一种基于紧急电源开关的商用车冗余电源系统

陈凯强 张浩 史新梅 谢连鑫 尹元昊 张岚

【摘  要】随着汽车不断向智能化、电气化以及网联化方向发展，人们对于汽车舒适性、安全性要求越来越高，传统整车电源系统已不能满足需求。而相较于乘用车，商用车供电系统负担更大，更易发生故障。在智能化、电气化以及网联化背景下，文章针对商用车电源系统存在的失效、可靠性以及安全问题，提出一种商用车冗余电源系统并对其工作方式进行研究。

【关键词】紧急电源开关;商用车;冗余电源系统

中图分类号：U463.61    文献标识码：A    文章编号：1003-8639（ 2024 ）05-0054-03

A Redundant Power Supply System for Commercial Vehicle Based on Emergency Switch

CHEN Kaiqiang，ZHANG Hao，SHI Xinmei，XIE Lianxin，YIN Yuanhao，ZHANG Lan

（Vehicle Electrical Design Institute of Electronic and Electrical Design Department of China National Heavy Duty Truck Group Automotive Research Institute，Jinan 250101，China）

【Abstract】With the continuous development of automobile to the direction of intelligence，electrification and network connection，people have higher and higher requirements for vehicle comfort and safety. Traditional vehicle power supply system has been unable to meet the demand，and compared with passenger vehicles，commercial vehicles power supply system more burden，more prone to failure. In view of the failure，stability and safety problems of commercial vehicle power supply system under the background of intellectualization，electrification and networking，this paper proposes a redundant power supply system for commercial vehicles and studies its working mode.

【Key words】emergency switch;commercial vehicle;redundant power supply system

作者簡介

陈凯强（1992—），男，工程师，主要从事商用车整车电器系统开发工作。

1  前言

随着人工智能、集成电路等技术的发展以及车载芯片计算能力的提高，人们对于汽车的关注点从单一的动力性能好坏逐步转移到对汽车舒适性以及智能化方面的需求[1]。商用车也从仅为使用者提供生产力逐渐向提供舒适、安全、高效以及智能的驾驶环境发展。为了满足这些需求，商用车的车载控制器及其执行机构的数量越来越多，加之商用车作为生产工具，自重、载重大，车载用电器更多，使得整车用电量成倍增加，整车电源系统负担更重，从而对于整车电源系统可靠性以及安全性的要求更高，商用车传统电源系统[2]已不能满足需求。

除此之外，随着智能驾驶技术在商用车中普及，为了满足L3级及以上智能驾驶控制模块对于车辆功能安全等级的要求，整车电源系统除主供电回路外还应具备冗余供电回路[3]。通过对电源系统主回路以及冗余回路的实时监测，使得车辆在电源系统任一回路发生故障时能够继续安全行驶，或有足够安全时间停车检修[4]。因此，为商用车配备冗余电源系统以提高整车电源系统可靠性、安全性，并实现商用车的智能化、电气化是商用车电源系统未来的发展趋势。然而目前冗余电源系统存在结构复杂、成本高，以及增加车辆电气系统复杂度等问题[5]，故本文介绍一种基于紧急电源开关的商用车冗余电源系统，其使用紧急电源开关代替多控制器或冗余蓄电池控制器，能降低成本以及车辆电源系统复杂度，同时将其接入整车诊断网络，可以提高故障诊断效率。

2  基于紧急电源开关的商用车冗余电源系统组成

基于紧急电源开关的商用车冗余电源系统通过一个接入整车电源系统的紧急电源开关（Emergency Switch，ES）实现对主供电回路以及冗余供电回路的控制，并通过与整车各控制器以及整车CAN网络的信息交互实现对于整车电源系统的实时在线监测，其系统组成如图1所示。

该系统由紧急电源开关、主供配电回路、冗余供配电回路和发电机组成。主供配电回路包括自动驾驶控制单元、整车控制器、主蓄电池、主监测单元、DC/DC变换器和若干主负载支路、CAN通信单元以及LIN通信单元。冗余供配电回路包括冗余监测单元、冗余蓄电池、若干冗余负载支路以及LIN通信单元。主供配电回路与发电机相连，冗余供配电回路通过紧急电源开关与发电机相连，同时主供配电回路与冗余供配电回路通过紧急电源开关相连。

2.1  冗余电源系统工作原理

冗余电源系统工作原理分为4步，如图2所示。

1）若发电机不工作，ES断开，由主蓄电池以及冗余蓄电池分别为相应回路负载进行供电。

2）若发电机工作，ES接通，主供配电回路以及冗余供配电回路上的负载由发电机供电，同时发电机为主蓄电池以及冗余蓄电池进行充电。

3）当ES接通时，ES通过整车CAN网络、LIN网络与整车各控制器、蓄电池监测单元交互整车状态以及蓄电池状态等信息，并监测冗余电源系统各回路状态。若判断回路出现故障，则通过ES立即断开故障回路隔绝故障，保证车辆继续安全运行。

4）在ES断开故障回路隔绝故障后，主供配电回路负载由发电机以及主蓄电池供电，冗余供配电回路负载由冗余蓄电池供电。当故障排除后，ES重新接通，各回路负载由发电机供电，同时发电机为主蓄电池以及冗余蓄电池进行充电。

