【摘" 要】文章設(shè)計一種防止汽車虧電的電源管理系統(tǒng)，主要研究解決整車控制器異常耗電以及故障難以監(jiān)測等問題。該系統(tǒng)包括：根據(jù)使用場景與功能需求，將整車用電器分類并通過不同的磁保持繼電器連接車身控制器BCM，對繼電器及用電器狀態(tài)實時檢測，BCM根據(jù)用電器故障狀態(tài)及所屬類別，控制端高低電平切換，控制相應(yīng)磁保持繼電器斷開和閉合，控制蓄電池為相應(yīng)電器控制回路供電或切斷供電，復(fù)位或切斷用電器供電。同時，ECU通過網(wǎng)絡(luò)管理報文廣播用電器狀態(tài)及喚醒原因，并將用電器狀態(tài)及斷電標(biāo)志等信息轉(zhuǎn)發(fā)車載信息娛樂終端總成上傳云端，遠(yuǎn)程管理和控制汽車用電器，可以有效降低整車虧電及遠(yuǎn)程故障監(jiān)測問題。

【關(guān)鍵詞】電源管理;磁保持繼電器;遠(yuǎn)程故障監(jiān)測;電源分配;靜態(tài)電流;虧電

中圖分類號：U463.63" " 文獻標(biāo)識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）06-0062-03

Research on Automotive Static Power Management System

ZHOU Wenhua1，TANG Hai1，CAI Heng1，HE Jinglin1，LIU Kaifeng1，CHEN Fengxian2

（1.Chongqing Changan Automobile Co.，Ltd.，Chongqing 401120，China;2.CGW Co.，Ltd.，Ruian 325200）

【Abstract】This paper relates to a power management system to prevent car power loss. It mainly studies and solves the problems of abnormal power consumption of vehicle controllers and difficult monitoring of faults. The method includes： according to the usage scenarios and functional requirements，classify the electrical appliances for the whole vehicle and connect them to the body controller BCM through different magnetic retention relays，and detect the status of the relays and electrical appliances in real time. BCM switches the high and low levels of the control terminal according to the fault status and category of the electrical appliances. BCM controls the corresponding magnetic retention relays to open and close，controls the battery to supply or cut off the power supply to the control loop of the corresponding type of electrical appliances，and resets or cuts off the power supply of the electrical appliances. At the same time，ECU through the network management message broadcast electrical status and wake-up reasons，and the electrical status and power-off signs and other information forwarding vehicle infotainment end point assembly uploaded to the cloud，remote management and control of automotive electrical appliances，can effectively reduce vehicle power loss and remote fault monitoring problems.

【Key words】power management;magnetic hold relay;remote fault monitoring;power distribution;static current;power loss

作者簡介

周文華（1985—），男，副高級工程師，主要從事整車電器產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計工作。

汽車智能化、電氣化程度越來越高，用電設(shè)備也越來越多，給人們帶來了更智能舒適和高科技的駕乘體驗。但同時，這些快速增加的電氣化配置和應(yīng)用，引起整車虧電無法啟動的問題日益增加，造成車輛事故、用戶投訴、退車等問題。傳統(tǒng)電源管理，各電器控制器直接通過線束連接蓄電池兩端，控制器工作狀態(tài)的遷移主要依托自身網(wǎng)絡(luò)管理實現(xiàn)，用電器可任意消耗電量，當(dāng)一個控制器出現(xiàn)Bug，就會導(dǎo)致整車CAN網(wǎng)絡(luò)異常。比較典型的是，當(dāng)控制器的進程卡死、軟硬件Bug發(fā)生，會使整車CAN網(wǎng)絡(luò)不休眠，直接導(dǎo)致整車虧電。通常只要對控制器進行斷電復(fù)位，即可讓控制器的功能恢復(fù)正常，從而避免虧電問題的發(fā)生，為此，汽車熄火后的靜態(tài)電流用電管理尤為重要。

1" 防虧電電源管理設(shè)計思路

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)難題，創(chuàng)新采用一種智能電源管理方案，充當(dāng)整車電源的“用電哨兵”。在故障發(fā)生率較高的控制器的供電回路上增加斷電模塊，當(dāng)車輛停放期間，電源管理系統(tǒng)持續(xù)對整車狀態(tài)進行監(jiān)測，斷電模塊一直處于閉合狀態(tài)，當(dāng)整車網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，電源管理系統(tǒng)結(jié)合各控制器的網(wǎng)絡(luò)喚醒原因及喚醒先后順序?qū)收嫌秒娖鬟M行定位，并對故障控制器進行智能斷電復(fù)位，若復(fù)位后仍然無法恢復(fù)正常，則對故障控制器進行強制斷電處理，同時針對蓄電池電量處于啟動臨界點附近的車輛，優(yōu)化啟動電源控制邏輯，減小啟動電流，保證車輛能正常啟動。

