劉小晨

（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

傳統(tǒng)車輛上的電源分配基本上是蓄電池和發(fā)電機(jī)供電，經(jīng)由熔斷絲盒進(jìn)行電源分配。但是隨著車輛上越來越多的用電設(shè)備和電控單元的應(yīng)用，對它們的供電策略的管理規(guī)劃也需要從普通的電源供應(yīng)進(jìn)一步升級到網(wǎng)絡(luò)化、智能化供電。

智能化電源供應(yīng)系統(tǒng)就是利用信息通信技術(shù)對電源供應(yīng)、分配、輸電網(wǎng)絡(luò)、用電設(shè)備各個節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并且根據(jù)監(jiān)控的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和判斷，優(yōu)化供電策略、保障供電安全并節(jié)省能源。供電系統(tǒng)的智能化是電子技術(shù)和系統(tǒng)控制智能化網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的產(chǎn)物：傳統(tǒng)的繼電器逐漸被電子模塊取代，智能傳感器［1］和智能執(zhí)行器的應(yīng)用也越來越多；汽車總線從CAN、LIN總線飛速發(fā)展到MOST網(wǎng)、以太網(wǎng)，這些新技術(shù)的飛速發(fā)展推動車輛電子系統(tǒng)邁向智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

除純電動車外，大部分車輛的供電系統(tǒng)都由蓄電池和發(fā)電機(jī)組成。由于車輛上各種電子電器設(shè)備的增加，用電需求加大，對蓄電池和發(fā)電機(jī)也是不小的挑戰(zhàn)，大容量的蓄電池和發(fā)電機(jī)意味著要技術(shù)創(chuàng)新、成本增加。因此需要智能化管理方式對發(fā)電機(jī)進(jìn)行智能控制、提升發(fā)電效率，對蓄電池的充放電進(jìn)行合理的優(yōu)化、降低過度充放電的風(fēng)險，并減少能量浪費(fèi)。

對于電流傳輸部分，目前大部分車輛仍采取傳統(tǒng)的開關(guān)+熔斷絲+繼電器這種“一電一回路”的供電方式。這種方式存在一些問題：①對導(dǎo)線本身由于老化、磨損以及改裝等原因出現(xiàn)的漏電等故障［2］，僅僅依靠熔斷絲閥值無法快速識別和保護(hù)，存在某些線路過熱甚至自燃但熔斷絲卻沒有及時熔斷的風(fēng)險；②為了降低成本，通常多個小電流用電設(shè)備經(jīng)常會共用一個熔斷絲，可能會出現(xiàn)某個設(shè)備故障導(dǎo)致熔斷絲熔斷，其他設(shè)備隨之無法工作的情況；③對于繼電器由于機(jī)械故障無法及時通斷的問題，缺乏及時檢測和處理手段；④大電流會對信號電造成電磁干擾，尤其是混動和純電動車輛的高壓電，線束內(nèi)部的電流波動可能會影響各種控制模塊的控制和通信。

1 車載智能電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

車載智能電網(wǎng)由智能電源管理系統(tǒng)和供電網(wǎng)絡(luò)組成。智能電源管理系統(tǒng)主要是對發(fā)電機(jī)和蓄電池進(jìn)行動態(tài)管理，以求實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化控制。供電網(wǎng)絡(luò)管理則是在對整車用電設(shè)備供電的同時，對供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、故障診斷來保證用電安全。

整車用電設(shè)備可以根據(jù)用電特性的不同分成兩類：一類稱之為功率電，另一類稱為信號電。功率電一般是大功率負(fù)載，對電壓穩(wěn)定性要求較低，其中感性負(fù)載的電流波動較大，會形成一定的電磁干擾；信號電的電流很小，對電壓穩(wěn)定性要求高，容易受到電磁干擾，一般是控制器和控制電路［3］。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在整車上的控制模塊一般同時囊括功率電和信號電，因此供電線束通常是伴隨在一起的，在控制單元內(nèi)部區(qū)分，如圖1所示。此供電結(jié)構(gòu)中功率電和信號電無法完全分開，大電流的波動會對信號產(chǎn)生干擾。