2.2  紧急电源开关组成及工作原理

ES在冗余电源系统中起到关键作用，图3为其外形图，除起到连接主供配电回路以及冗余供配电回路的作用外，同时也起到隔离故障、控制供配电回路通断的作用。ES由2个MOS管开关、ES预充电支路以及ES控制器等部分组成。ES主支路通过MOS管开关Q1、Q2与主回路以及冗余回路相连，ES预充电支路与ES主支路并联，ES控制器通过2路CAN与整车控制器VCU以及智能驾驶控制单元ADU相连，如图4所示。

紧急电源开关的工作原理如下。

1）通过ES控制器采集主回路、冗余回路2个回路出线口上的电压、电流以及温度等信息，若任一回路上信息出现异常，则通过ES控制器控制Q1或Q2断开相应回路;当故障排除后，通过ES控制器控制ES预充电支路消除Q1以及Q2两侧压差，防止因两侧压差过大对电源系统造成破坏。

2）ES控制器通过CAN1、CAN2与整车控制器VCU、智能驾驶控制器ADU相互交换MOS管开关的状态、恢复接通状态、故障诊断、数据采样等信息，以及整车自动驾驶状态、蓄电池状态、发动机转速、发电机输出端电压等信息，其中蓄电池状态包括蓄电池正极电压、输出电流、蓄电池温度、荷电状态和健康状态等信息。上述信息由与主蓄电池和冗余蓄电池相连的智能电池传感器通过LIN线发送给智能驾驶控制器ADU，再转发给ES控制器。通过上述信息交换，能够实现ES对于整车电源系统状态以及整车状态的在线实时监测，使得本系统能够快速发现整车电源系统中出现的问题，提高了车辆安全性以及可靠性，降低了故障造成的损失。

2.3  冗余电源系统架构及工作过程

2.3.1  冗余电源系统架构

由于紧急电源开关以及冗余电源支路的加入，整车电源系统架构需要发生相应更改，作为各电源模块与其它负载的连接媒介，熔断丝与线束也要做出调整，如图5所示。

2.3.2  冗余电源系统工作过程

如果车辆启动后，冗余蓄电池总开关未闭合，或者驾驶员操纵模式下，行驶过程中主蓄电池或冗余蓄电池总开关断开，在ADU获取到冗余监测单元异常信号后，通过CAN通信单元将信息反馈给车辆仪表，提醒驾驶员不要行车或停车检修，同时ES断开相应回路以隔绝故障，并且车辆不能进入到智能驾驶模式。如果车辆在智能驾驶模式下行驶，主蓄电池或冗余蓄电池总开关断开，则ES断开相应回路以隔絕故障的同时，电源系统中另一供配电回路应支持车辆平稳自动退出智能驾驶模式，同时通过CAN线向整车控制器以及驾驶员反馈故障状态以提醒驾驶员不要行车或停车检修。

在向整车控制器或驾驶员反馈故障状态的同时，冗余电源系统会根据电源系统中故障发生点以及故障原因不同，采取不同的处理策略。车辆电源系统故障形式为以下3种。

1）主供配电回路故障分别导致ES欠压或过压保护。

2）冗余供配电回路故障导致ES欠压或过压保护。

3）ES自身过流（但不欠压）或过温保护。

2.3.3  不同处理策略

冗余电源系统采取的不同处理策略可以分为以下3种。

1）若主供配电回路或者冗余供配电回路出现故障，则ES断开相应回路，剩余回路继续支持车辆运行，待回路故障排除后，ES接通相应回路。

2）若ES自身出现故障，则断开两侧回路，主供配电回路以及冗余供配电回路各自由主蓄电池、发电机以及冗余蓄电池供电，待ES恢复后再接通两侧回路。

3）在车辆处于智能驾驶控制模式且失效发生后，若问题不严重且处于可控范围内，则应在车辆进入到驾驶员控制模式，且由于熔断丝熔断等原因使得故障隔离或恢复后，使得ES重新自动接通，实现失效恢复，使整车能够继续正常行驶。

3  结束语

基于紧急电源开关的商用车冗余电源系统，通过紧急电源开关对电源系统供配电回路进行控制，并将其接入整车诊断网络，使其对于故障反应速度更快，故障隔离效果更好。针对电源系统不同失效形式制定了不同处理策略，提高了电源系统安全性以及可靠性，同时减少了控制器数量，降低了成本以及电源系统复杂度，为商用车冗余电源系统设计与发展提供了一种新思路。

参考文献：

[1] 李维杨. 试论汽车电动智能化发展趋势[J]. 现代工业经济和信息化，2022，12（11）：81-83.

[2] 程宁，王园刚，米浩锋. 重型汽车电源系统的匹配设计[J]. 汽车实用技术，2021，46（14）：87-91.

[3] 付莹莹，孙德龙，王胜放，等. 汽车功能安全发展趋势[J]. 重型汽车，2022（3）：42-43.

[4] 孙竞，周纯泽，章毅青. 智能驾驶车辆供电系统研究[J]. 汽车电器，2019（8）：1-5.

[5] 章毅青，仇宗来. 基于自动驾驶车辆的供电网络系统[J]. 上海汽车，2018（4）：22-27.

（编辑  杨凯麟）

收稿日期：2023-10-11