2" 汽車電源管理控制裝置

2.1" 汽車靜態(tài)電源管理系統(tǒng)原理設(shè)計

本文所研究的汽車靜態(tài)電源管理系統(tǒng)，主要包括：車身控制器BCM、磁保持繼電器、網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點GW、微控制器ECU和車載信息娛樂終端總成THU。BCM的控制端在磁保持繼電器的控制端，分別輸入不同方向的脈沖電流實現(xiàn)狀態(tài)切換，控制蓄電池為第1類用電器和第2類用電器控制回路供電或切斷供電，并對繼電器及用電器狀態(tài)實時檢測。GW將狀態(tài)反饋至ECU，ECU通過網(wǎng)絡(luò)管理報文廣播用電器狀態(tài)及喚醒原因，并將狀態(tài)及斷電信號轉(zhuǎn)發(fā)給THU。THU將故障信息儲存在本地日志，BCM通過相應(yīng)磁保持繼電器對用電器執(zhí)行復(fù)位或切斷供電。

當(dāng)BCM檢測到用電器不休眠時間大于預(yù)定時長或異常喚醒時，BCM發(fā)出斷電請求標(biāo)志，THU通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送用電器狀態(tài)及斷電信號至云端，手機端通過云端對用電器下發(fā)復(fù)位指令。汽車靜態(tài)電源管理系統(tǒng)原理示意如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點GW與車身控制器BCM之間通過CAN總線下發(fā)繼電器指令，接收繼電器狀態(tài)反饋。GW與ECU之間通過CAN總線收發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控，GW與THU之間通過CAN總線收發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、斷電信息轉(zhuǎn)發(fā)指令。BCM通過CAN總線向磁保持繼電器發(fā)送繼電器控制、繼電器狀態(tài)檢測。磁保持繼電器一端接蓄電池，另一端接ECU和THU。

2.2" 電源分配及控制裝置

根據(jù)用電器使用場景、功能需求、負(fù)載功率與類型等特征，可將整車用電器大致分為兩類。第1類用電器控制回路為容性負(fù)載，包括車機、空調(diào)控制器、功放、方向盤、氛圍燈控制器等。第2類用電器控制回路為感性負(fù)載，包括天窗、背門、四門防夾控制器等。第1類用電器通過第1磁保持繼電器連接BCM控制器及蓄電池，第2類用電器通過第2磁保持繼電器連接BCM控制器及蓄電池。電源分配控制裝置示意如圖2所示。

BCM的控制端J1和J2端分別連接第1磁保持繼電器的線圈控制引腳端Re1端和Re2端，BCM的控制端J3和J4端分別連接第2磁保持繼電器的線圈控制引腳端Re1端和Re2端。蓄電池正極連接第1、第2磁保持繼電器的動觸點端，第1、第2磁保持繼電器的靜觸點端分別連接第1類、第2類用電器控制回路電源輸入端，BCM反饋端連接第1類、第2類用電器控制回路與繼電器連接的公共端。

2.3" 磁保持繼電器控制原理

本系統(tǒng)采用一種新型的磁保持繼電器作為電源分配的核心模塊。與常規(guī)繼電器相比，磁保持繼電器在內(nèi)部增加磁鋼、動簧等特殊結(jié)構(gòu)。磁保持繼電器動觸點連接蓄電池正極，靜觸點連接用電器端，同時在磁保持繼電器2個控制引腳Re1、Re2上通不同方向的脈沖電流即可控制繼電器的吸合和復(fù)歸動作。具體可為：鐵芯下端通過磁鋼置于L型軛鐵的一邊，銜鐵通過動簧固定在L型軛鐵的另一端，銜鐵與鐵芯上端保持一定距離，動觸點連接在動簧的一端，繞在鐵芯上的繞組線圈的兩端為控制引腳Re1和Re2。磁保持繼電器結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

