汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)設計解析

趙 磊，林軍昌，邵云雷

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310000）

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子產(chǎn)品應用到汽車上，汽車從安全性、舒適性、娛樂性等各方面為用戶帶來了更優(yōu)質(zhì)的駕乘感受。但電子產(chǎn)品的增多及其性能的不穩(wěn)定性導致整車靜態(tài)電流越來越大，過大的靜態(tài)電流會快速地消耗掉整車蓄電池的能量，減少車輛的靜態(tài)停放時間，蓄電池作為車輛冷起動的唯一能量提供者，如果能量消耗過多則會導致車輛拋錨無法啟動。因此在汽車開發(fā)之初就應該把汽車靜態(tài)電流作為一個系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃。

目前國內(nèi)大部分上市車型設計周期過短，直接導致車輛前期設計周期壓縮，評審測試不充分，很多問題流到測試階段才能發(fā)現(xiàn)，甚至很多問題要到用戶手中才能暴露，經(jīng)常可以在各種媒體報道中發(fā)現(xiàn)某某品牌的車輛停放幾夜后，車主無法啟動車輛的問題。任何問題發(fā)現(xiàn)得越晚，整改成本就越大，嚴重者甚至有召回的風險。如何設計一個好的汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)直接關(guān)系到整個汽車品牌在消費者心目中的形象。

本文從設計開發(fā)的角度按照“V”字型理論，從整車級、系統(tǒng)級、部件級3個方面闡述如何在設計階段對汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)進行開發(fā)。

1 整車級汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)需求開發(fā)

用戶場景1：當用戶將車輛停在停車場鎖車后，車輛進入休眠階段，若干天后用戶來到車輛旁邊打算進入車內(nèi)或開啟行李廂時，在車主認證通過后，車輛應能監(jiān)測接收用戶指令并正確執(zhí)行，不應出現(xiàn)虧電拋錨等問題。

用戶場景2：當用戶將車輛停在停車場鎖車后，車輛進入休眠階段，若干天后用戶通過網(wǎng)絡遠程控制車輛時，在車主認證通過后，車輛應能監(jiān)測接收用戶指令并正確執(zhí)行，不應出現(xiàn)虧電拋錨等問題。

用戶場景3：當用戶將車輛停在停車場鎖車后，車輛進入休眠階段，車主因某些原因幾十天后打算操作車輛 （設計期限內(nèi)），車輛應能主動關(guān)閉一些不必要的耗電負載，在車主認證通過后，車輛應能監(jiān)測接收用戶指令并正確執(zhí)行，不應出現(xiàn)虧電拋錨等問題。

用戶場景4：當用戶將車輛停在停車場忘記鎖車、車門未關(guān)、外界干擾等情況時，車輛應能自動計時，計時期內(nèi)通過聲光提示車主，計時結(jié)束后將車輛問題通過網(wǎng)絡遠程通知車主，自動進入休眠階段，在車主下次認證通過后，車輛應能監(jiān)測接收用戶指令并正確執(zhí)行，不應出現(xiàn)虧電拋錨等問題。

參考行業(yè)內(nèi)通用設計要求，一般車輛最長休眠時間設定在45～60天。

2 系統(tǒng)級汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)功能設計

2.1 電源架構(gòu)設計

首先對整車的電源架構(gòu)進行設計，參考行業(yè)內(nèi)設計經(jīng)驗可以將整車電源分為5擋。

第1擋電源，為整車休眠后工作的用電設備供電，用U30表示。設計原則：①行車安全類用電設備，如發(fā)動機管理單元、變速器管理單元、車身穩(wěn)定系統(tǒng)、電源管理單元、AWD管理單元、車身管理單元、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)等；②遠程管理功能相關(guān)用電設備，如遠程管理單元等；③整車休眠后檢測用戶用車需求用電設備，如車身管理單元、指紋識別系統(tǒng)、電容門把手、鑰匙信號檢測系統(tǒng)、尾門腳踢檢測系統(tǒng)、防盜系統(tǒng)等；④報警記憶相關(guān)用電設備，如儀表、行車記錄儀等。

TIAP與PICC在乳腺癌化療中的應用…………………………馬鵬勛，馬琳娜，李潤明，王 超，薛 艷，李 艷，文 雙，張 蓉（59）

第2擋電源，為在發(fā)動機停機后整車休眠前工作的用電設備供電，用U31表示。設計原則：①提升用戶駕乘體驗的用電設備：影音娛樂系統(tǒng)、座椅系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、燈具控制系統(tǒng)等；②用戶常用操作電器設備：開關(guān)、門鎖、玻璃升降、天窗、電動后背門、電動伸縮踏板等。

