張 賓，張小波，劉 欽，胡 陽(yáng)，姜 磊

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330001）

1 引言

近年來(lái)，隨著汽車市場(chǎng)新能源汽車的普及，新能源車與傳統(tǒng)燃油車走勢(shì)差異明顯，新能源車尤其是純電動(dòng)車銷量顯著上升，傳統(tǒng)燃油車銷量逐漸下滑，汽車市場(chǎng)正在加大向電動(dòng)化轉(zhuǎn)型的步伐。2023年8月新能源車銷量68.31萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)41.49%，環(huán)比增長(zhǎng)11.6%，滲透率超過(guò)35%。1～8月累計(jì)銷量已經(jīng)超過(guò)400萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)39.58%。

有研究統(tǒng)計(jì)表明，用戶購(gòu)買新能源車時(shí)，續(xù)航里程、購(gòu)車價(jià)格、使用費(fèi)用、電池特性等都是客戶購(gòu)買新能源車的考量因素（圖1），而電耗更是平衡續(xù)航里程和購(gòu)車價(jià)格（電池成本）的關(guān)鍵。相同續(xù)航里程條件下，低電耗可以帶來(lái)更低的造車成本、使用成本，減少充電次數(shù)，提升用戶實(shí)際用車體驗(yàn)。

圖1 用戶購(gòu)車考量因素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

國(guó)務(wù)院也發(fā)布了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》，力求到2025年純電動(dòng)乘用車新車平均電耗降至12kWh/100km。降低整車能耗勢(shì)在必行，各主機(jī)廠也紛紛打響能耗戰(zhàn)。

2 整車電耗正向研發(fā)體系

結(jié)合新能源車型（以EV車型與PHEV車型為例）的構(gòu)型等因素，對(duì)整車電耗進(jìn)行分析，得出整車電耗正向研發(fā)體系（圖2）。整車電耗由風(fēng)阻、滾阻、低壓負(fù)載、熱管理4個(gè)共性系統(tǒng)，外加能耗核心系統(tǒng)動(dòng)力總成組成?？紤]到EV車型與PHEV車型動(dòng)力系統(tǒng)的差異，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)分。

圖2 整車電耗正向研發(fā)體系示意圖

由圖2可以看出，低壓負(fù)載能耗是整車能耗中重要的組成部分，低壓功耗在整車電耗中的占比約為8%。對(duì)于PHEV車，低壓電耗降低20W，可節(jié)約約0.04度電；對(duì)于EV車，低壓電耗降低20W，可節(jié)約約0.09度電。低壓能耗作為整車能耗中的重要一環(huán)，亟需在設(shè)計(jì)上降低低壓功耗。

3 整車能量流的能耗分布及流向分析

以某EV 車型為例，結(jié)合新能源車型相關(guān)零部件功能屬性，梳理出整車能量流的能耗分布和流動(dòng)方向，如圖3所示。

圖3 整車能耗分布及流向示意圖

前、后電驅(qū)為保證駕駛動(dòng)力需求，以高壓直流電方式消耗動(dòng)力電池電能，同時(shí)前、后電驅(qū)通過(guò)滑行能量回收及制動(dòng)能量回收功能，回收部分電量流入電池包。PTC、壓 縮 機(jī) 通 過(guò)PDU配電，以高壓直流電方式消耗動(dòng)力電池電能，電池包為DCDC 提供高壓直流輸入，DCDC 通過(guò)逆變→降壓→逆變的過(guò)程轉(zhuǎn)為直流12V電，為低壓用電負(fù)載提供電能。

4 整車低壓電耗影響因素分析及目標(biāo)確定

整車低壓電耗主要由控制器、燈具、熱管理、智能駕駛系統(tǒng)、娛樂(lè)系統(tǒng)等部分組成?？刂破靼黝愑蚩刂破?、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器、DCDC逆變器、高壓配電單元等；燈具包括前照燈、日行燈、制動(dòng)燈、氛圍燈等；熱管理包括水泵、電子風(fēng)扇、壓縮機(jī)等；智能駕駛系統(tǒng)包括各類雷達(dá)、攝像頭、傳感器等；娛樂(lè)系統(tǒng)包括儀表、中控大屏、抬頭顯示、記錄儀等。根據(jù)整車低壓電耗組成，對(duì)整車低壓電耗優(yōu)化方向作出梳理，如圖4所示。

圖4 整車低壓電耗優(yōu)化方向

整車低壓電耗目標(biāo)需要基于設(shè)計(jì)車型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及競(jìng)品車型低壓電耗對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)確定。

5 整車低壓電耗設(shè)計(jì)

5.1 整車架構(gòu)

整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)越復(fù)雜，控制器越多，整車低壓電耗則越大?；谡嚰軜?gòu)方面有如下優(yōu)化措施。

