关于整车能量管理优化系统的研究

叔大海 孙立柱 黄旭玲 叶平

摘 要：能量管理系统的优化在整车开发过程中作为一个重要环节，对提升汽车性能至关重要。文章介绍了整车能量管理在整车厂的现状、从技术水平优化整车的能量管理系统来来监控网络中各控制器的睡眠状态以及预唤醒状态，便于能量的合理分配，节省了部分控制器的唤醒时间。基于CAN总线网络管理技术实现能量管理优化的功能，提高了信息传输的速率，具有可靠性、实时性和灵活性。基于CL30s优化能量管理系统，通过监测CAN总线上所有控制器的网络管理报文，整车是否满足进入睡眠、唤醒条件。提供了一种优化能量分配的系统方法。

关键词：能量管理;网络管理;CAN

中图分类号：U462  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）19-103-03

Research on the optimization system of vehicle energy management

Shu Dahai， Sun Lizhu， Huang Xuling， Ye Ping

（ Brilliance Automotive Engineering Research Institute， Liaoning Shenyang 110141 ）

Abstract： The optimization of energy management system is an important part of the vehicle development process and is essential for improving vehicle performance. This paper introduces the current situation of vehicle energy management in some domestic automakers， and optimizes the vehicle's energy management system from the technical level to monitor the sleep state and pre-awake state of each controller in the network， which facilitates the rational allocation of energy and saves The wake-up time of some controllers. Based on the CAN bus network management technology to achieve energy manage -ment optimization， the information transmission rate is improved， with reliability， real-time and flexibility. Based on the CL30s optimized energy management system， by monitoring the network management messages of all controllers on the CAN bus， whether the vehicle meets the requirements for entering sleep and wake-up. A systematic approach to optimizing energy distribution is provided.

Keywords： Energy management; Network management; CAN

CLC NO.： U462  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）19-103-03

前言

隨着汽车市场的发展需求，汽车的智能化需求，这会对整车能量管理系统要求越来越高，汽车的耗电情况及长时间的放置车辆仍可启动等性能要求更苛刻。为了能够满足客户需求，整车厂在研发过程中会在整车上搭载更多的电子设备，以至于电气相关控制器的种类不断增多，功能和控制网络越来越复杂，整车电气系统和控制网络越来越复杂，随之采用CAN（CONTROLLER AREA NETWORK）总线标准的车载网络控制技术的应用也越来越广泛[1]。为了保证整车的性能和可靠性的前提下，需要在产品开发阶段就对整车能量管理系统进行更为合理的分配。

对于整车能量管理系统的优化，采用合理的电源分配。网络管理技术作为核心技术使得整车所有控制器一同睡眠和唤醒，从而节省整车能量。如果点火开关处于关闭的状态下，而此时控制器一直检测到输入信号，控制器需要时刻执行相应功能，持续有输出信号，这将致使控制器不能发出睡眠信号，不能进入睡眠模式，最终导致整车处于耗能状态。

1 整车能量管理系统现状

近年来，由于客户需求的增加，越来越多的整车厂在整车上搭载更多的电子设备，开发时期设计的能量管理系统不够完善导致整车处于耗电快的状况。电源档位在OFF、ACC以及Start间切换，某些整车厂不使用网络管理机制，只要接收到OFF信号，所有控制器均进入睡眠模式。大多数整车厂会采用AUTO SAR（AUTOmotive Open System Architecture，汽车开放系统架构）[2]和OSEK NM（open systemsand the corresp-onding interfaces for automotive electronics Network Management） [3]，网络管理机制。

目前，汽车控制领域存在多种总线标准，且每种总线标准的侧重点有所不同。AUTOSAR是汽车制造商、零部件供应商为汽车电子提出的开放式标准和架构，以便应用于不同的汽车和平台，提高软件复用性，降低开发成本。OSEK网络管理系统应用于嵌入式汽车通信网络，管理网络当中各个ECU之间的通信，提高网络的通信效率。国内的各大汽车厂商、科研院校也越来越关注AUTOSAR和OSEK带来的标准化的设计、开发、验证，从而大幅提高汽车电子的研发效率和研发质量。

2 整车能量管理技术

通过网络管理技术既可监控总线上各控制器节点的运行状态，又可控制整车CAN总线网络的睡眠和唤醒，从而实现整车节能的目的。一般情况下，如果点火开关处于关闭状态，各控制器将会监控总线所有输入信号，在一定时间内没有检测到任何输入信号，相应控制就达到睡眠条件，然后将睡眠请求发送到CAN总线，如果其他控制器同样满足相应条件也会将睡眠请求发送到CAN总线，之后通过CAN总线网络管理机制，整车即可进入睡眠，从而节省整车能量的损耗。反之，如果进入已经睡眠的车辆，通过某种方式（例如使用遥控钥匙对整车进行解锁）将相关控制器唤醒，通过网络管理功能，其他控制器也将一起被唤醒，且将相关信号发送到CAN总线，使得整个网络中各控制器接收到唤醒提示。网络管理技术的关键在于使得整车所有控制器同时进入睡眠模式和唤醒，以节省整车能量。

