叔大海 孫立柱 黃旭玲 葉平

摘 要：能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化在整車開發(fā)過程中作為一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對提升汽車性能至關(guān)重要。文章介紹了整車能量管理在整車廠的現(xiàn)狀、從技術(shù)水平優(yōu)化整車的能量管理系統(tǒng)來來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中各控制器的睡眠狀態(tài)以及預(yù)喚醒狀態(tài)，便于能量的合理分配，節(jié)省了部分控制器的喚醒時(shí)間。基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量管理優(yōu)化的功能，提高了信息傳輸?shù)乃俾?，具有可靠性、?shí)時(shí)性和靈活性?；贑L30s優(yōu)化能量管理系統(tǒng)，通過監(jiān)測CAN總線上所有控制器的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，整車是否滿足進(jìn)入睡眠、喚醒條件。提供了一種優(yōu)化能量分配的系統(tǒng)方法。

關(guān)鍵詞：能量管理;網(wǎng)絡(luò)管理;CAN

中圖分類號：U462 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）19-103-03

Research on the optimization system of vehicle energy management

Shu Dahai， Sun Lizhu， Huang Xuling， Ye Ping

（ Brilliance Automotive Engineering Research Institute， Liaoning Shenyang 110141 ）

Abstract： The optimization of energy management system is an important part of the vehicle development process and is essential for improving vehicle performance. This paper introduces the current situation of vehicle energy management in some domestic automakers， and optimizes the vehicle's energy management system from the technical level to monitor the sleep state and pre-awake state of each controller in the network， which facilitates the rational allocation of energy and saves The wake-up time of some controllers. Based on the CAN bus network management technology to achieve energy manage -ment optimization， the information transmission rate is improved， with reliability， real-time and flexibility. Based on the CL30s optimized energy management system， by monitoring the network management messages of all controllers on the CAN bus， whether the vehicle meets the requirements for entering sleep and wake-up. A systematic approach to optimizing energy distribution is provided.

Keywords： Energy management; Network management; CAN

CLC NO.： U462 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）19-103-03

前言

隨著汽車市場的發(fā)展需求，汽車的智能化需求，這會(huì)對整車能量管理系統(tǒng)要求越來越高，汽車的耗電情況及長時(shí)間的放置車輛仍可啟動(dòng)等性能要求更苛刻。為了能夠滿足客戶需求，整車廠在研發(fā)過程中會(huì)在整車上搭載更多的電子設(shè)備，以至于電氣相關(guān)控制器的種類不斷增多，功能和控制網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，整車電氣系統(tǒng)和控制網(wǎng)絡(luò)越來越復(fù)雜，隨之采用CAN（CONTROLLER AREA NETWORK）總線標(biāo)準(zhǔn)的車載網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛[1]。為了保證整車的性能和可靠性的前提下，需要在產(chǎn)品開發(fā)階段就對整車能量管理系統(tǒng)進(jìn)行更為合理的分配。

對于整車能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化，采用合理的電源分配。網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)作為核心技術(shù)使得整車所有控制器一同睡眠和喚醒，從而節(jié)省整車能量。如果點(diǎn)火開關(guān)處于關(guān)閉的狀態(tài)下，而此時(shí)控制器一直檢測到輸入信號，控制器需要時(shí)刻執(zhí)行相應(yīng)功能，持續(xù)有輸出信號，這將致使控制器不能發(fā)出睡眠信號，不能進(jìn)入睡眠模式，最終導(dǎo)致整車處于耗能狀態(tài)。

1 整車能量管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來，由于客戶需求的增加，越來越多的整車廠在整車上搭載更多的電子設(shè)備，開發(fā)時(shí)期設(shè)計(jì)的能量管理系統(tǒng)不夠完善導(dǎo)致整車處于耗電快的狀況。電源檔位在OFF、ACC以及Start間切換，某些整車廠不使用網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，只要接收到OFF信號，所有控制器均進(jìn)入睡眠模式。大多數(shù)整車廠會(huì)采用AUTO SAR（AUTOmotive Open System Architecture，汽車開放系統(tǒng)架構(gòu)）[2]和OSEK NM（open?systemsand?the corresp-onding?interfaces?for automotive electronics Network Management） [3]，網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制。

