一種應(yīng)用于自動(dòng)駕駛車輛的冗余低壓電網(wǎng)系統(tǒng)

顧強(qiáng)源，張鐵欣，呂洪智，耿偉峰

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司 河北省汽車技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定071000）

隨著全球化市場(chǎng)整車自動(dòng)化駕駛的應(yīng)用，各主機(jī)廠都在投入大量研發(fā)資源，致力于開發(fā)具有自動(dòng)駕駛功能的車輛。自動(dòng)駕駛車輛旨在解放駕駛員的雙手和雙眼，提高駕駛舒適性及安全性，在系統(tǒng)出現(xiàn)失效情況時(shí)，提醒駕駛員及時(shí)接管車輛，同時(shí)，冗余系統(tǒng)能夠自主控制車輛在出現(xiàn)故障后實(shí)現(xiàn)本車道停車或靠邊停車。

1 現(xiàn)狀

12V低壓電網(wǎng)作為整車電器功能部件的基礎(chǔ)供電保障，現(xiàn)有的電源系統(tǒng)架構(gòu)中（圖1），當(dāng)?shù)蛪弘娋W(wǎng)供給系統(tǒng)出現(xiàn)短路、斷路等失效時(shí)，車輛的電源供給被切斷，自主行車控制部件將無(wú)法正常工作，存在車輛失控風(fēng)險(xiǎn)，危害司乘人身安全。

2 冗余低壓電網(wǎng)系統(tǒng)

本文意在介紹一種具有冗余功能的低壓供電系統(tǒng)方案，以解決在當(dāng)前傳統(tǒng)電網(wǎng)架構(gòu)下，通過較低的成本、較短研發(fā)周期、較小更改量，滿足具有自動(dòng)駕駛功能對(duì)低壓電網(wǎng)系統(tǒng)的需求。

2.1 冗余電網(wǎng)架構(gòu)

圖1 現(xiàn)有低壓電網(wǎng)系統(tǒng)

針對(duì)車輛低壓供電系統(tǒng)，采用雙電池+雙隔離部件的冗余低壓電網(wǎng)系統(tǒng)框圖（圖2）方案，通過使用備份的低壓電源供給系統(tǒng)為車輛自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)、冗余轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、冗余制動(dòng)系統(tǒng)等提供電源供給，滿足自動(dòng)駕駛車輛控制、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、燈光功能的電源冗余需求。當(dāng)車輛任意一路主干電源出現(xiàn)故障時(shí)，電源隔離部件能夠快速響應(yīng)，斷開故障回路，保證系統(tǒng)回路中有一路正常電源供給，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)靠邊停車或本車道緊急停車。

2.2 冗余低壓電網(wǎng)系統(tǒng)組成說(shuō)明

1）發(fā)電裝置：在車輛啟動(dòng)后為整車用電設(shè)備供電，同時(shí)可以為主電池、副電池充電。

2）主電池：向起動(dòng)機(jī)提供瞬時(shí)大電流，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種情況下能夠可靠起動(dòng)；在車輛不啟動(dòng)時(shí)，為整車負(fù)載供電；在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速或停機(jī)時(shí)能在一定時(shí)間內(nèi)保證用于其他重要系統(tǒng)所需的部分或全部電能。

圖2 冗余低壓電網(wǎng)系統(tǒng)框圖

3）副電池：為副電池側(cè)的用電設(shè)備供電。

4）隔離部件：連接發(fā)電裝置、主電池、副電池主回路，實(shí)現(xiàn)電源主回路的導(dǎo)通與隔斷。自身具備邏輯診斷及運(yùn)算能力，在電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)過壓、欠壓故障時(shí)，開關(guān)斷開，保證主電池、副電池兩側(cè)的電網(wǎng)系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，互不影響；在主電池側(cè)與副電池側(cè)各安裝有一個(gè)隔離部件。

5）電池監(jiān)控裝置：用于檢測(cè)蓄電池的電壓值、健康狀態(tài)，及蓄電池連接的回路是否導(dǎo)通，在主電池側(cè)與副電池側(cè)各安裝有一個(gè)電池監(jiān)控裝置。