2.1 网络管理报文格式

参与网络管理的各控制器均被分配一个独有报文ID，且由报文基地址和节点ID两部分组成，网络管理报文帧格式与标准CAN总线报文格式相同，数据长度均为8byte。基于OSEK_NM的CAN网络中通常采用直接网络管理，直接网络管理报文类型包括Alive报文，Ring报文，Limp Home报文等。

AUTOSAR_NM报文为周期性发送的报文，并以广播的方式发送到网络上使得所有节点都可以接收到。为整个网络的通信提供了一个可控的唤醒和关闭机制，进而保证整个网络同步进入睡眠状态，实现整车网络协同睡眠，以便管理需要延时断电的控制器。相对于OSEK网络管理机制逻辑更简单、高效，总线睡眠转换更快，且具备总线负载控制功能。所以本文基于AUTOSAR_NM的网络管理标准进行整车能量管理系统进行优化研究。

2.2 总线的睡眠与唤醒

电源档位切换至OFF，某些控制器没有网络需求时，将停止发送网络管理报文，等待整个网络均停止发送网络报文和应用报文后，总线进入睡眠状态。一段时间（CL30s）掉电后整车进入低功耗状态，降低整车的静态电流消耗，延长蓄电池使用寿命。AUTOSAR_NM睡眠唤醒状态转换如图1所示。

电源档位为OFF且总线处于睡眠状态或整车在低功耗状态下。某种唤醒源产生时，各控制器首先进入初始化状态，随之进入Repeat Message Status（重复发送报文状态）。当唤醒方式为内部唤醒，遥控钥匙上锁解锁或特殊的总线报文唤醒时，各控制器进入Prepare Bus Sleep（預睡眠状态）;当通过切换电源档位时各控制器进入Normal（正常通讯状态）。网络管理报文的周期性发送确保了所有节点只要有网络请求，即可保持网络唤醒状态。

2.3 整车静态电流

车辆处于停车状态下，整车控制器不往总线发送信号状态且处于低功耗模式下，仍有一些控制器消耗蓄电池的电量。一旦静态电流过大会影响车辆停放的时长，甚至会导致车辆无法启动，因此整车进入低功耗模式后，静态电流需要精确地测量和计算，且各零部件需要满足静态电流的分级，满足车辆的日常消耗。长时间放置的车辆能够再次启动，要求整车静态电流过小，即整车的能量管理系统需要设计地更为合理。

3 整车能量管理系统的优化

电源档位在OFF、ACC以及Start间切换，某些整车厂不使用网络管理机制，只要接收到OFF信号，所有控制器均进入睡眠模式。直接通过点火钥匙位置控制电源档位逻辑如图2所示。其工作原理较为简单，但各控制器的唤醒时间较长，给客户带来较差的体验。

另外一种优化整车能量管理系统的方式是增加一种电源档位机制CL30s，它是一个由网关继电器吸合从而激活的硬件开关式电源档位状态，CL30s与点火开关无关，由控制器产生，如图3所示。

通过ECU实现电源档位逻辑的控制，电源档位逻辑变化是通过依次改变钥匙位置来实现的。在电源档位改变为ACC、ON或者Start之前，CL30s为零部件或者ECU的运行提供一个主要的供电电压值。整车进入睡眠后的在一定时间内，CL30s仍然需要为零部件提供一定的能量。从整车唤醒到电源档位切换到OFF后的一定时间内均供电。根据不同的需求，该电源可给控制器供电也可以直接给负载供电。

利用CL30s来监控网络中各控制器的睡眠状态以及预唤醒状态，便于能量的合理分配，节省了部分控制器的唤醒时间，控制逻辑简单等优点。如车辆在进入彻底睡眠状态后，通过打开司机侧车门从而唤醒整车信号，可通过CL30s预先给动力及多媒体启动的能量，提高控制器开启时间，便于用户的体验。

4 总结

整车中网络管理技术既可监控总线上各控制器节点的运行状态，又可控制整车CAN总线网络的睡眠和唤醒，从而实现整车节能的目的。CL30s是一个由网关继电器吸合从而激活的硬件开关式电源档位状态，在整车进入睡眠后的一定时间内，CL30s仍然需要为零部件提供一定的能量。利用一个控制器来控制电源档位的输出，节省了系统资源，控制逻辑简单，易于控制。统一规划电源档位逻辑，有利于整车架构设计，逃避繁琐的定义，提高了工作效率，使整车的能量得到更合理的利用及分配。

参考文献

[1] 何进进，肖金生.基于CAN总线的汽车电子标识系统[J].武汉理工大学学报：信息与管理工程版.

[2] 蒋建春，万莹，易纲等.基于AUTOSAR架构的通信系统的研究与实现[J].计算机测量与控制， 2011（07）.

[3] 马保，罗晓敏，涂时亮，沈灏，仇睿.OSEK/VDX操作系统功能测试研究[J].计算机工程，2012（06）.