汽车静态电源管理系统研究

【摘" 要】文章设计一种防止汽车亏电的电源管理系统，主要研究解决整车控制器异常耗电以及故障难以监测等问题。该系统包括：根据使用场景与功能需求，将整车用电器分类并通过不同的磁保持继电器连接车身控制器BCM，对继电器及用电器状态实时检测，BCM根据用电器故障状态及所属类别，控制端高低电平切换，控制相应磁保持继电器断开和闭合，控制蓄电池为相应电器控制回路供电或切断供电，复位或切断用电器供电。同时，ECU通过网络管理报文广播用电器状态及唤醒原因，并将用电器状态及断电标志等信息转发车载信息娱乐终端总成上传云端，远程管理和控制汽车用电器，可以有效降低整车亏电及远程故障监测问题。

【关键词】电源管理;磁保持继电器;远程故障监测;电源分配;静态电流;亏电

中图分类号：U463.63" " 文献标识码：A" " 文章编号：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

作者简介

周文华（1985—），男，副高级工程师，主要从事整车电器产品的开发设计工作。

汽车智能化、电气化程度越来越高，用电设备也越来越多，给人们带来了更智能舒适和高科技的驾乘体验。但同时，这些快速增加的电气化配置和应用，引起整车亏电无法启动的问题日益增加，造成车辆事故、用户投诉、退车等问题。传统电源管理，各电器控制器直接通过线束连接蓄电池两端，控制器工作状态的迁移主要依托自身网络管理实现，用电器可任意消耗电量，当一个控制器出现Bug，就会导致整车CAN网络异常。比较典型的是，当控制器的进程卡死、软硬件Bug发生，会使整车CAN网络不休眠，直接导致整车亏电。通常只要对控制器进行断电复位，即可让控制器的功能恢复正常，从而避免亏电问题的发生，为此，汽车熄火后的静态电流用电管理尤为重要。

1" 防亏电电源管理设计思路

针对现有技术中存在的技术难题，创新采用一种智能电源管理方案，充当整车电源的“用电哨兵”。在故障发生率较高的控制器的供电回路上增加断电模块，当车辆停放期间，电源管理系统持续对整车状态进行监测，断电模块一直处于闭合状态，当整车网络发生故障，电源管理系统结合各控制器的网络唤醒原因及唤醒先后顺序对故障用电器进行定位，并对故障控制器进行智能断电复位，若复位后仍然无法恢复正常，则对故障控制器进行强制断电处理，同时针对蓄电池电量处于启动临界点附近的车辆，优化启动电源控制逻辑，减小启动电流，保证车辆能正常启动。

2" 汽车电源管理控制装置

2.1" 汽车静态电源管理系统原理设计

本文所研究的汽车静态电源管理系统，主要包括：车身控制器BCM、磁保持继电器、网络管理节点GW、微控制器ECU和车载信息娱乐终端总成THU。BCM的控制端在磁保持继电器的控制端，分别输入不同方向的脉冲电流实现状态切换，控制蓄电池为第1类用电器和第2类用电器控制回路供电或切断供电，并对继电器及用电器状态实时检测。GW将状态反馈至ECU，ECU通过网络管理报文广播用电器状态及唤醒原因，并将状态及断电信号转发给THU。THU将故障信息储存在本地日志，BCM通过相应磁保持继电器对用电器执行复位或切断供电。

当BCM检测到用电器不休眠时间大于预定时长或异常唤醒时，BCM发出断电请求标志，THU通过无线网络发送用电器状态及断电信号至云端，手机端通过云端对用电器下发复位指令。汽车静态电源管理系统原理示意如图1所示。

网络管理节点GW与车身控制器BCM之间通过CAN总线下发继电器指令，接收继电器状态反馈。GW与ECU之间通过CAN总线收发网络状态监控，GW与THU之间通过CAN总线收发网络状态监控、断电信息转发指令。BCM通过CAN总线向磁保持继电器发送继电器控制、继电器状态检测。磁保持继电器一端接蓄电池，另一端接ECU和THU。