1）磁保持繼電器的吸合狀態(tài)保持及切換。當(dāng)線圈控制引腳端Re1、Re2未通電時，磁路中只有磁鋼產(chǎn)生的磁通ΦL和吸力FL，動簧產(chǎn)生反力FS，此時保持FLgt;FS，以控制動、靜觸點保持吸合狀態(tài);當(dāng)繼電器線圈控制端Re1輸入高電平、Re2輸入低電平，在繼電器內(nèi)部形成正向電流，正向通電產(chǎn)生磁通ΦX與磁鋼產(chǎn)生的磁通方向相反，兩磁通相抵消，產(chǎn)生的吸力也抵消，控制吸力小于動彈簧反力，具體為公式FL-FXlt;FS成立，使動觸點和靜觸點分開，繼電器斷開。一般來說，繼電器在吸合狀態(tài)下，其能承受的最大加速度需≥250m/s2。加速度a=（FL-FS）/m銜鐵，當(dāng)FS和m銜鐵（銜鐵的質(zhì)量）一定時，則FL需足夠大，因此，選用磁密度高且達到上述要求的磁鋼。磁保持繼電器吸合工作示意圖如圖4所示。

2）磁保持繼電器的斷開狀態(tài)保持及切換。當(dāng)線圈控制端Re1、Re2未通電時，磁路中只有磁鋼產(chǎn)生的磁通ΦL和吸力FL，動簧反力FS，其中FL和FS存在一定夾角θ，在銜鐵的運動方向上，F(xiàn)L·cosθlt;FS，觸點1、2保持分離狀態(tài)，繼電器保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。當(dāng)車身控制器BCM控制Re1輸入低電平，Re2輸入高電平，線圈正向通電產(chǎn)生磁通ΦX，與磁鋼產(chǎn)生的磁通方向一致，兩磁通疊加，產(chǎn)生的吸力也疊加，使得吸力大于動彈簧反力（FX+FL）·cosθgt;FS，動觸點向靜觸點靠近，兩觸點吸合，繼電器導(dǎo)通。磁保持繼電器斷開工作示意圖如圖5所示。

車身控制器（BCM）只需在磁保持繼電器2個控制引腳上通不同方向的脈沖電流即可控制繼電器的吸合和復(fù)歸動作，同時繼電器內(nèi)部永久磁鋼及動簧的結(jié)構(gòu)配合，無需外部供電可保持繼電器的狀態(tài)，從而實現(xiàn)整車停放時低功耗的目的。

3" 汽車靜態(tài)電源管理控制邏輯

具備網(wǎng)絡(luò)管理的各種ECU控制器（門窗類、娛樂系統(tǒng)類控制器）通過整車的CAN總線周期廣播自身狀態(tài)、不進入休眠原因等，網(wǎng)關(guān)可以通過CAN總線對用電器的狀態(tài)進行收集。網(wǎng)關(guān)收到BCM的閉鎖設(shè)防信號開始計時，BCM檢測各類用電器狀態(tài)，若不休眠時間≥預(yù)定時間Tmins，則ECU控制器發(fā)送斷電請求給BCM控制器。進一步，如需啟動遠(yuǎn)程電源控制和管理，網(wǎng)關(guān)GW將收集的用電器不休眠情況進行處理，然后轉(zhuǎn)發(fā)給車載信息娛樂終端總成THU;車機將不休眠原因進行本地日志儲存?zhèn)浞荩⑿畔鬏斀o云端，云端儲存不休眠信息。

BCM控制器判斷斷電請求計數(shù)器是否小于預(yù)定次數(shù)（如2次），若小于預(yù)定次數(shù)則執(zhí)行斷電復(fù)位流程，否則執(zhí)行強制斷電流程，識別判斷需要斷電復(fù)位或強制斷電的用電器屬于第1類或第2類用電器。觸發(fā)相應(yīng)控制端高低電平切換，控制對應(yīng)磁保持繼電器動靜觸點吸合或斷開，對相應(yīng)用電器供電或斷開電源，判斷對應(yīng)故障用電器。若屬于娛樂系統(tǒng)類控制回路相關(guān)負(fù)載，則斷開第1磁保持繼電器;若是門窗類控制回路故障，則斷開第2磁保持繼電器，BCM控制器發(fā)出斷電標(biāo)志位，斷電請求計數(shù)器加1。