6）自動(dòng)駕駛控制器：作為自動(dòng)駕駛的主控制器，通過采集傳感器信號(hào)與整車其他控制器模塊交互，進(jìn)行自動(dòng)駕駛的邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛控制；當(dāng)檢測(cè)到影響自動(dòng)駕駛功能實(shí)現(xiàn)的故障時(shí)，提示顧客接管，若駕駛員未接管，則自動(dòng)控制車輛實(shí)現(xiàn)靠邊停車或本車道緊急制動(dòng)。

7）自動(dòng)駕駛系統(tǒng)傳感器：為自動(dòng)駕駛控制器提供準(zhǔn)確的車輛及路況信息的傳感器、攝像頭等。

8）輔助駕駛控制器：作為自動(dòng)駕駛的輔助控制器，通過采集傳感器信號(hào)，與整車其他控制器模塊交互，當(dāng)自動(dòng)駕駛控制器出現(xiàn)異常時(shí)，車輛的輔助駕駛控制器自動(dòng)控制車輛實(shí)現(xiàn)靠邊停車或本車道緊急制動(dòng)。

9）輔助駕駛系統(tǒng)傳感器：為輔助駕駛控制器提供準(zhǔn)確的車輛及路況信息的傳感器及攝像頭等。

10）制動(dòng)系統(tǒng)：為主制動(dòng)系統(tǒng)，包含制動(dòng)系統(tǒng)傳感器、控制器及執(zhí)行器，在自動(dòng)駕駛功能場(chǎng)景下，接收自動(dòng)駕駛控制器或輔助駕駛控制器的工作指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)及駐車功能。

11）冗余制動(dòng)系統(tǒng)：為輔助制動(dòng)系統(tǒng)，包含輔助制動(dòng)系統(tǒng)傳感器、控制器及執(zhí)行器，在自動(dòng)駕駛功能場(chǎng)景下，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，冗余制動(dòng)系統(tǒng)接收自動(dòng)駕駛控制器或輔助駕駛控制器的工作指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)及駐車功能。

12）轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：為主要轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，包含轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳感器、控制器及執(zhí)行器。在自動(dòng)駕駛功能場(chǎng)景下，自動(dòng)駕駛控制器或輔助駕駛控制器發(fā)出轉(zhuǎn)向工作指令到轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。

13）冗余轉(zhuǎn)向系統(tǒng)：為輔助轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，包含備份的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳感器、控制器及執(zhí)行器；使用帶雙繞組的轉(zhuǎn)向電機(jī)，連接到副電池。在自動(dòng)駕駛功能場(chǎng)景下，自動(dòng)駕駛控制器或輔助駕駛控制器發(fā)出轉(zhuǎn)向工作指令時(shí)，雙繞組電機(jī)參與工作實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向，當(dāng)其中任意一路轉(zhuǎn)向電機(jī)故障時(shí)，另一路轉(zhuǎn)向控制器控制轉(zhuǎn)向電機(jī)降級(jí)工作，實(shí)現(xiàn)車輛自動(dòng)轉(zhuǎn)向功能。

14）常規(guī)負(fù)載：為車輛正常工作所連接的電氣負(fù)載，包括動(dòng)力系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、舒適娛樂系統(tǒng)等車用電器件。

15）冗余燈光控制：為自動(dòng)駕駛下的后部告警燈冗余控制系統(tǒng)，在自動(dòng)駕駛功能場(chǎng)景，常規(guī)燈光系統(tǒng)故障后，冗余燈光控制系統(tǒng)接收到自動(dòng)駕駛控制器的燈光工作指令，驅(qū)動(dòng)告警燈點(diǎn)亮，提示其它交通參與者，避免危害事件的發(fā)生。

3 系統(tǒng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)化

1）當(dāng)車輛電源模式為OFF時(shí)（圖3），隔離部件一、隔離部件二都處于斷開狀態(tài)（圖2），由主電池為輔助駕駛控制器、輔助駕駛系統(tǒng)傳感器、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、常規(guī)負(fù)載供電；副電池為自動(dòng)駕駛控制器、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)傳感器、冗余制動(dòng)系統(tǒng)、冗余轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、冗余燈光控制系統(tǒng)供電。

圖3 電源模式OFF時(shí)，隔離部件工作流程

圖4 電源模式ON時(shí)，隔離部件斷開工作流程

2）當(dāng)車輛電源模式為ON，且發(fā)電裝置端電路故障時(shí)，見圖4，隔離部件一、隔離部件二處于斷開狀態(tài)見圖2，由主電池為輔助駕駛控制器、輔助駕駛系統(tǒng)傳感器、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、常規(guī)負(fù)載供電；副電池為自動(dòng)駕駛控制器、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)傳感器、冗余制動(dòng)系統(tǒng)、冗余轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、冗余燈光控制系統(tǒng)供電。