第3擋電源，為在發(fā)動機啟動準備階段工作的用電設備供電，用UON表示。設計原則：①發(fā)動機啟動前必須工作的用電設備，如各類發(fā)動機信息收集傳感器、油泵等；②整車行駛過程才會用到不會影響客戶感知的功能，如安全氣囊、倒車雷達、自動泊車、全景影像、遠近光調(diào)節(jié)系統(tǒng)、自動駕駛系統(tǒng)等。

第4擋電源，為在發(fā)動機啟動瞬間停止工作的用電設備供電，用UACC表示。設計原則：減少整車大功率用電設備在啟動瞬間的電能分流，確保蓄電池的電能主要用來啟動發(fā)動機，提升整車的啟動能力，如鼓風機、前風擋加熱、刮水器、逆變器、備用電源等。

第5擋電源，為在發(fā)動機啟動瞬間工作的啟動機供電，用UCRACK表示。

通過對整車近百個用電設備進行梳理，在電源架構(gòu)設計階段盡可能減少U30下的用電設備，也就是休眠后仍在工作耗電的用電設備。圖1是5擋電源在整車不同狀態(tài)下的工作時序圖。

圖1 電源時序圖

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)架構(gòu) （圖2）應包含以下4部分。

1）電能提供設備，在發(fā)動機熄火后為整車提供電能，即蓄電池。

圖2 電源管理系統(tǒng)架構(gòu)

2）電源監(jiān)測設備，應能定時監(jiān)測蓄電池電壓、電量、充放電電流等，并實時傳輸給電能管理中心，即EBS。

3）電能管理中心，根據(jù)用戶指令控制整車5擋電源的通斷，并通過收集蓄電池傳感器的情報、用電設備工作狀態(tài)、整車電源擋位等，進行預警、休眠、喚醒等工作，一般為電源管理單元。

2.3 系統(tǒng)策略設計

在發(fā)動機工作階段，整車電能主要由發(fā)電機供應，同時為蓄電池補充電能。靜態(tài)電流管理系統(tǒng)主要考慮在發(fā)動機熄火后的工作情景。在此情景下，整車用電設備包括4個工作模式。

1）正常工作模式：整車電源處于UACC、UON，各用電設備根據(jù)電源擋位及用戶需求正常工作。蓄電池虧電預警：①發(fā)動機啟動狀態(tài)下，當監(jiān)測到蓄電池虧電時，應通過屏幕對用戶進行提示，通過加油來提升發(fā)電機發(fā)電量，同時主動關(guān)閉一些負載來降低整車用電量；②發(fā)動機熄火狀態(tài)，整車休眠前且監(jiān)測到用戶在車上時，當監(jiān)測到蓄電池虧電時，應發(fā)出聲光提示，告知用戶整車電量不足請及時充電，以及車輛最長停放時間。

2）休眠等待模式：整車電源處于U31一定時間，整車網(wǎng)絡活動靜止下來，最終達到整車網(wǎng)絡上沒有活動，用電設備開始進行休眠計時 （10min左右），該計時期間為休眠等待期，如果在計時期間沒有主動或被動喚醒請求，則U31斷電，用電設備進入休眠模式，否則用電設備執(zhí)行喚醒指令，結(jié)束后重新進行休眠計時。車輛未鎖預警：如果監(jiān)測到車輛未鎖，在休眠前應通過遠程APP向用戶進行預警。

3）淺度休眠模式：整車電源處于U30，用電設備沒有主動、被動喚醒請求時，所有使用U31的用電設備電源斷開，使用U30的用電設備進入淺度休眠模式，ECU功耗降低至低水平。在該模式下，用電設備除喚醒源檢測、芯片記憶等相關(guān)電路外其余功能全部停止工作，整車靜態(tài)電流降至20mA以內(nèi)。喚醒策略：①遠程喚醒，用戶可以通過手機APP等遠程連接車輛的遠程控制單元，并可以開啟一些用電設備或啟動車輛；②鑰匙喚醒，鑰匙在車輛檢測范圍內(nèi)被檢測認證通過，用戶通過鑰匙發(fā)出解鎖、開啟后背門、尋車、兒童安全鎖或尾門腳踢開啟、感應式門把手開門等功能需求時，車輛被喚醒；③硬線信號喚醒，當車身管理單元檢測到以下硬線信號時應該被喚醒：四門兩蓋狀態(tài)變化信號、左前門鎖狀態(tài)變化信號、電源擋位從OFF變?yōu)榉荗FF狀態(tài)、機械鑰匙變化信號、危險報警燈開關(guān)輸入信號、夜間照明開關(guān)信號、前照燈信號、喇叭信號等；④網(wǎng)絡喚醒，當檢測到CAN總線、LIN總線等網(wǎng)絡有被動請求時，相應的用電設備應該被喚醒。

