整車電性能設計與評價簡述

【摘" 要】提出整車電性能的概念和關鍵要素，重點闡述電性能涉及的電源分配、電平衡、靜態功耗、電磁兼容、過載沖擊、搭鐵失效和電量管理等要素的設計原則和方法，并提出設計評價的標準。

【關鍵詞】電性能；電源分配；電平衡；靜態功耗；電磁兼容；電量

中圖分類號：U463.6" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0031-04

Design and Evaluate of Vehicle Electrical Performance

WANG Jianfeng，HE Nan，ZHANG Yixin，SHANG Chao

（Automotive Engineering Ramp;D Institute，Shaanxi Heavy-duty Automobile Co.，Ltd.，Xi'an 710200，China）

【Abstract】This paper puts forward the concept and key elementsof electrical performance of the vehicle，and focuses on the design principles and methods of power distribution，electric balance，static power consumption，electromagnetic compatibility，overload impact，grounding failure and power management，and puts forward the standards of design evaluation.

【Key words】electrical performance；power distribution；electric balance；status power consumption；electromagnetic compatibility；power volume

1" 整車電性能概述

整車電性能是衡量整車電器系統安全可靠運行的能力，它是一個綜合性的系統指標，主要包含的關鍵要素有電源分配、電平衡、靜態功耗、電磁兼容、過載沖擊、搭鐵失效、電量管理等。

在現代汽車中，各主機廠均會對新款車型進行電器系統的各種測試，以挖掘潛在的設計問題，但這些問題具有隱蔽性、偶發性，往往很難捕捉到，也很難復現，對測試設備和測試能力有很高的要求，同時需花費高昂的代價去整改。為了減少后期測試和整改的工作量，降低電器隱患和售后索賠，有必要在設計初期就充分考慮各種因素，規避大的風險，從電性能的角度完善各項設計指標。

本文以低壓電器系統為例，盡可能地從可量化的視角去定義這些指標，系統闡述在設計過程中如何優化這些指標，并建立各指標的設計評價標準，規避可能出現的電器風險。

2" 電源分配

電源分配的目的是為整車各個用電回路提供保護裝置，防止線束短路造成車輛著火。電源分配的核心在于梳理每個用電器的電源模式、額定功率、額定電流、峰值電流、公稱熔化熱能等，進而根據熔斷絲選型公式計算得出相應規格的熔斷絲，熔斷絲規格確定后即可選擇相應的導線規格。電源分配研究的重點是既要保證短路發生時，熔斷絲能快速熔斷而不損傷導線，又要保證回路能承受浪涌電流的沖擊而不頻繁熔斷。

首先，應根據負載統計表進行負載電源模式的確定。電源模式一般分為B+、30+、ACC、DR和61+等，它需要對用電設備的應用場景、開啟條件、使用工況進行詳細分析。

以獨立暖風為例，多應用于北方寒冷地區，駕駛員常于夜間車輛熄火休息時開啟，其它用電器無需工作。若處于B+常電下，電源不受控，則可能在消耗完蓄電池電量后造成車輛無法啟動；若處于DR+電源下，則整車網絡在喚醒狀態下，用電器均在待機狀態，造成蓄電池饋電；故合理的應處于30+或ACC下，只有少數用電設備可開啟，不會造成電量的過度消耗，確保下次車輛能正常啟動。

其次，根據負載實際工作特性進行熔斷絲規格的選型。常規的方法是根據負載統計表，而負載統計表的參數值多來自于零部件圖紙。但在實際應用中，由于Tier能力和實車環境的差異，經常發現設備的實際電流遠大于或小于圖紙規定的值。若熔斷絲規格設計較小，則無法起到回路的保護作用；若熔斷絲規格選擇過大，會導致導線匹配過粗，造成成本的浪費；實際值與參數值差異過大，有時甚至會造成較大的設計變更。

以某款車型的雨刮電機為例，如圖1所示，圖紙最大堵轉電流18A，根據感性負載計算熔斷絲規格應為25A，但實際臺架測試雨刮電機的堵轉電流為32A，故此處應相應增加熔斷絲規格。

因此，電源分配應根據設備的工作特性曲線進行熔斷絲規格的選型和計算，才能確保對回路的有效保護，負載統計表僅作為輸入參考，最有價值的數據來自于臺架測試。具體的設計評價標準見表1。