3）當(dāng)電源模式為ON，車輛處于工作狀態(tài)時(shí)（圖5），隔離部件一的開關(guān)與隔離部件二的開關(guān)均處于閉合狀態(tài)（圖6），發(fā)電裝置為輔助駕駛控制器、輔助駕駛系統(tǒng)傳感器、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、常規(guī)負(fù)載、自動(dòng)駕駛控制器、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)傳感器、冗余制動(dòng)系統(tǒng)、冗余轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、冗余燈光控制系統(tǒng)供電，主電池及副電池為發(fā)電裝置。

圖5 兩隔離部件均導(dǎo)通工作流程

圖6 電源模式ON時(shí)，隔離部件斷開工作流程

4）當(dāng)電源模式為ON，如隔離部件一檢測(cè)到主電池側(cè)出現(xiàn)超過其限值的參數(shù)（圖7），則隔離部件一的開關(guān)斷開，隔離部件二的開關(guān)導(dǎo)通，發(fā)電裝置為隔離部件二連接的自動(dòng)駕駛控制器、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)傳感器、冗余制動(dòng)系統(tǒng)、冗余轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、冗余燈光控制系統(tǒng)供電（圖8）。

圖7 隔離部件一開關(guān)斷開，隔離部件二開關(guān)閉合工作流程

圖8 隔離部件一開關(guān)斷開，隔離部件二開關(guān)閉合狀態(tài)

圖9 隔離部件一開關(guān)閉合，隔離部件二開關(guān)斷開工作流程

5）當(dāng)電源模式為ON，如隔離部件二檢測(cè)到副電池側(cè)出現(xiàn)超過其限值的參數(shù)，流程見圖9，則隔離部件二的開關(guān)斷開，隔離部件一的開關(guān)導(dǎo)通，發(fā)電裝置為隔離部件一連接的主電池、輔助駕駛控制器、輔助駕駛系統(tǒng)傳感器、制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、常規(guī)負(fù)載供電，見圖10。

4 方案亮點(diǎn)及效果

1）此方案在現(xiàn)有的架構(gòu)平臺(tái)上增加了一個(gè)蓄電池，使用兩個(gè)隔離部件，實(shí)現(xiàn)低壓電源供給的冗余，通過兩路獨(dú)立的電源供給，滿足自動(dòng)駕駛車輛的控制、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、燈光功能的電源冗余需求。

2）本方案新增電源電路部分，可以與現(xiàn)有的架構(gòu)共同存在，不會(huì)對(duì)現(xiàn)有架構(gòu)造成沖突，以較低的成本、較短周期、較小更改量，應(yīng)用于現(xiàn)有架構(gòu)平臺(tái)。

3）本方案新增電源電路部分，可以實(shí)現(xiàn)車輛冗余轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、燈光的單獨(dú)供電。

4）本方案中隔離部件具有電源回路的電壓、電流異常檢測(cè)功能，在超出其限定值后能夠快速切斷故障回路，保證低壓電源系統(tǒng)的正常供給。

圖10 隔離部件一開關(guān)閉合，隔離部件二開關(guān)斷開

5）本方案中隔離器可以替代充電熔斷絲使用，其響應(yīng)時(shí)間為ms級(jí)，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，避免控制器因電壓異常波動(dòng)而出現(xiàn)重新啟動(dòng)造成功能失效。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了滿足車輛自動(dòng)駕駛功能的需求，提升車輛出現(xiàn)單點(diǎn)故障后的功能可用性，需要對(duì)車輛低壓電網(wǎng)系統(tǒng)增加冗余的設(shè)計(jì)，本方案通過使用電源隔離控制器，對(duì)主電源回路診斷，當(dāng)主電源回路出現(xiàn)故障時(shí)能夠快速切斷故障回路，并能持續(xù)地提供車輛制動(dòng)、轉(zhuǎn)向及后續(xù)安全工作所需要的電量，消除傳統(tǒng)電源系統(tǒng)中電源系統(tǒng)失效帶來(lái)的危害，保障司乘人員的安全。