孫 競，周純澤，章毅青

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208）

整車市場預計在2021年后將會逐步推出滿足L3及更高等級的乘用車產(chǎn)品。同時，伴隨著目前電動化的趨勢，后期的整車電源系統(tǒng)也將分別基于12 V、48 V、350 V電壓等級完善針對智能駕駛的需求。相較于傳統(tǒng)的整車電源系統(tǒng)架構(gòu)，為了滿足大部分與智能駕駛相關模塊較高的功能安全等級需求，L3及以上等級所適配的電源系統(tǒng)，需要具備冗余的供電節(jié)點，并通過診斷、控制其在故障時的供電通道切換，以消除傳統(tǒng)整車電源系統(tǒng)中的單點失效情況。

1 L0無自動駕駛功能車型電源系統(tǒng)架構(gòu)簡介

整車電源系統(tǒng)根據(jù)目前的主功率蓄電池電壓等級主要可以分為傳統(tǒng)燃油車12 V等級系統(tǒng)、微混車型的48 V等級系統(tǒng)、混動／純電動車型的350 V等級系統(tǒng)。

傳統(tǒng)燃油車12 V等級系統(tǒng)的供電架構(gòu)如圖1所示，其中由12 V蓄電池和12 V發(fā)電機通過旁路開關為整車電子模塊供電，當起動機工作時，由DC／DC模塊將跌落的電源升壓至穩(wěn)定的12 V為后級負載提供輸出。

圖1 傳統(tǒng)12 V供電拓撲

圖2 傳統(tǒng)48 V供電拓撲

微混48 V車型的整車供電架構(gòu)如圖2所示，其中由48 V蓄電池、48 V發(fā)電機作為常態(tài)工作下的主電源，通過一個48 V轉(zhuǎn)12 V的DC／DC模塊為后級整車電子模塊提供電源，并為12 V蓄電池進行充電維護。

混動／純電350 V電壓等級車型的整車供電架構(gòu)如圖3所示，其中由350 V蓄電池作為常態(tài)工作下的主電源，通過一個350 V轉(zhuǎn)12 V的DC／DC模塊為后級整車電子模塊提供電源，并為12 V蓄電池進行充電維護。

圖3 傳統(tǒng)350 V供電拓撲

以上3種架構(gòu)中的12 V蓄電池向后級負載輸出的節(jié)點均存在單點失效的工況。以48 V供電架構(gòu)為例，當圖2中的F1節(jié)點失效則后級BCM、ECM、EPS等電子模塊將失去KL30常電供電，隨之帶來的是整車多項功能失效。其中轉(zhuǎn)向助力、發(fā)動機控制、制動控制等功能的失控，嚴重的更是會對駕乘人員造成人身的傷害，車輛危險狀態(tài)對應分析的車輛安全完整性等級ASIL見表1。

表1 功能安全分析［1］

通過功能安全分析評估，在2級及以上自動駕駛模式Hands Off狀態(tài)下，當車輛電源出現(xiàn)故障導致車輛駕駛安全負載和自動駕駛負載無法工作，需要有備用電源提醒駕駛員立即接管駕駛，并確保接管期間對相關負載的可靠供電，確保車輛駕駛安全。

2 整車冗余電源架構(gòu)簡介

智能駕駛L3及以上等級的車型，需要在駕駛員不介入整車控制的情況下保證車輛在內(nèi)部出現(xiàn)故障時其關鍵功能模塊能夠正常運行15 s以上，相應的整車供電系統(tǒng)同樣需要滿足以上的需求。為了提升適用于智能駕駛車型的電源系統(tǒng)功能安全等級，消除供電網(wǎng)絡的單點失效工況，需要在現(xiàn)有的電源架構(gòu)中添加一個冗余供電模塊作為備用節(jié)點，以滿足部分電子模塊的供電安全需求。

目前的車載電子模塊中對于冗余供電節(jié)點有所需求的主要分為兩類：一種如Right Front Lamp和Left Front lamp，需要為功能相同的2個模塊分配不同的獨立供電節(jié)點，以避免2個模塊同時失效的工況出現(xiàn)。另一種如ADAS傳感器模塊這類與智能駕駛強相關的零件，其本身的功能安全等級較高，其單個零件就需要2個獨立的供電節(jié)點作為冗余設計。

而隨著這些電子模塊逐漸適配各類新能源車型，新一代的整車供電架構(gòu)研究方向則開始向著電動化與智能化兼容的方向發(fā)展。其中主要包括能夠同時適配所有電壓等級的全平臺冗余電源架構(gòu)以及針對不同電壓等級單獨開發(fā)的獨立平臺冗余電源架構(gòu)。

2.1 全平臺冗余電源架構(gòu)