BCM在斷電請求標(biāo)志發(fā)出后到控制繼電器執(zhí)行斷電前，預(yù)留車機寫日志時間及上傳時間。如需斷電復(fù)位，用電器斷電后預(yù)定時間，BCM控制觸發(fā)對應(yīng)繼電器吸合，用電器重新上電復(fù)位，斷電請求計數(shù)器加1，當(dāng)斷電請求計數(shù)器超過預(yù)設(shè)值，BCM控制觸發(fā)對應(yīng)繼電器斷開，對相關(guān)用電器強制斷電。如斷電計數(shù)器大于預(yù)設(shè)值，BCM控制繼電器斷開，發(fā)送電動標(biāo)志位，斷電計數(shù)器加1，延遲預(yù)定時長后控制繼電器吸合，為相關(guān)用電器供電。同時，還可請求云端對不休眠用電器進行復(fù)位，將斷電標(biāo)志及斷電計數(shù)器值發(fā)送至車機，車機向云端轉(zhuǎn)發(fā)斷電標(biāo)志和斷電計數(shù)值，GW轉(zhuǎn)發(fā)斷電請求標(biāo)志至車機，HU對斷電請求、不休眠原因進行本地日志儲存并上傳云端。云端接收斷電標(biāo)志和計數(shù)器計時，用戶終端APP通過彈窗，提示車輛用電器狀態(tài)異常。可通過用戶手機端發(fā)送斷電復(fù)位用電器指令或強制斷開用電器指令對汽車用電器電源供電實施遠(yuǎn)程管理。BCM在斷電請求標(biāo)志發(fā)出后執(zhí)行斷電流程，斷電前需給車機預(yù)留足夠?qū)懭罩緯r間及上傳時間。

當(dāng)BCM收到遙控鑰匙解閉鎖信號、藍(lán)牙鑰匙解閉鎖信號、整車電源擋位、任意車門狀態(tài)變化或BCM復(fù)位時，首先對2個繼電器的狀態(tài)進行判斷，將狀態(tài)與內(nèi)部儲存狀態(tài)比對。若不一致，則在BCM本地記錄故障碼;若繼電器未吸合，BCM則發(fā)出繼電器吸合指令。同時BCM發(fā)送繼電器吸合原因（BCM_RleyConnectStatus），同時上傳吸合原因。電源管理控制邏輯時序如圖6所示。

另外，本系統(tǒng)還能在整車電量不足或者低溫條件下有效提高啟動成功率。BCM發(fā)出啟動請求信號時，BCM控制第1磁保持繼電器、第2磁保持繼電器全部斷開，回路中的用電負(fù)載與蓄電池全部斷開，可降低汽車啟動電流，保證蓄電池為汽車啟動的必需部件供電，切斷不必需用電器的供電，啟動成功后，再控制吸合繼電器為斷開部分的用電器供電。

基于蓄電池的簡易放電模型為：U端=Ub-I×R內(nèi)阻，蓄電池內(nèi)阻和蓄電池的電壓一定，當(dāng)啟動電流越大，那么蓄電池端電壓會被拉得越低。當(dāng)蓄電池處于低溫條件，蓄電池內(nèi)阻R內(nèi)阻會增大。同時基于蓄電池OCV曲線，當(dāng)蓄電池電量越低，蓄電池開路電壓Ub越低。在實際啟動過程中，蓄電池端電壓U端lt;7.5V時，與啟動相關(guān)的用電器會硬件復(fù)位，導(dǎo)致啟動失敗，因此在蓄電池電量偏低或者在低溫情況下，蓄電池端電壓U端會越小，無法啟動的概率增大。為了提高啟動成功概率，需保證蓄電池端電壓U端gt;7.5V，因此可以減小啟動電流I。啟動電流I主要由啟動電機拖動電流及常電用電器工作組成，因此在啟動瞬間，關(guān)閉部分與啟動無關(guān)的常電用電器，可以有效提高低溫或者低電量啟動成功概率。若減小40A，蓄電池內(nèi)阻為10mΩ，則端電壓可提升0.4V。

BCM發(fā)出啟動請求信號時，EMS同步判斷車輛環(huán)境溫度及蓄電池電量，當(dāng)環(huán)境溫度或蓄電池電量低于臨界值，則發(fā)出斷電請求，觸發(fā)BCM控制端電平變化，斷開第1、第2磁保持繼電器，減小啟動過程中負(fù)載電流，從而提高啟動成功率。

4" 結(jié)束語

隨著汽車電動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，整車低壓靜態(tài)電源管理越加復(fù)雜與困難，如何在實現(xiàn)點火啟動等基礎(chǔ)功能的前提下，盡可能保障智能與網(wǎng)聯(lián)等功能的體驗使用，是整車電源管理的難點。本文提供的防虧電電源管理設(shè)計思路與汽車電源管理方法，能很好地解決整車虧電與靜態(tài)電源管理問題。

（編輯" 楊凱麟）

收稿日期：2023-11-07