圖1 傳統(tǒng)車輛供電結(jié)構(gòu)示意

本文討論的車輛智能供電網(wǎng)絡(luò)可以對功率電和信號電分開獨(dú)立供電。如圖2所示，蓄電池和發(fā)電機(jī)輸出電能，通過智能熔斷絲盒對設(shè)備分類供電和區(qū)別管理。ECU擁有獨(dú)立的電源和搭鐵，可以有效降低大電流波動和其他的電磁干擾對其的影響，提高信號的準(zhǔn)確性和通信的可靠性。

圖2 理想的智能供電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

在實(shí)際車輛上，ECU可以在設(shè)計時把電源和信號分開，但是由于受到成本和車輛內(nèi)部空間限制，線束是無法把功率電和信號電分開布置的。因此對于智能電網(wǎng)的整體管理，是需要里面的供電熔斷絲盒和ECU共同管理控制的。

1.1 功率電網(wǎng)的特性

功率電的管理主要在熔斷絲盒以及ECU內(nèi)部的一級繼電器和二級繼電器來實(shí)現(xiàn)。對用電器進(jìn)行分類，對每一類進(jìn)行分區(qū)管理，如圖3所示 ，既可以由繼電器單獨(dú)控制一個用電設(shè)備，也可以由兩級繼電器分區(qū)控制多個用電設(shè)備，例如圖3中的Relay2，對Relay2a和Relay2b進(jìn)行統(tǒng)一供電管理，并利用Relay2a和Relay2b對各用電設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)控制。

圖3 目標(biāo)的智能供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

通過圖3，可以看出功率電網(wǎng)的主要特性如下。

1）可以對全車用電設(shè)備進(jìn)行分類，每一類可以設(shè)置不同的供電區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計需求，例如所有安全相關(guān)的設(shè)置在同一區(qū)域。供電結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計，靈活多變，可塑性強(qiáng)。

2）在熔斷絲盒與ECU內(nèi)部，可以設(shè)置不同級別的智能繼電器 （例如mos管）替代傳統(tǒng)的機(jī)械繼電器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能供電，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯，簡化線束，降低風(fēng)險。

3）每個用電器單獨(dú)供電，避免了傳統(tǒng)熔斷絲和繼電器連接多路用電設(shè)備的情況，降低了電器之間的干擾。

4）在熔斷絲盒和模塊的供電端可以實(shí)時監(jiān)測每個供電網(wǎng)絡(luò)分支下游線束、開關(guān)和用電器的工作狀態(tài)，可以進(jìn)行過流、過熱保護(hù)，必要時還可以對供電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷。

1.2 信號電網(wǎng)的特性

信號電網(wǎng)主要用于信號的傳輸，它需要給所有的ECU模塊、網(wǎng)關(guān)、傳感器供電，并且還需要給各級智能繼電器供電。圖3中虛線部分即為信號電網(wǎng)絡(luò)，它的主要特性有：①需要電壓穩(wěn)定、電流平穩(wěn)的電源輸出；②所有信號線需要獨(dú)立的搭鐵，與電源搭鐵隔離，以避免受到大波動的電流干擾，提高ECU和傳感器的可靠性；③可以對ECU等的信號進(jìn)行分區(qū)供電，可以按照重要性分為行駛信號區(qū)、安全信號區(qū)、娛樂信號區(qū)等；④可以監(jiān)控整個信號電的供電網(wǎng)絡(luò)，并對ECU等實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)，并對電網(wǎng)實(shí)時故障診斷；⑤可以將信號電按照常通信號電和可控信號電進(jìn)行分類供電，可以在滿足ECU的基本需求的同時降低整車的靜態(tài)電流。

2 供電系統(tǒng)的智能化管理

供電系統(tǒng)由蓄電池和發(fā)電機(jī)組成，負(fù)責(zé)穩(wěn)壓的DC／DC轉(zhuǎn)換器也可以包含在內(nèi)。智能供電系統(tǒng)可以為整車用電設(shè)備提供穩(wěn)定的直流電壓，延長用電器的使用壽命；可以實(shí)時監(jiān)控蓄電池的智能化工作狀態(tài)，分析參數(shù)進(jìn)而對其實(shí)現(xiàn)充放電的優(yōu)化管理，延長蓄電池的使用壽命；可以通過EMS對發(fā)電機(jī)進(jìn)行智能化控制，優(yōu)化蓄電池的充放電管理，并且實(shí)現(xiàn)制動能量回收、降低油耗和排放。供電系統(tǒng)的智能化管理主要是蓄電池的實(shí)時管理和發(fā)電機(jī)的動態(tài)管理。智能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示［3］。