目前，汽車控制領(lǐng)域存在多種總線標(biāo)準(zhǔn)，且每種總線標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)重點(diǎn)有所不同。AUTOSAR是汽車制造商、零部件供應(yīng)商為汽車電子提出的開放式標(biāo)準(zhǔn)和架構(gòu)，以便應(yīng)用于不同的汽車和平臺(tái)，提高軟件復(fù)用性，降低開發(fā)成本。OSEK網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)應(yīng)用于嵌入式汽車通信網(wǎng)絡(luò)，管理網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中各個(gè)ECU之間的通信，提高網(wǎng)絡(luò)的通信效率。國內(nèi)的各大汽車廠商、科研院校也越來越關(guān)注AUTOSAR和OSEK帶來的標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)、開發(fā)、驗(yàn)證，從而大幅提高汽車電子的研發(fā)效率和研發(fā)質(zhì)量。

2 整車能量管理技術(shù)

通過網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)既可監(jiān)控總線上各控制器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，又可控制整車CAN總線網(wǎng)絡(luò)的睡眠和喚醒，從而實(shí)現(xiàn)整車節(jié)能的目的。一般情況下，如果點(diǎn)火開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，各控制器將會(huì)監(jiān)控總線所有輸入信號，在一定時(shí)間內(nèi)沒有檢測到任何輸入信號，相應(yīng)控制就達(dá)到睡眠條件，然后將睡眠請求發(fā)送到CAN總線，如果其他控制器同樣滿足相應(yīng)條件也會(huì)將睡眠請求發(fā)送到CAN總線，之后通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，整車即可進(jìn)入睡眠，從而節(jié)省整車能量的損耗。反之，如果進(jìn)入已經(jīng)睡眠的車輛，通過某種方式（例如使用遙控鑰匙對整車進(jìn)行解鎖）將相關(guān)控制器喚醒，通過網(wǎng)絡(luò)管理功能，其他控制器也將一起被喚醒，且將相關(guān)信號發(fā)送到CAN總線，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各控制器接收到喚醒提示。網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的關(guān)鍵在于使得整車所有控制器同時(shí)進(jìn)入睡眠模式和喚醒，以節(jié)省整車能量。

2.1 網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文格式

參與網(wǎng)絡(luò)管理的各控制器均被分配一個(gè)獨(dú)有報(bào)文ID，且由報(bào)文基地址和節(jié)點(diǎn)ID兩部分組成，網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文幀格式與標(biāo)準(zhǔn)CAN總線報(bào)文格式相同，數(shù)據(jù)長度均為8byte。基于OSEK_NM的CAN網(wǎng)絡(luò)中通常采用直接網(wǎng)絡(luò)管理，直接網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文類型包括Alive報(bào)文，Ring報(bào)文，Limp Home報(bào)文等。

AUTOSAR_NM報(bào)文為周期性發(fā)送的報(bào)文，并以廣播的方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上使得所有節(jié)點(diǎn)都可以接收到。為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信提供了一個(gè)可控的喚醒和關(guān)閉機(jī)制，進(jìn)而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步進(jìn)入睡眠狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)整車網(wǎng)絡(luò)協(xié)同睡眠，以便管理需要延時(shí)斷電的控制器。相對于OSEK網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制邏輯更簡單、高效，總線睡眠轉(zhuǎn)換更快，且具備總線負(fù)載控制功能。所以本文基于AUTOSAR_NM的網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整車能量管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究。

2.2 總線的睡眠與喚醒

電源檔位切換至OFF，某些控制器沒有網(wǎng)絡(luò)需求時(shí)，將停止發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，等待整個(gè)網(wǎng)絡(luò)均停止發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報(bào)文和應(yīng)用報(bào)文后，總線進(jìn)入睡眠狀態(tài)。一段時(shí)間（CL30s）掉電后整車進(jìn)入低功耗狀態(tài)，降低整車的靜態(tài)電流消耗，延長蓄電池使用壽命。AUTOSAR_NM睡眠喚醒狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖1所示。