全平臺冗余電源架構(gòu)如圖4、圖5、圖6所示，其中冗余部分的供電網(wǎng)絡主要由一個備用的12 V蓄電池、一個包含開關穩(wěn)壓DC／DC和多級隔離開關 （S1、S2、S3）的備用電源模塊以及與智能駕駛相關或自身功能安全等級較高需要冗余供電的負載。該架構(gòu)能夠同時適配傳統(tǒng)12 V燃油車型、48 V微混車型、350 V混動／純電車型。而通過調(diào)整12 V備用蓄電池的容量則可延長整車供電節(jié)點發(fā)生故障到人為接入干預的允許時間，從而適配L3～L5不同等級的智能駕駛車型。

以48 V微混車型為例，當整車運行正常時，48 V架構(gòu)DC／DC為常規(guī)12 V網(wǎng)絡供電 （包括12 V蓄電池），備用電源模塊通過內(nèi)部Bypass通路 （S1閉合）由常規(guī)12 V蓄電池節(jié)點為冗余12 V網(wǎng)絡中的負載模塊供電，同時檢測備用12 V蓄電池SOC狀態(tài)，如其狀態(tài)低于閾值則通過閉合的S2、S3以及內(nèi)部的DC／DC為備用12V蓄電池進行充電維護。如圖7所示。

圖4 12 V冗余供電拓撲 （全平臺）

圖5 48 V冗余供電拓撲 （全平臺）

圖6 350 V冗余供電拓撲 （全平臺）

圖7 48 V冗余供電拓撲運行工況1

在備用12 V蓄電池檢測電路判定其SOC狀態(tài)達到規(guī)定閾值的情況下，當整車進入智能駕駛模式時，備用供電模塊通過內(nèi)部常規(guī)12 V蓄電池的Bypass通路 （S1閉合）為冗余12 V網(wǎng)絡中的負載模塊供電，同時通過斷開的S2、S3保證備用12 V蓄電池與后級負載隔離，如圖8所示。

圖8 48 V冗余供電拓撲運行工況2

當常規(guī)12 V蓄電池輸出節(jié)點失效時，備用電源模塊內(nèi)部S1通路斷開，S2、S3通路閉合，由備用12 V蓄電池經(jīng)備用12V DC／DC為冗余12 V供電網(wǎng)絡中的負載供電，如圖9所示。

圖9 48 V冗余供電拓撲運行工況3

2.2 獨立平臺冗余電源架構(gòu)

獨立平臺冗余電源架構(gòu)相對于全平臺冗余電源架構(gòu)，除12 V傳統(tǒng)燃油車型外，針對48 V微混車型和350 V混動／純電車型獨立設計其冗余供電網(wǎng)絡架構(gòu)，如圖10、圖11所示。由于這兩種電壓等級的電源架構(gòu)本身會帶有2組蓄電池即48 V／350 V鋰電池和12 V蓄電池，其中可將48 V／350 V鋰電池作為備用供電網(wǎng)絡的供電節(jié)點。

圖10 48 V冗余供電拓撲 （獨立平臺）

圖11 350 V冗余供電拓撲 （獨立平臺）

當整車運行正常時，備用供電模塊通過內(nèi)部常規(guī)12 V蓄電池的Bypass通路 （S1閉合）為備用供電網(wǎng)絡的負載模塊供電；當常規(guī)12 V蓄電池輸出節(jié)點失效時，備用電源模塊內(nèi)部S1通路斷開，S2通路閉合，由48 V／350 V蓄電池經(jīng)備用48 V （350 V）轉(zhuǎn)12 V DC／DC為后級冗余12 V供電網(wǎng)絡中的負載供電，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)消除供電網(wǎng)絡單點失效的情況。

3 備用電源系統(tǒng)模塊功能簡介

3.1 全平臺備用電源系統(tǒng)模塊

全平臺備用電源模塊的內(nèi)部功能框圖如圖12所示。其內(nèi)部主要包括模塊控制系統(tǒng)電路、由功率MOSFET及其驅(qū)動電路組成的隔離開關、12 V雙向DC／DC電路和12 V備用蓄電池。其中MOSFET Q1、Q2組成的雙向隔離開關與控制系統(tǒng)電路中常規(guī)12 V節(jié)點監(jiān)控模塊的功能安全等級要求較高，該組合需要確實可靠地監(jiān)測常規(guī)12 V蓄電池的輸出電壓狀態(tài)，并在其供電節(jié)點實際失效時準確做出判斷，通過驅(qū)動電路迅速關斷Q1、Q2實現(xiàn)失效節(jié)點與后級冗余供電負載的安全隔離。當監(jiān)控電路檢測到12 V輸出供電節(jié)點由失效狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)時，則通過驅(qū)動電路在短時間內(nèi)導通Q1、Q2形成Bypass通路，恢復常規(guī)12 V蓄電池對后級冗余負載的供電。同時由備用12 V蓄電池檢測電路判斷其狀態(tài)，并通過驅(qū)動芯片控制防反開關MOSFET Q3、Q4由常規(guī)12 V蓄電池為其進行充電維護。由于各隔離開關采用半導體功率MOSFET，使其能夠?qū)崿F(xiàn)微秒級的開關控制，大大增加了車載備用供電模塊在智能駕駛模式下的響應速度。

