查過程開啟大功率負載 （空調），導致蓄電池虧電等情況發生。 功能主要包含自動下電、 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） 運輸模式： 物流使用， 確保車輛在運輸期間蓄電池電量滿足啟動需求， 功能主要包括自動下電、 迎賓功能主動關閉、 不自動監測智能鑰匙等， 以及禁用跟物流無關的功能， 如音響等。

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

2.2 電源系統的功能管理

2.2.1 負載動態管理

功能定義： 智能發電機動態調節， 負載分級， 按需通斷負載 （通斷時對用戶提醒）， 從而達到蓄電池電壓不低于閾值。 蓄電池電壓的監控及控制措施是通過EBS （Electronic BatterySensor）/BDM/DMC/CLM（Climate Control Module）/EMS（Engine Management System） 等交互實現。

如： 負載分級， 將整車舒適性大負載 （電流大于10A） 進行分級， 不同情況下逐步關斷： 座椅加熱/通風/按摩、 自動空調、 鼓風機 （非前除霜模式）、 娛樂功能（導航保留） 等， 以保證安全負載及行駛相關負載的用電需求， 分級如下。

1） 0級： 無限制。

2） 1級： 風量不高于5擋、 座椅加熱功能關閉、 音量不高于50%。

3） 2級： 風量不高于3擋、 座椅加熱功能關閉、 音響關閉（導航界面不做限制）。

2.2.2 靜態電流管理——網絡睡眠管理

隨著千車千面的發展趨勢， 整車電氣系統的功能越來越復雜， 傳統的靜態電流設計管理方法已無法滿足整車不虧電的可靠性要求， 需要采用新型的通過軟件策略來解決整車靜態電流監控和管理的設計方法。

功能定義： 除傳統的整車靜態電流目標管控外， 各模塊在整車設防后設置強制睡眠時間上限 （例如某模塊5min）， 且除特殊功能 （設防、 解防、 迎賓、 報警、 遠程啟動） 需求的模塊外， 其它模塊在整車OFF狀態下不做網絡喚醒功能， 以防存在網絡偶發不休眠問題， 導致蓄電池虧電， 車輛啟動困難， 給用戶帶來不便。

2.2.3 蓄電池健康管理

用戶在日常用車過程中蓄電池保護意識弱或整車耗電異常以及蓄電池健康狀態不佳時進行管控， 并能通過儀表或TBOX的APP收到蓄電池狀態的預警提醒， 延長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， 通過一些控制策略， 蓄電池的健康狀態SOH在儀表或通過TBOX在APP上顯示， 并在SOH較低的情況下在儀表上或APP上出現“蓄電池電量不足請啟動發動機” 等報警提醒， 避免用戶用電不當導致蓄電池反復虧電， 影響蓄電池壽命， 甚至帶來啟動困難的問題。 如圖6所示。

圖6 蓄電池健康管理示意圖

1） SOH 在ICM 可 調 用 顯 示： EBS 讀 取SOC， 計 算 出SOH， LIN發送給EMS， CAN轉發ICM， 菜單可調用顯示。

2） SOH通過TBOX顯示在APP內： EBS讀取SOC， 計算出SOH， LIN發送給EMS， CAN轉發TBOX， 顯示在APP內。

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

3 總結

未來汽車智能化程度會進一步提高， 車輛網絡休眠狀態下后臺運作的功能也會更多， 終端用戶在體驗科技發展的同時整車電量消耗的場景甚至虧電的因素也會更復雜，因此對整車用電的管理就更加重要。 本文通過解析市場上車輛整車電源管理系統設計方法的變化及趨勢， 總結出車輛新型電源管理設計方法， 即在設計階段通過軟件策略實現電源系統管理的設計方法將成為趨勢。