3" 電平衡

電平衡是蓄電池、發電機、電氣負載之間的最佳匹配關系。電平衡設計本質上是根據電氣負載進行蓄電池、發電機規格的選型。電氣負載需引入用電設備的使用頻度來計算整車的加權電流，即整車最大用電量。加權電流采用下列公式進行計算：

I加權 = μ i × Pi ／ U

式中：μ i——第i個用電設備所對應的頻度系數，μ i = μs、μo、μw；Pi——第i個用電設備的標稱功率；U—系統標稱電壓。

電平衡設計的評價標準見表2。

4" 靜態功耗

靜態功耗是指當整車用電設備均處于關閉或休眠的狀態時，整車電路中依然存在的暗電流。這個電流可能是由控制器中的芯片漏電流引起，也可能是由線束回路中的消耗引起，也可能是用電設備未正常休眠引起。如果靜態電流過大，會直接縮短車輛的靜置天數和起動性能。故靜態功耗一般要求越低越好，一般不超過20mA。降低靜態功耗的方法主要有以下幾點。

1）嚴格限制B+電源的設備數量。盡可能減少常電下的工作模式，僅保留必要的如危急報警燈、門控模塊、行駛記錄儀、燃油防盜等基本功能，其余設備和功能均受電源總開關控制。

2）控制器PCB板上焊接MCU的外接電源控制開關，此開關受外部使能信號控制，當檢測到外部無信號或總線無報文時可以自動切斷整個控制器的漏電流。

3）整車線路中不允許有單個回路存在通路，檢查各子系統的圖紙，對原理進行校核，不允許純電阻消耗整車電流。

4）通過對控制器的臺架測試，對軟件進行升級和修復，防止未經測試的軟件寫入控制器，避免軟件BUG導致網絡報文誤發而喚醒某些功能。

降低靜態功耗最有效的方法是在電源分配設計時具體分析每個設備工作原理和工作邏輯，避免間接分配到常電模式下。

以某車型電控硅油風扇為例，電磁離合器線圈受VCU（整車控制器）的PWM信號控制，電源也來自于VCU。VCU因認證和鎖車功能需要MCU工作在常電模式下，故給VCU電源模式為B+，簡易系統框圖見圖2。VCU在硬件設計時，B+輸入與輸出為一路。

電磁離合風扇的工作邏輯是當離合器線圈通電，離合器脫開，風扇靜止；當PWM控制端有輸出電壓時，離合器接合，風扇轉動。此原理設計的問題在于將電磁離合器的電源劃分到VCU，導致風扇線圈常帶電，會消耗約300mA的靜態電流，故最有效的優化方式為將風扇線圈電源改為DR+，可極大地降低整車的靜態功耗，優化后的原理見如圖3所示。

靜態功耗的設計評價標準見表3。

5" 電磁兼容

電磁兼容是指電器設備受到來自高頻或低頻電磁波的擾動，可能出現信號失真或噪聲的情況。它不僅指電器設備本身的干擾源，如繼電器、電機、感性負載等，也包括周圍環境干擾源，如強磁場、無線網絡、導航儀等。啟動過程中，由于啟動瞬間浪涌電流非常大，通常為穩態電流的6～10倍，也會對電器系統中的其他設備造成干擾或沖擊。常見的電磁輻射類型有瞬態傳導發射、電磁傳導發射、電磁輻射發射等，它們的抗擾度越強，電磁兼容的性能就越好。

屏蔽和搭鐵是目前抑制電磁干擾的主要手段，如CAN總線采用抗干擾能力強的屏蔽雙絞線；視頻信號線采用帶屏蔽層的同軸電纜；控制器采用金屬外殼等。在實車設計中，通常采用搭鐵串聯的方式，將所有整車的搭鐵點通過單獨的導線連接，保證搭鐵點的電勢處于相同水平，可以有效降低導線與設備之間的諧波噪聲。

模擬仿真也是發現干擾源的一個有效手段。通過模擬仿真和等效電路計算，可以計算出汽車任意位置的輻射大小以及感應電流分布。

電磁兼容設計的評價標準見表4。

6" 過載沖擊

過載沖擊，衡量的是導線回路有沖擊電流時電器系統穩定運行的能力。熔斷器的熔斷時間、導線溫升、過載電流與導線截面積之間需建立良好的匹配關系，當線束回路由于電壓波動，瞬時電流大于熔斷絲額定值時，系統在一定時間內也能穩定運行；而當熔斷絲的公稱熱能累積到一定值時能正常熔斷；當有短路時，能立即熔斷，以上任何情況均不允許出現設備和導線的損傷。根據熔斷絲廠家和類型不同，在選型時熔斷絲的熔斷特性需要滿足表5的要求。