電源檔位為OFF且總線處于睡眠狀態(tài)或整車在低功耗狀態(tài)下。某種喚醒源產(chǎn)生時(shí)，各控制器首先進(jìn)入初始化狀態(tài)，隨之進(jìn)入Repeat Message Status（重復(fù)發(fā)送報(bào)文狀態(tài)）。當(dāng)喚醒方式為內(nèi)部喚醒，遙控鑰匙上鎖解鎖或特殊的總線報(bào)文喚醒時(shí)，各控制器進(jìn)入Prepare Bus Sleep（預(yù)睡眠狀態(tài)）;當(dāng)通過切換電源檔位時(shí)各控制器進(jìn)入Normal（正常通訊狀態(tài)）。網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文的周期性發(fā)送確保了所有節(jié)點(diǎn)只要有網(wǎng)絡(luò)請求，即可保持網(wǎng)絡(luò)喚醒狀態(tài)。

2.3 整車靜態(tài)電流

車輛處于停車狀態(tài)下，整車控制器不往總線發(fā)送信號狀態(tài)且處于低功耗模式下，仍有一些控制器消耗蓄電池的電量。一旦靜態(tài)電流過大會(huì)影響車輛停放的時(shí)長，甚至?xí)?dǎo)致車輛無法啟動(dòng)，因此整車進(jìn)入低功耗模式后，靜態(tài)電流需要精確地測量和計(jì)算，且各零部件需要滿足靜態(tài)電流的分級，滿足車輛的日常消耗。長時(shí)間放置的車輛能夠再次啟動(dòng)，要求整車靜態(tài)電流過小，即整車的能量管理系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)地更為合理。

3 整車能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化

電源檔位在OFF、ACC以及Start間切換，某些整車廠不使用網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，只要接收到OFF信號，所有控制器均進(jìn)入睡眠模式。直接通過點(diǎn)火鑰匙位置控制電源檔位邏輯如圖2所示。其工作原理較為簡單，但各控制器的喚醒時(shí)間較長，給客戶帶來較差的體驗(yàn)。

另外一種優(yōu)化整車能量管理系統(tǒng)的方式是增加一種電源檔位機(jī)制CL30s，它是一個(gè)由網(wǎng)關(guān)繼電器吸合從而激活的硬件開關(guān)式電源檔位狀態(tài)，CL30s與點(diǎn)火開關(guān)無關(guān)，由控制器產(chǎn)生，如圖3所示。

通過ECU實(shí)現(xiàn)電源檔位邏輯的控制，電源檔位邏輯變化是通過依次改變鑰匙位置來實(shí)現(xiàn)的。在電源檔位改變?yōu)锳CC、ON或者Start之前，CL30s為零部件或者ECU的運(yùn)行提供一個(gè)主要的供電電壓值。整車進(jìn)入睡眠后的在一定時(shí)間內(nèi)，CL30s仍然需要為零部件提供一定的能量。從整車喚醒到電源檔位切換到OFF后的一定時(shí)間內(nèi)均供電。根據(jù)不同的需求，該電源可給控制器供電也可以直接給負(fù)載供電。

利用CL30s來監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中各控制器的睡眠狀態(tài)以及預(yù)喚醒狀態(tài)，便于能量的合理分配，節(jié)省了部分控制器的喚醒時(shí)間，控制邏輯簡單等優(yōu)點(diǎn)。如車輛在進(jìn)入徹底睡眠狀態(tài)后，通過打開司機(jī)側(cè)車門從而喚醒整車信號，可通過CL30s預(yù)先給動(dòng)力及多媒體啟動(dòng)的能量，提高控制器開啟時(shí)間，便于用戶的體驗(yàn)。

4 總結(jié)

整車中網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)既可監(jiān)控總線上各控制器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，又可控制整車CAN總線網(wǎng)絡(luò)的睡眠和喚醒，從而實(shí)現(xiàn)整車節(jié)能的目的。CL30s是一個(gè)由網(wǎng)關(guān)繼電器吸合從而激活的硬件開關(guān)式電源檔位狀態(tài)，在整車進(jìn)入睡眠后的一定時(shí)間內(nèi)，CL30s仍然需要為零部件提供一定的能量。利用一個(gè)控制器來控制電源檔位的輸出，節(jié)省了系統(tǒng)資源，控制邏輯簡單，易于控制。統(tǒng)一規(guī)劃電源檔位邏輯，有利于整車架構(gòu)設(shè)計(jì)，逃避繁瑣的定義，提高了工作效率，使整車的能量得到更合理的利用及分配。

參考文獻(xiàn)

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