圖4 智能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 中，B是蓄電池，G是發(fā)電機(jī)，S為蓄電池傳感器，EMS是發(fā)動機(jī)控制模塊。蓄電池傳感器提供蓄電池端電壓uB、工作電流iB以及溫度TB給EMS。EMS結(jié)合車輛運(yùn)行信息mV，經(jīng)過分析判斷輸出蓄電池狀態(tài)提示信息M給其他設(shè)備（如儀表）；并且輸出PWM信號給發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器，將準(zhǔn)確的用電信息告知發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流來控制其輸出電壓UG。UG與蓄電池UB的電壓差決定了蓄電池的充放電狀態(tài)，同時也決定了由蓄電池還是由發(fā)電機(jī)向熔斷絲盒供電。

2.1 蓄電池的智能化管理

低壓電源管理系統(tǒng)可以檢測蓄電池和發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，主動進(jìn)行充放電管理和保護(hù)，延長蓄電池和用電器的使用壽命，并且提高發(fā)電機(jī)的工作效率 （即發(fā)電機(jī)在蓄電池充滿后不發(fā)電，可以降低油耗，節(jié)油比例約為2%～4%）。

目前的整車電源管理系統(tǒng)主要基于蓄電池狀態(tài) （SOC、SOF、SOH）分析判斷并實(shí)現(xiàn)管理，其中SOC值的精度越高，整車電源管理系統(tǒng)的精度和有效性越高。蓄電池SOC的精度與蓄電池溫度、充放電電流、電壓值和SOC的算法有關(guān)［4］。蓄電池溫度、電流和電壓的數(shù)值與傳感器的采樣頻率和精度密切相關(guān)，所以需要在SOC算法上對其進(jìn)行合理處理和補(bǔ)償，這就需要建立模型，并且仿真、測試，對算法一次次優(yōu)化。

對于鉛酸蓄電池的電流電壓和溫度監(jiān)控，目前的通用做法是在蓄電池負(fù)極樁頭上安裝傳感器，EMS或者單獨(dú)的蓄電池管理單元收到傳感器測得的數(shù)值，分析蓄電池的工作狀態(tài)，計算出蓄電池的SOC、SOF、SOH。

2.2 發(fā)電機(jī)的智能管理

蓄電池的智能管理和整車能量優(yōu)化管理都是由發(fā)電機(jī)的智能管理來實(shí)現(xiàn)的［5］。當(dāng)前的主流發(fā)電機(jī)都是勵磁式，對其的勵磁控制是通過調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)器主要用于穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出電壓。智能發(fā)電機(jī)不僅需要能夠輸出穩(wěn)定的電壓，能夠根據(jù)蓄電池狀態(tài)進(jìn)行電壓的自動調(diào)節(jié) （如能量回收時輸出高電壓、動力要求高時輸出低電壓等要求），還必須實(shí)現(xiàn)輸出電壓可調(diào)可控；還必須能夠在蓄電池電量飽和時，自動斷開發(fā)電機(jī)的勵磁回路，使發(fā)電機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)不發(fā)電。這些要求都可以通過勵磁智能控制調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)。

智能發(fā)電機(jī)的智能調(diào)節(jié)器可以與EMS通信。調(diào)節(jié)器經(jīng)由LIN總線接收EMS輸出的PWM信號，分析判斷車輛運(yùn)行狀態(tài)和蓄電池電量狀態(tài)，調(diào)節(jié)磁場電流的占空比，控制發(fā)電機(jī)的勵磁電流大小，從而控制其輸出電壓，保證蓄電池在飽和狀態(tài)時 （SOC值高時），能夠切斷發(fā)電機(jī)電流出入，防止蓄電池充電過飽和，對蓄電池壽命造成影響，也減少能量浪費(fèi)。發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器的電路原理見圖5。