過載沖擊可能發生在車輛啟動瞬間（啟動脈沖），也可能發生在顛簸路面（連接器瞬斷），線路和設備可能需承受瞬間十幾倍額定值的浪涌電流，此電流無法消除，只能從設計上抑制，并且各設備之間不能有電流串路。

為了增加電源的穩定性，一般會在控制器的PCB板上焊接電阻和電容，圖4為輸出電容增加極點，圖5為輸出電容ESR增加零點，方式雖然不同，但可以最大限度地濾波，降低電壓差，并且提高過電流對回路的沖擊能力。

在配電系統設計中，一般會在上游一級回路增加TVS二極管，也叫瞬態抑制二極管，對電流的波峰具有消減作用。TVS管的特性有以下幾點。

1）當在電路中反接時，如果受到大的脈沖電流沖擊，其反向阻抗會降為0，允許大電流流過，通過車身回到蓄電池負極，不會對設備造成損害。

2）具有鉗位電壓的作用，能將端電壓保持在額定值，保持系統電壓穩定。

TVS二極管的應用已經開始普及，廣泛運用于汽車電路中，如線束回路、中央電器板主電源回路、控制器上游，具體應用如圖6所示。過載沖擊的評價標準見表6。

7" 搭鐵分配

整車搭鐵分配重點分析的是共地回路搭鐵失效可能對其它負載造成的影響。電器功能調試中，經常發現某些設備工作異常，如多媒體頻繁黑屏、前組合燈不亮、喇叭異響等，最終發現均是搭鐵故障造成。常見的搭鐵故障有搭鐵失效和搭鐵不良兩種。搭鐵失效是由于螺母未打緊或孔式端子壓接松脫，導致的搭鐵斷路，常見的風險有電信號串路；搭鐵不良是由于接觸阻抗過大或端子銹蝕造成的導電性能下降，常見的風險有阻抗增加。表7為搭鐵分配的設計評價標準。

8" 電量管理

鑒于現代汽車節能環保的要求，在滿足設備工作的前提下，需要對電源系統制定合理的分配策略，提供精確的供電電壓，并能夠實現電源狀態監控、電壓電流調節、充放電管控、電源設備管控、電源回路自診斷、自保護、制動能量回收等功能。要實現以上功能，傳統電路已經不能滿足這些要求了，MOSFET的應用有了較大的發展。

隨著技術的發展，熔斷絲、繼電器將逐步被MOSFET替代。MOSFET的優點是智能、精確、體積小、可靠性高。

常用的是NPN型，它是根據MOS管的開關特性，由總線信號控制柵極（Gate），漏極（Drain）為輸入，源極（Source）為輸出。當用作熔斷功能時，正常回路中，MOS管由柵極控制閉合，當檢測到回路中有異常電流時，柵極控制MOS管斷開；當用作繼電器功能時，柵極相當于繼電器的線圈，源極和漏極相當于觸點，柵極的信號可控制MOS管的通斷。

在電源分配中采用MOSFET的主要優點是：可編程、輸入輸出可控、體積小、結構緊湊。通常將同類設備的電源用不同的繼電器隔離，可保證電源系統無干擾波存在。MOSFET集成了CAN控制信號，可控制通斷，也可監測異常電流，當電流異常時，自動切斷單路MOSFET電源輸出；其次在蓄電池正極增加總線型智能傳感器，它負責主電源的監控，當檢測到瞬時電流異?；蛐铍姵豐OC小于70%時，能向車身控制系統發送緊急斷電請求，自動斷開整車電源。這些智能模塊的應用，對整車電性能安全有著重要的意義，可最大限度地保護車輛用電安全，提高整車電源系統的智能化水平。電量管理設計評價標準見表8。

9" 結語

整車電性能是一個系統性的工程，需要以全局的視角兼顧電器設計的方方面面，只有細節設計符合規范的要求，才能提高車輛整體的電性能。隨著各主機廠設計工具和設計流程的不斷完善，更多的電性能風險都可以提前規避和預防。

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（編輯" 楊" 景）

作者簡介

王劍峰（1985—），男，工程師，從事汽車電子電器系統方案設計、整車電器原理設計、功能安全研究等工作。