4）深度休眠模式：在淺度休眠模式下，電源管理單元定期 （7days左右）監(jiān)測蓄電池電量，當電量低于某一設定值時，通過遠程APP告知用戶車輛進入深度休眠模式，同時通過網(wǎng)絡向U30的用電設備發(fā)送深度休眠指令，第1擋用電設備中的2、3、4項除鑰匙信號檢測系統(tǒng)外，全部進行電源關(guān)閉，整車靜態(tài)電流降至5mA以下，增長整車靜態(tài)停放時間，此狀態(tài)下僅接收鑰匙喚醒。

3 部件級汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)軟硬件設計

3.1 蓄電池設計

蓄電池容量并非越大越好，隨著容量的增大，蓄電池的成本和質(zhì)量都會增加，下面對蓄電池容量從選型方面進行介紹。

1）蓄電池作為整車發(fā)動機停機后的唯一電能來源，其初始出廠容量用C標稱表示。

2）蓄電池隨著使用時間的增加，蓄電池的儲能能力會逐步降低，一般使用設計壽命3年，在2年內(nèi)蓄電池老化損耗的電能上限，用C老化表示。

3）設計時間內(nèi)的整車發(fā)動機停機休眠前視聽娛樂設備、座椅調(diào)節(jié)、玻璃升降、四門開閉鎖、室內(nèi)室外燈具等的電能損耗，用C停機表示。

4）整車休眠30天的電能損耗和蓄電池自損耗，用C休眠表示。

5）蓄電池電量在滿足最小啟動電量的基礎(chǔ)上剩余的電量，用來衡量一輛車可以休眠停放的天數(shù)，用C剩余表示。

6）由于蓄電池具有隨著溫度的降低，啟動能力也會減弱的特性，汽車一般設計最低工作環(huán)境溫度為-30℃，故蓄電池啟動所需要的最低電能應為-30℃時的啟動所需最低電能，用C啟動表示，用公式表示即：

蓄電池容量分解如圖3所示。

圖3 蓄電池容量分解

通常C標稱從以下幾方面進行設計：①蓄電池的三包期一般為1年，在此期間內(nèi)C老化≤5%C標稱；②在整車宣傳時應正確引導消費者，在發(fā)動機熄火狀態(tài)，關(guān)閉大部分用電設備，減少C停機的損耗，一般C停機≤5%C標稱；③整車冷啟動能力：為保證蓄電池在-30℃可以正常啟動車輛，一般要求C啟動≈60%C標稱；④C休眠+C剩余就是整車最大的靜態(tài)停放時間，按休眠模式可以分為C淺+C深。

例：假設一輛汽車的淺度休眠靜態(tài)電流I淺靜=20mA，休眠時間為T1，消耗蓄電池容量占比X，深度休眠靜態(tài)電流為深靜=5mA，休眠時間為T2，蓄電池每天自損耗為1%，要求整車靜態(tài)停放時間為T=60天，則：

為兼顧車輛舒適性與實用性，從以上公式計算得出：當X為0.3時，C標稱為70Ah，淺度休眠時間為7天，深度休眠時間為52天，整車靜態(tài)停放最大時間為59天。

3.2 硬件設計

針對在電源U30下的用電設備，其硬件電路板設計時應重點進行不同芯片的電源模式分類，下面以某零部件的電路板為例，包含顯示驅(qū)動芯片、MCU主控芯片、電機驅(qū)動芯片、運放芯片、CAN收發(fā)芯片、供電芯片、觸摸按鍵驅(qū)動芯片。其中僅MCU主控芯片、CAN收發(fā)芯片、供電芯片提供U30，負責對網(wǎng)絡喚醒和硬線喚醒的信號進行監(jiān)測。

部件級硬件電源分配設計如圖4所示。

圖4 部件級硬件電源分配設計

3.3 軟件設計

針對在電源U30下的用電設備，應對整車休眠喚醒流程、判定條件、定時器設計結(jié)合前期的設計需求規(guī)范進行設計，避免出現(xiàn)誤執(zhí)行、死機等問題。下面簡介一種休眠喚醒控制策略：主要包括狀態(tài)檢測、喚醒狀態(tài)、等待狀態(tài)、休眠狀態(tài)和網(wǎng)絡故障。圖5為休眠喚醒狀態(tài)檢測機制，表1為休眠喚醒狀態(tài)說明表。

圖5 休眠喚醒狀態(tài)檢測機制

表1 休眠喚醒狀態(tài)說明表

4 總結(jié)

通過對汽車靜態(tài)電流管理系統(tǒng)整車級、系統(tǒng)級、部件級的設計解析并形成技術(shù)規(guī)范，才能設計出符合用戶需求的車輛。當然以上所有的策略設計都應該形成對應的在產(chǎn)品驗證階段可以被檢測的測試用例，才能保證后期設計出符合設計要求并且可被測試的讓用戶滿意的汽車。