圖12 備用電源模塊 （全平臺）

3.2 獨立平臺備用電源系統(tǒng)模塊

獨立平臺備用電源模塊的內(nèi)部功能框圖如圖13、圖14所示。作為48 V平臺和350 V平臺的針對性設計，備用供電模塊內(nèi)部取消了12 V備用蓄電池，而是通過防反開關MOSFET直接與48 V／350 V蓄電池連接，并在常規(guī)12 V蓄電池輸出節(jié)點失效時由48 V／350 V蓄電池通過Q3、Q4、DC／DC模塊直接為后級冗余負載供電，該DC／DC模塊由48 V （350 V）轉(zhuǎn)換至12 V，自身無需對外部蓄電池進行維護。

圖13 備用電源模塊 （48 V獨立平臺）

3.3 備用電源模塊對整車電子環(huán)境的影響

伴隨著備用電源模塊加入供電網(wǎng)絡，整車其余電子環(huán)境也會隨之做出相應改變。首先作為備用電源模塊與其他零件的連接媒介，整車的供電分布系統(tǒng)，即熔斷絲盒與線束也將作出相應的調(diào)整。同樣以EPS模塊為例，如圖15所示，EPS供電節(jié)點增加的同時，相應的線束節(jié)點和熔斷絲也會增加。

另一方面，乘客能夠通過儀表及指示燈得到智能駕駛工況下由于備用供電模塊運行帶來的交互信息，其對照列表見表2。具體的診斷信息也可通過Onstar等數(shù)據(jù)收集模塊上傳到云端，方便后臺定位故障車輛并對車主提供相應的援助。

4 智能駕駛適配冗余供電方案對比

全平臺冗余供電方案只需開發(fā)一款備用供電模塊，且內(nèi)部DC／DC為12 V等級，其功率元器件耐壓要求較低，硬件成本較有優(yōu)勢。但其獨立供電源需要在原本的電源架構(gòu)中新增一塊12 V的蓄電池，其對整車而言會增加一定的布置體積、質(zhì)量和成本。同時新增的蓄電池要求備用電源模塊內(nèi)部的DC／DC具備雙向升降壓的功能，即正常工況下實時監(jiān)控備用蓄電池狀態(tài)，由常規(guī)12 V蓄電池降壓后為備用12 V蓄電池充電；常規(guī)12 V供電節(jié)點失效后，由備用12 V蓄電池升壓后為冗余供電網(wǎng)絡中的負載模塊供電。該功能將增加模塊軟件的復雜度，同時對備用12 V蓄電池的維護提出了額外的要求。

獨立冗余供電方案在混動和純電的車型上借助原有的48 V／350 V蓄電池作為冗余供電網(wǎng)絡的備用電源，節(jié)省了額外電源的成本及整車布置體積、質(zhì)量。其備用供電模塊的內(nèi)部DC／DC在工作時只需處于單向降壓模式，即在常規(guī)12 V供電節(jié)點失效后由48 V／350 V蓄電池降壓后為冗余供電網(wǎng)絡的負載模塊供電。其功能實現(xiàn)較為簡單，且軟件和硬件能夠較大程度地復用常規(guī)供電網(wǎng)絡的48 V（350 V） 轉(zhuǎn)12 V DC／DC模塊的設計方案。但相對于全平臺冗余供電方案，其備用供電模塊內(nèi)部的DC／DC由于需要適配48 V和350 V的電壓等級，硬件成本相較12 V等級的DC／DC模塊及隔離開關模塊會有所增加。且滿足高壓350 V的隔離開關技術尚未成熟，迅速開關所導致的電壓應力、EMC等問題仍有待解決。而為了開發(fā)3種電壓等級的獨立備用供電模塊，該方案的前期開發(fā)投入也會較高。

圖14 備用電源模塊 （350 V獨立平臺）

圖15 EPS供電拓撲對比

5 結(jié)論

對于目前的市場而言，傳統(tǒng)12 V燃油車型、48 V微混車型、350 V混動／純電車型市場占比尚未明確。在這樣的環(huán)境下開發(fā)一款短期內(nèi)能夠同時適用于大多車型且滿足智能駕駛需求的冗余供電架構(gòu)，能夠以較小的前期投入迅速取得市場的先機。而隨著后期不同電壓等級智能駕駛車型市場的占比逐漸明朗，高壓隔離開關技術趨于成熟，半導體器件成本進一步降低，針對某一款主流電壓等級的智能駕駛車型重新開發(fā)一款獨立平臺的整車冗余供電架構(gòu)，則可有效降低成本以及整車布置體積和質(zhì)量。

表2 備用電源模塊交互信息

（編輯 楊 景）