5.1.1 分網(wǎng)段網(wǎng)絡(luò)管理

分網(wǎng)段網(wǎng)絡(luò)管理策略基于AutoSAR NM機(jī)制設(shè)計(jì)，主要為局部網(wǎng)絡(luò)管理策略。局部網(wǎng)絡(luò)管理是一種針對(duì)性休眠喚醒的網(wǎng)絡(luò)管理策略，其機(jī)制是利用預(yù)先約定好的PNC（Partial Network Cluster，部分網(wǎng)絡(luò)簇）參數(shù)組將控制器劃分成組，控制器在接收到網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文時(shí)，通過(guò)識(shí)別PNI標(biāo)志位和PNC位來(lái)確定是否喚醒并進(jìn)入正常通信狀態(tài)或者維持自己不進(jìn)入總線準(zhǔn)備睡眠狀態(tài)，精準(zhǔn)喚醒控制器將會(huì)進(jìn)一步降低電子電氣系統(tǒng)的功耗。

網(wǎng)段隔離策略在定義NM PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）基礎(chǔ)上，利用局部網(wǎng)絡(luò)管理標(biāo)識(shí)符PNI（Partial Network Identifier）以及網(wǎng)段隔離參數(shù)組SNIC（Source Node Identifier，源節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符），中央網(wǎng)關(guān)通過(guò)SNIC識(shí)別哪些網(wǎng)段與功能場(chǎng)景相關(guān)，如相關(guān)則在該網(wǎng)段發(fā)送網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文，否則該網(wǎng)絡(luò)保持沉默。

分網(wǎng)段網(wǎng)絡(luò)管理可以結(jié)合不同的場(chǎng)景需求，通過(guò)控制與該場(chǎng)景無(wú)關(guān)的節(jié)點(diǎn)保持靜默以降低整車低壓電耗。使用分段網(wǎng)絡(luò)管理和未使用分段網(wǎng)絡(luò)管理時(shí)的狀態(tài)遷移見(jiàn)圖5。

圖5 狀態(tài)遷移圖

5.1.2 采用斷路繼電器切斷某些電器回路

根據(jù)不同的使用場(chǎng)景劃分，將與該場(chǎng)景無(wú)關(guān)的控制器集成在一個(gè)繼電器下，在該場(chǎng)景觸發(fā)時(shí)，斷開(kāi)此繼電器以降低該場(chǎng)景下整車低壓功耗。

以充電場(chǎng)景為例，在外接充電時(shí)斷開(kāi)繼電器，將與充電無(wú)關(guān)的繼電器全部斷開(kāi)，以降低充電時(shí)的低壓功耗。充電場(chǎng)景繼電器控制方案示意如圖6所示。

圖6 充電場(chǎng)景繼電器控制方案示意圖

5.1.3 基于域控制器低功耗模式

首先需要梳理整車應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)不同場(chǎng)景設(shè)置低功耗方案開(kāi)關(guān)，關(guān)閉甚至禁用某些功能或關(guān)閉某些控制器。如智能駕駛域控制器、整車域控制器等，涉及的功能主要包括智能駕駛、主動(dòng)安全、全景、雷達(dá)、空調(diào)、座椅、地圖、娛樂(lè)系統(tǒng)、燈光等。低功耗方案設(shè)計(jì)示例見(jiàn)表1。

表1 低功耗方案設(shè)計(jì)示例

5.2 硬件設(shè)計(jì)

基于硬件層面的設(shè)計(jì)，主要從整車功能配置或者零部件自身入手，可以通過(guò)變更設(shè)計(jì)方案降低低壓功耗。

1）降低整車功能和配置：整車低壓功耗取決于整車的功能和配置，可以適當(dāng)降低整車功能配置。

2）將鹵素?zé)羟袚Q為L(zhǎng)ED燈：鹵素?zé)裟芎母哂贚ED燈，一般車用鹵素?zé)?5W左右，而LED燈為20W左右，可以將前照燈、制動(dòng)燈、高位制動(dòng)燈切換為L(zhǎng)ED燈。

3）減小日行燈功率：減少日行燈燈珠顆粒數(shù)量，造型優(yōu)化等。

4）減小中控屏和儀表屏尺寸：減小屏幕尺寸，降低低壓功耗。

5.3 軟件設(shè)計(jì)

基于軟件層面的設(shè)計(jì)，主要從控制策略入手，對(duì)系統(tǒng)策略方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低低壓功耗。

1）適當(dāng)提升電機(jī)水泵、電池水泵和電子風(fēng)扇開(kāi)啟溫度，降低水泵和電子風(fēng)扇開(kāi)啟頻率。

2）適當(dāng)降低水泵和電子風(fēng)扇占空比，降低水泵及風(fēng)扇功率。

3）對(duì)DCDC輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，在保證12V蓄電池SOC健康的前提下，在蓄電池SOC較高時(shí)適當(dāng)降低DCDC輸出電壓，以降低整車低壓零部件整體功耗，設(shè)計(jì)示例見(jiàn)表2。

