一種基于緊急電源開關的商用車冗余電源系統

陳凱強 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、電氣化以及網聯化方向發展，人們對于汽車舒適性、安全性要求越來越高，傳統整車電源系統已不能滿足需求。而相較于乘用車，商用車供電系統負擔更大，更易發生故障。在智能化、電氣化以及網聯化背景下，文章針對商用車電源系統存在的失效、可靠性以及安全問題，提出一種商用車冗余電源系統并對其工作方式進行研究。

【關鍵詞】緊急電源開關;商用車;冗余電源系統

中圖分類號：U463.61? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：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

作者簡介

陳凱強（1992—），男，工程師，主要從事商用車整車電器系統開發工作。

1? 前言

隨著人工智能、集成電路等技術的發展以及車載芯片計算能力的提高，人們對于汽車的關注點從單一的動力性能好壞逐步轉移到對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力逐漸向提供舒適、安全、高效以及智能的駕駛環境發展。為了滿足這些需求，商用車的車載控制器及其執行機構的數量越來越多，加之商用車作為生產工具，自重、載重大，車載用電器更多，使得整車用電量成倍增加，整車電源系統負擔更重，從而對于整車電源系統可靠性以及安全性的要求更高，商用車傳統電源系統[2]已不能滿足需求。

除此之外，隨著智能駕駛技術在商用車中普及，為了滿足L3級及以上智能駕駛控制模塊對于車輛功能安全等級的要求，整車電源系統除主供電回路外還應具備冗余供電回路[3]。通過對電源系統主回路以及冗余回路的實時監測，使得車輛在電源系統任一回路發生故障時能夠繼續安全行駛，或有足夠安全時間停車檢修[4]。因此，為商用車配備冗余電源系統以提高整車電源系統可靠性、安全性，并實現商用車的智能化、電氣化是商用車電源系統未來的發展趨勢。然而目前冗余電源系統存在結構復雜、成本高，以及增加車輛電氣系統復雜度等問題[5]，故本文介紹一種基于緊急電源開關的商用車冗余電源系統，其使用緊急電源開關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復雜度，同時將其接入整車診斷網絡，可以提高故障診斷效率。

2? 基于緊急電源開關的商用車冗余電源系統組成

基于緊急電源開關的商用車冗余電源系統通過一個接入整車電源系統的緊急電源開關（Emergency Switch，ES）實現對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網絡的信息交互實現對于整車電源系統的實時在線監測，其系統組成如圖1所示。

該系統由緊急電源開關、主供配電回路、冗余供配電回路和發電機組成。主供配電回路包括自動駕駛控制單元、整車控制器、主蓄電池、主監測單元、DC/DC變換器和若干主負載支路、CAN通信單元以及LIN通信單元。冗余供配電回路包括冗余監測單元、冗余蓄電池、若干冗余負載支路以及LIN通信單元。主供配電回路與發電機相連，冗余供配電回路通過緊急電源開關與發電機相連，同時主供配電回路與冗余供配電回路通過緊急電源開關相連。

2.1? 冗余電源系統工作原理

冗余電源系統工作原理分為4步，如圖2所示。

1）若發電機不工作，ES斷開，由主蓄電池以及冗余蓄電池分別為相應回路負載進行供電。

2）若發電機工作，ES接通，主供配電回路以及冗余供配電回路上的負載由發電機供電，同時發電機為主蓄電池以及冗余蓄電池進行充電。

3）當ES接通時，ES通過整車CAN網絡、LIN網絡與整車各控制器、蓄電池監測單元交互整車狀態以及蓄電池狀態等信息，并監測冗余電源系統各回路狀態。若判斷回路出現故障，則通過ES立即斷開故障回路隔絕故障，保證車輛繼續安全運行。

4）在ES斷開故障回路隔絕故障后，主供配電回路負載由發電機以及主蓄電池供電，冗余供配電回路負載由冗余蓄電池供電。當故障排除后，ES重新接通，各回路負載由發電機供電，同時發電機為主蓄電池以及冗余蓄電池進行充電。

2.2? 緊急電源開關組成及工作原理

ES在冗余電源系統中起到關鍵作用，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，同時也起到隔離故障、控制供配電回路通斷的作用。ES由2個MOS管開關、ES預充電支路以及ES控制器等部分組成。ES主支路通過MOS管開關Q1、Q2與主回路以及冗余回路相連，ES預充電支路與ES主支路并聯，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異常，則通過ES控制器控制Q1或Q2斷開相應回路;當故障排除后，通過ES控制器控制ES預充電支路消除Q1以及Q2兩側壓差，防止因兩側壓差過大對電源系統造成破壞。

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管開關的狀態、恢復接通狀態、故障診斷、數據采樣等信息，以及整車自動駕駛狀態、蓄電池狀態、發動機轉速、發電機輸出端電壓等信息，其中蓄電池狀態包括蓄電池正極電壓、輸出電流、蓄電池溫度、荷電狀態和健康狀態等信息。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線發送給智能駕駛控制器ADU，再轉發給ES控制器。通過上述信息交換，能夠實現ES對于整車電源系統狀態以及整車狀態的在線實時監測，使得本系統能夠快速發現整車電源系統中出現的問題，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? 冗余電源系統架構及工作過程

2.3.1? 冗余電源系統架構

由于緊急電源開關以及冗余電源支路的加入，整車電源系統架構需要發生相應更改，作為各電源模塊與其它負載的連接媒介，熔斷絲與線束也要做出調整，如圖5所示。

2.3.2? 冗余電源系統工作過程

如果車輛啟動后，冗余蓄電池總開關未閉合，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斷開，在ADU獲取到冗余監測單元異常信號后，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ES斷開相應回路以隔絕故障，并且車輛不能進入到智能駕駛模式。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斷開，則ES斷開相應回路以隔絕故障的同時，電源系統中另一供配電回路應支持車輛平穩自動退出智能駕駛模式，同時通過CAN線向整車控制器以及駕駛員反饋故障狀態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的同時，冗余電源系統會根據電源系統中故障發生點以及故障原因不同，采取不同的處理策略。車輛電源系統故障形式為以下3種。

1）主供配電回路故障分別導致ES欠壓或過壓保護。

2）冗余供配電回路故障導致ES欠壓或過壓保護。

3）ES自身過流（但不欠壓）或過溫保護。

2.3.3? 不同處理策略

冗余電源系統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故障，則ES斷開相應回路，剩余回路繼續支持車輛運行，待回路故障排除后，ES接通相應回路。

2）若ES自身出現故障，則斷開兩側回路，主供配電回路以及冗余供配電回路各自由主蓄電池、發電機以及冗余蓄電池供電，待ES恢復后再接通兩側回路。

3）在車輛處于智能駕駛控制模式且失效發生后，若問題不嚴重且處于可控范圍內，則應在車輛進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后，使得ES重新自動接通，實現失效恢復，使整車能夠繼續正常行駛。

3? 結束語

基于緊急電源開關的商用車冗余電源系統，通過緊急電源開關對電源系統供配電回路進行控制，并將其接入整車診斷網絡，使其對于故障反應速度更快，故障隔離效果更好。針對電源系統不同失效形式制定了不同處理策略，提高了電源系統安全性以及可靠性，同時減少了控制器數量，降低了成本以及電源系統復雜度，為商用車冗余電源系統設計與發展提供了一種新思路。

參考文獻：

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

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

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

（編輯? 楊凱麟）

收稿日期：2023-10-11