2.2" 电源分配及控制装置

根据用电器使用场景、功能需求、负载功率与类型等特征，可将整车用电器大致分为两类。第1类用电器控制回路为容性负载，包括车机、空调控制器、功放、方向盘、氛围灯控制器等。第2类用电器控制回路为感性负载，包括天窗、背门、四门防夹控制器等。第1类用电器通过第1磁保持继电器连接BCM控制器及蓄电池，第2类用电器通过第2磁保持继电器连接BCM控制器及蓄电池。电源分配控制装置示意如图2所示。

BCM的控制端J1和J2端分别连接第1磁保持继电器的线圈控制引脚端Re1端和Re2端，BCM的控制端J3和J4端分别连接第2磁保持继电器的线圈控制引脚端Re1端和Re2端。蓄电池正极连接第1、第2磁保持继电器的动触点端，第1、第2磁保持继电器的静触点端分别连接第1类、第2类用电器控制回路电源输入端，BCM反馈端连接第1类、第2类用电器控制回路与继电器连接的公共端。

2.3" 磁保持继电器控制原理

本系统采用一种新型的磁保持继电器作为电源分配的核心模块。与常规继电器相比，磁保持继电器在内部增加磁钢、动簧等特殊结构。磁保持继电器动触点连接蓄电池正极，静触点连接用电器端，同时在磁保持继电器2个控制引脚Re1、Re2上通不同方向的脉冲电流即可控制继电器的吸合和复归动作。具体可为：铁芯下端通过磁钢置于L型轭铁的一边，衔铁通过动簧固定在L型轭铁的另一端，衔铁与铁芯上端保持一定距离，动触点连接在动簧的一端，绕在铁芯上的绕组线圈的两端为控制引脚Re1和Re2。磁保持继电器结构原理如图3所示。

1）磁保持继电器的吸合状态保持及切换。当线圈控制引脚端Re1、Re2未通电时，磁路中只有磁钢产生的磁通ΦL和吸力FL，动簧产生反力FS，此时保持FLgt;FS，以控制动、静触点保持吸合状态;当继电器线圈控制端Re1输入高电平、Re2输入低电平，在继电器内部形成正向电流，正向通电产生磁通ΦX与磁钢产生的磁通方向相反，两磁通相抵消，产生的吸力也抵消，控制吸力小于动弹簧反力，具体为公式FL-FXlt;FS成立，使动触点和静触点分开，继电器断开。一般来说，继电器在吸合状态下，其能承受的最大加速度需≥250m/s2。加速度a=（FL-FS）/m衔铁，当FS和m衔铁（衔铁的质量）一定时，则FL需足够大，因此，选用磁密度高且达到上述要求的磁钢。磁保持继电器吸合工作示意图如图4所示。

2）磁保持继电器的断开状态保持及切换。当线圈控制端Re1、Re2未通电时，磁路中只有磁钢产生的磁通ΦL和吸力FL，动簧反力FS，其中FL和FS存在一定夹角θ，在衔铁的运动方向上，FL·cosθlt;FS，触点1、2保持分离状态，继电器保持断开状态。当车身控制器BCM控制Re1输入低电平，Re2输入高电平，线圈正向通电产生磁通ΦX，与磁钢产生的磁通方向一致，两磁通叠加，产生的吸力也叠加，使得吸力大于动弹簧反力（FX+FL）·cosθgt;FS，动触点向静触点靠近，两触点吸合，继电器导通。磁保持继电器断开工作示意图如图5所示。

车身控制器（BCM）只需在磁保持继电器2个控制引脚上通不同方向的脉冲电流即可控制继电器的吸合和复归动作，同时继电器内部永久磁钢及动簧的结构配合，无需外部供电可保持继电器的状态，从而实现整车停放时低功耗的目的。

3" 汽车静态电源管理控制逻辑

具备网络管理的各种ECU控制器（门窗类、娱乐系统类控制器）通过整车的CAN总线周期广播自身状态、不进入休眠原因等，网关可以通过CAN总线对用电器的状态进行收集。网关收到BCM的闭锁设防信号开始计时，BCM检测各类用电器状态，若不休眠时间≥预定时间Tmins，则ECU控制器发送断电请求给BCM控制器。进一步，如需启动远程电源控制和管理，网关GW将收集的用电器不休眠情况进行处理，然后转发给车载信息娱乐终端总成THU;车机将不休眠原因进行本地日志储存备份，并将信息传输给云端，云端储存不休眠信息。