表2 DCDC輸出電壓調(diào)節(jié)方案示例

表3 LIN通信正常模式下DCDC低壓側(cè)輸出電壓

4）下電后將中控屏及儀表屏直接熄屏，或者降低屏幕亮度。

6 整車低壓電耗的驗(yàn)證

整車低壓電耗驗(yàn)證也是電耗設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，是對(duì)整車電耗性能進(jìn)行判斷的可靠手段，以XX車型為例，其驗(yàn)證流程如圖7所示。

1）試驗(yàn)樣車檢查：將車輛上電至Ready狀態(tài)保持一定時(shí)間，然后檢查各可操作電器零部件是否工作正常，對(duì)不能正常工作的用電器做好記錄。整車電源回到ON擋，用診斷儀檢查整車控制器是否有故障，對(duì)有故障的控制器清除DTC，完成后將車輛重新上電至Ready狀態(tài)保持一定時(shí)間，檢查控制器故障狀態(tài)并做好記錄。

2）試驗(yàn)臺(tái)架搭建：關(guān)閉車上所有電器負(fù)載，并讓車輛下電。斷開(kāi)車輛連接DCDC輸出端線束，斷開(kāi)車輛12V蓄電池正負(fù)極極柱連接線束，按照相應(yīng)的電器負(fù)載，根據(jù)整車原理圖安裝電壓傳感器和電流傳感器，并在數(shù)據(jù)采集設(shè)備或者功率分析儀上完成設(shè)置。連接DCDC輸出端線束和12V蓄電池正負(fù)極極柱連接線束，將車固定在環(huán)境倉(cāng)轉(zhuǎn)轂上并確認(rèn)可靠。以某車型為例，臺(tái)架搭建示例如圖8所示。

圖8 電耗驗(yàn)證臺(tái)架搭建示例圖

3）試驗(yàn)步驟如下：①將車輛上電至Ready狀態(tài)，關(guān)閉空調(diào)、前照燈、氛圍燈、智能駕駛，其他設(shè)置維持默認(rèn)模式；②按照GB/T 38146.1—2019《中國(guó)汽車行駛工況 第1部分：輕型汽車》中的CLTC和WLTC路譜開(kāi)始CS（Charge Sustaining，電荷維持態(tài)，REEV車型）/CD（Charge Depleting，電荷耗盡態(tài)，EV、PHEV車型）/慢充測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)；③測(cè)試完成后，停止采集設(shè)備，并保存數(shù)據(jù)；④斷開(kāi)車輛的DCDC輸出端線束和12V蓄電池正負(fù)極極柱連接線束，然后拆除車上的電壓傳感器和電流傳感器，連接車輛的DCDC輸出端線束和12V蓄電池正負(fù)極極柱連接線束。在試驗(yàn)過(guò)程中，使用的設(shè)備可能用到功率分析儀、示波器、電流鉗、CAN信號(hào)采集設(shè)備等。

4）數(shù)據(jù)處理分析：將每個(gè)電器負(fù)載取平均值，并記錄在電器負(fù)載平均值統(tǒng)計(jì)表中。根據(jù)圖8綠線，CD/CS工況下整車低壓功耗=整段的DCDC輸出的功耗平均值-12V蓄電池輸入的功耗平均值（比如CD到CS的切換點(diǎn)在第3個(gè)循環(huán)，那么CD工況的功耗為前2個(gè)循環(huán)的平均值）；慢充工況下整車低壓功耗=充電過(guò)程中DCDC輸出的功耗平均值-12V蓄電池輸入的功耗平均值。

5）優(yōu)化方案整理、整改：根據(jù)統(tǒng)計(jì)的電器負(fù)載數(shù)據(jù)，梳理不合格項(xiàng)，設(shè)計(jì)部門制定優(yōu)化方案并整改。優(yōu)化方案整理示例見(jiàn)表4。

表4 不同工況下優(yōu)化方案整理示例

6）整車低壓電耗驗(yàn)收：設(shè)計(jì)部門完成優(yōu)化方案整改后，再次通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行整車低壓電耗驗(yàn)證，驗(yàn)證電耗合格后，完成整車低壓電耗驗(yàn)收。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著新能源汽車的普及，不斷優(yōu)化整車能耗將是主機(jī)廠的設(shè)計(jì)目標(biāo)。低壓能耗作為整車能耗中的關(guān)鍵一環(huán)，優(yōu)化空間非常大。作為設(shè)計(jì)者，需要依托完善整車電耗正向研發(fā)體系，結(jié)合整車低壓電耗設(shè)計(jì)目標(biāo)，從架構(gòu)、硬件、軟件層面入手制定更優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。最終通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證整車低壓功耗設(shè)計(jì)方案，分析試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否可行，針對(duì)不合格項(xiàng)進(jìn)行整改再驗(yàn)證，不斷優(yōu)化并形成閉環(huán)管控。相信隨著未來(lái)技術(shù)的發(fā)展，一定能將整車能耗降到最低，極大提升新能源汽車能量效率。