圖5 發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)器電路原理圖

調(diào)節(jié)器要控制勵磁回路的供電，首先需要對接收到的蓄電池電壓 （稱之為反饋電壓）與內(nèi)部設(shè)置的參考電壓進(jìn)行比較，如果反饋電壓高于參考電壓，調(diào)節(jié)器斷開勵磁回路，勵磁電流下降，發(fā)電機(jī)輸出電壓降低，反饋電壓隨之下降；當(dāng)反饋電壓低于參考電壓時，調(diào)節(jié)器重新導(dǎo)通勵磁回路，勵磁電流增大，反饋電壓和輸出電壓又增大。如此反復(fù)斷開和導(dǎo)通勵磁回路，使得發(fā)電機(jī)輸出電壓總是穩(wěn)定在參考電壓附近進(jìn)行小幅波動，起到控制發(fā)電機(jī)電壓的作用。

發(fā)電機(jī)輸出電壓波動的抑制是采用PWM脈寬調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)的。調(diào)節(jié)器通過改變信號的占空比增量實(shí)現(xiàn)勵磁電路的通斷控制，這樣可以緩和發(fā)電機(jī)的輸出，有效降低發(fā)電機(jī)的輸出電壓波動，減少發(fā)電機(jī)輸出電壓受發(fā)動機(jī)載荷突變導(dǎo)致的沖擊。

3 車載電網(wǎng)的智能化管理

車載智能電網(wǎng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于對用電器進(jìn)行供電架構(gòu)規(guī)劃。對用電器劃分為不同區(qū)域，分區(qū)供電。根據(jù)車內(nèi)用電器負(fù)載電流的不同可分為3種類型：穩(wěn)態(tài)電流、脈沖電流和浪涌電流，不同的電流屬性特點(diǎn)需要匹配不同的線束和熔斷絲。根據(jù)負(fù)載的安全等級，可以分為安全系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、娛樂／信息系統(tǒng)等。考慮到用電器的特性和分區(qū)原則，電網(wǎng)架構(gòu)也大相徑庭。

本文中電器分區(qū)主要基于車輛用電器工作特點(diǎn)和線束最優(yōu)的原則，要求如下。

1）按照車內(nèi)不同的功能系統(tǒng)分區(qū)，見表1。

表1 車內(nèi)用電器分區(qū)

2）整車電量平衡原則：整車電量平衡包括發(fā)動機(jī)靜止時的能量平衡、發(fā)動機(jī)運(yùn)行時的能量平衡、整車電網(wǎng)的瞬時穩(wěn)定性。為保證整車電量平衡，根據(jù)車內(nèi)用電器使用要求的不同，需要定義不同的電源接通狀態(tài)，即電源屬性。典型的電源屬性包括：KL30——蓄電池直接輸出電源；KL15——信號電、用于喚醒控制器；KL50——啟動電源，起動機(jī)內(nèi)部線圈供電；KL75——附件電源、空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)等；KL87——發(fā)動機(jī)相關(guān)零件的功率電。

3）線束最優(yōu)：根據(jù)每個分區(qū)的用電器電流復(fù)合測算，合理選用電線電纜的線徑，進(jìn)而選擇合適的熔斷絲和繼電器；分區(qū)時需確保每個區(qū)內(nèi)用電器的最大總工作電流在導(dǎo)線和熔斷絲的承載范圍內(nèi)；為減少線束長度，應(yīng)使同一分區(qū)內(nèi)的用電器位置相近。

4）熔斷絲的功能組合原則：發(fā)動機(jī)艙負(fù)載的熔斷絲布置在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的熔斷絲盒中，乘客艙負(fù)載的熔斷絲布置在乘客艙的熔斷絲盒中；大電流負(fù)載和安全等級高的負(fù)載需要單獨(dú)熔斷絲；小電流負(fù)載和特殊負(fù)載可以組合使用熔斷絲；考慮負(fù)載工作特點(diǎn) （長期、短期、瞬時）可合并，開關(guān)類負(fù)載熔斷絲可共用，響應(yīng)類負(fù)載熔斷絲可共用，處理類負(fù)載熔斷絲可共用；感性負(fù)載不能和控制器、傳感器合并。

5）搭鐵原則：為降低電壓降盡量采取就近搭鐵；功率電與信號電分開搭鐵；數(shù)字信號與模擬信號分開搭鐵；氣囊／ABS等安全件單獨(dú)搭鐵，音響等敏感元件單獨(dú)搭鐵。