BCM控制器判断断电请求计数器是否小于预定次数（如2次），若小于预定次数则执行断电复位流程，否则执行强制断电流程，识别判断需要断电复位或强制断电的用电器属于第1类或第2类用电器。触发相应控制端高低电平切换，控制对应磁保持继电器动静触点吸合或断开，对相应用电器供电或断开电源，判断对应故障用电器。若属于娱乐系统类控制回路相关负载，则断开第1磁保持继电器;若是门窗类控制回路故障，则断开第2磁保持继电器，BCM控制器发出断电标志位，断电请求计数器加1。

BCM在断电请求标志发出后到控制继电器执行断电前，预留车机写日志时间及上传时间。如需断电复位，用电器断电后预定时间，BCM控制触发对应继电器吸合，用电器重新上电复位，断电请求计数器加1，当断电请求计数器超过预设值，BCM控制触发对应继电器断开，对相关用电器强制断电。如断电计数器大于预设值，BCM控制继电器断开，发送电动标志位，断电计数器加1，延迟预定时长后控制继电器吸合，为相关用电器供电。同时，还可请求云端对不休眠用电器进行复位，将断电标志及断电计数器值发送至车机，车机向云端转发断电标志和断电计数值，GW转发断电请求标志至车机，HU对断电请求、不休眠原因进行本地日志储存并上传云端。云端接收断电标志和计数器计时，用户终端APP通过弹窗，提示车辆用电器状态异常。可通过用户手机端发送断电复位用电器指令或强制断开用电器指令对汽车用电器电源供电实施远程管理。BCM在断电请求标志发出后执行断电流程，断电前需给车机预留足够写日志时间及上传时间。

当BCM收到遥控钥匙解闭锁信号、蓝牙钥匙解闭锁信号、整车电源挡位、任意车门状态变化或BCM复位时，首先对2个继电器的状态进行判断，将状态与内部储存状态比对。若不一致，则在BCM本地记录故障码;若继电器未吸合，BCM则发出继电器吸合指令。同时BCM发送继电器吸合原因（BCM_RleyConnectStatus），同时上传吸合原因。电源管理控制逻辑时序如图6所示。

另外，本系统还能在整车电量不足或者低温条件下有效提高启动成功率。BCM发出启动请求信号时，BCM控制第1磁保持继电器、第2磁保持继电器全部断开，回路中的用电负载与蓄电池全部断开，可降低汽车启动电流，保证蓄电池为汽车启动的必需部件供电，切断不必需用电器的供电，启动成功后，再控制吸合继电器为断开部分的用电器供电。

基于蓄电池的简易放电模型为：U端=Ub-I×R内阻，蓄电池内阻和蓄电池的电压一定，当启动电流越大，那么蓄电池端电压会被拉得越低。当蓄电池处于低温条件，蓄电池内阻R内阻会增大。同时基于蓄电池OCV曲线，当蓄电池电量越低，蓄电池开路电压Ub越低。在实际启动过程中，蓄电池端电压U端lt;7.5V时，与启动相关的用电器会硬件复位，导致启动失败，因此在蓄电池电量偏低或者在低温情况下，蓄电池端电压U端会越小，无法启动的概率增大。为了提高启动成功概率，需保证蓄电池端电压U端gt;7.5V，因此可以减小启动电流I。启动电流I主要由启动电机拖动电流及常电用电器工作组成，因此在启动瞬间，关闭部分与启动无关的常电用电器，可以有效提高低温或者低电量启动成功概率。若减小40A，蓄电池内阻为10mΩ，则端电压可提升0.4V。

BCM发出启动请求信号时，EMS同步判断车辆环境温度及蓄电池电量，当环境温度或蓄电池电量低于临界值，则发出断电请求，触发BCM控制端电平变化，断开第1、第2磁保持继电器，减小启动过程中负载电流，从而提高启动成功率。

4" 结束语

随着汽车电动化、智能化和网联化的发展，整车低压静态电源管理越加复杂与困难，如何在实现点火启动等基础功能的前提下，尽可能保障智能与网联等功能的体验使用，是整车电源管理的难点。本文提供的防亏电电源管理设计思路与汽车电源管理方法，能很好地解决整车亏电与静态电源管理问题。

（编辑" 杨凯麟）

收稿日期：2023-11-07