3.1 功率電網(wǎng)的管理

功率電網(wǎng)的智能化管理以熔斷絲過電流值為核心，對整車的功率電進(jìn)行分層逐級保護(hù)。功率電網(wǎng)的智能管理有如下特點(diǎn)。

1）對整個功率電網(wǎng)全方位覆蓋，無論處于任何分區(qū)、層級的任何用電器發(fā)生故障，都能進(jìn)行保護(hù)。

2）能夠分級多層保護(hù)，即使底層的保護(hù)失效，可以及時觸發(fā)上一層級迅速反應(yīng)。

3）可以防止保護(hù)誤觸發(fā)。有些用電器的瞬時峰值電流過大，可以在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)容忍值，只有監(jiān)測電流值超過預(yù)設(shè)值時，進(jìn)行斷電保護(hù)，在預(yù)設(shè)時間內(nèi)自動恢復(fù)供電，并檢測故障是否已經(jīng)消除，消除則繼續(xù)供電，反之繼續(xù)保護(hù)。為防止大電流設(shè)備頻繁通斷帶來的沖擊，也可設(shè)定監(jiān)測次數(shù)，超過預(yù)設(shè)次數(shù)直接斷電，此時需要人工排查故障，手動恢復(fù)供電。

3.2 信號電網(wǎng)的管理

與功率電網(wǎng)一樣，信號電網(wǎng)也可進(jìn)行全面分級、多層保護(hù)，并且防止誤觸發(fā)保護(hù)，這里不再贅述。信號電網(wǎng)的特點(diǎn)如下。

1）信號電網(wǎng)可以單獨(dú)設(shè)置穩(wěn)定的電源，或類似DC／DC的穩(wěn)壓設(shè)備，避免功率電的過度消耗引起蓄電池饋電影響到信號電網(wǎng)的可靠性。

2）信號電網(wǎng)對整車控制器、傳感器等信號電單獨(dú)規(guī)劃電源和搭鐵，避開了功率電的干擾，提高信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高車載智能電網(wǎng)的可靠性。

3）信號電網(wǎng)可以把常通控制器和短時工作控制器分別供電管理，能夠降低整車的靜態(tài)電流。

4 電量平衡試驗(yàn)

不同級別的汽車，蓄電池和發(fā)電機(jī)參數(shù)不同、整車用電器數(shù)總功率和使用頻度以及分布位置也不相同，在滿足整車電量平衡的前提下，車載智能電網(wǎng)的分區(qū)和層級設(shè)計也隨之變化。整車電量平衡體現(xiàn)了發(fā)電機(jī)、蓄電池與用電需求之前的匹配關(guān)系，貫穿在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，需要有合適的驗(yàn)證方法［6］。電平衡試驗(yàn)需要整體考慮車輛行駛工況、試驗(yàn)環(huán)境溫度和整車負(fù)載工作狀態(tài)［7］，滿足在極端工況下整車用電器的電量需求，同時保證蓄電池滿足車輛冷起動和自身循環(huán)壽命要求。

下面著重介紹整車動態(tài)電量平衡試驗(yàn)，以ECE15工況為例，根據(jù)ECE15熱環(huán)境負(fù)載要求，測試進(jìn)行5 min怠速+10個ECE循環(huán)，總計37 min；測試初始蓄電池SOC為80%，要求結(jié)束后SOC不低于80%，測試的工況模擬循環(huán)結(jié)果見圖6。

對測試數(shù)值進(jìn)行電量平衡數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出結(jié)果見表2，其中蓄電池充電為負(fù)，放電為正。

表2 電量平衡數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

圖6 ECE 15的測試曲線

對數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理之后可以看出，蓄電池實(shí)測剩余容量比試驗(yàn)前增加0.58 A.h，見表3。與試驗(yàn)中記錄充放電數(shù)據(jù)基本相符，試驗(yàn)后蓄電池SOC大于80%，滿足要求。

5 小結(jié)

車載智能電網(wǎng)，對整車用電器的電源和信號進(jìn)行單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)化供電，實(shí)現(xiàn)了整車的發(fā)電、配電和用電的智能監(jiān)測與管理，同時從整個結(jié)構(gòu)層面實(shí)現(xiàn)了蓄電池的智能充放電管理、制動能量回收，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整車電平衡。功率電網(wǎng)和信號電網(wǎng)相對獨(dú)立，有效降低大電流對信號的影響，提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性；電網(wǎng)的分級管理，可以實(shí)現(xiàn)多級綜合的故障診斷及保護(hù)，解決了用電安全問題。