CN115743004A - 一种商用车的冗余电源系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种商用车的冗余电源系统及控制方法，属于车辆供电技术领域，包括紧急电源开关、主供配电回路、冗余供配电回路和发电机，主供配电回路连接到发电机，冗余供配电回路通过紧急电源开关连接到发电机，冗余供配电回路还连接到主供配电回路。本发明能够当任一供配电回路发生故障时，紧急电源开关能够将发生故障的供配电回路断开，并保证另一路供配电回路能够继续正常工作，避免回路中单点故障而引起整个回路的失效，提高了整车电子电气系统的可靠性，同时提高了驾驶的安全性。同时能够通过控制器网络能够实时进行供配电回路的诊断，并快速响应供配电回路中出现的故障，大大提高了供配电回路的安全性及冗余电源系统的安全等级。

Description

一种商用车的冗余电源系统及控制方法

技术领域

本发明属于车辆供电技术领域，具体涉及一种商用车的冗余电源系统及控制方法。

背景技术

随着商用车智能驾驶需求的日益提升，整车用电设备越来越多，对整车电子电气系统的要求越来越高，不仅需要其满足可用性要求，还需要其满足功能安全性要求。例如，在L3级智能驾驶场景中，如果在整车运行过程中低压供电系统出现故障从而失效，可能造成智能驾驶控制器、整车控制器、关键负载的相应功能失效，进而可能导致转向或制动系统失去控制，从而造成严重的后果。因而需要整车电子电气系统低压供电电源在出现故障时具备继续为控制器以及关键负载供电的能力，车辆冗余电源系统也就渐渐走入大众视野。

现有的车辆冗余电源系统（CN114336943A，智能驾驶双冗余电源系统），其公开的智能驾驶双冗余电源系统设置主电源回路与从电源回路，且主电源回路上带主电源保护器、从电源回路上带从电源保护器，通过判断电源回路中存在的过压或欠压或过流故障切断对应电源回路，同时另外一个电源回路保持工作状态，即使发生故障也能保证驾驶员能够把车辆停放至安全区域，保证车辆行车安全，避免电源失效带来的控制器失效，其双冗余电源系统还包括有动力电池，动力电池分别与主电源保护器和从电源保护器电连接，并通过主电源保护器的通断控制向主蓄电池充电，通过从电源保护器的通断控制向从蓄电池充电，以保证主从蓄电池电量保持充足。但其也存在一定的缺点：（1）设置了两个主从电源保护器以及动力电池，增加了整车电子电气系统的成本；（2）于主从电源回路增加电源保护器，增加了电子电气系统的复杂程度，也不利于整车电源回路的安装与后期维护；（3）动力电池虽能够为主从电池提供电能，但其自身无充电机制以及保护机制，出现问题时会增加解决难度。

另外，现有的车辆冗余电源系统（CN216904359U，一种智能驾驶电源管理系统和车辆），其包括第一蓄电池、主电源管理器、直流降压器、冗余电源管理器、第二蓄电池、动力电池和负载，负载包括常规负载和多个关键负载，当常规负载出现故障时，切断主电源，通过冗余电源对关键负载进行供电，不会对关键负载的功能造成影响，使得关键负载能够正常工作。但其也存在一定的缺点：（1）虽然设置了双电源，但关键设备没有设置冗余设备，关键设备需适配主从电源，增加了设备的选型难度；（2）使用动力电池为主从电池充电增加了电路设计的复杂度，同时动力电池无监控及保护机制，若出现问题则无法及时排查并解决；（3）动力电池同时为主从电池以及关键负载供电，需要较高负载的蓄电池，其选择成本较高，动力电池无电后无法充电。

有鉴于此，本发明提供一种商用车的冗余电源系统及控制方法；以解决现有技术中存在的上述缺陷，是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术中存在双冗余电源回路需要两个保护器以及动力电池，增加电源回路复杂度以及维护难度，以及双冗余电源使用动力电池为主从电池充电，致使动力电池无保护及监测机制易产生问题且无法快速排查的缺陷，提供设计一种商用车的冗余电源系统及控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现上述目的，本发明给出以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种商用车的冗余电源系统，包括紧急电源开关、主供配电回路、冗余供配电回路和发电机，主供配电回路连接到发电机，冗余供配电回路通过紧急电源开关连接到发电机，冗余供配电回路还连接到主供配电回路。

在其中一个实施例中，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、主监测单元和若干主负载支路；

自动驾驶控制单元的第一端连接到发电机，自动驾驶控制单元的第二端连主负载之路连接到发电机和接到紧急电源开关，自动驾驶控制单元的第三端连接到冗余供配电回路，自动驾驶控制单元的第四端连接到主监测单元的第一端，主监测单元的第二端连接到主蓄电池，主监测单元的第三端连接到发电机；

整车控制器的第一端连接到发电机，整车控制器的第二端连接到紧急电源开关；

主负载支路连接到发电机和主监测单元的第三端。

在其中一个实施例中，主供配电回路还包括DC/DC变换器，主负载支路中的12V负载通过DC/DC变换器连接到发电机和主监测单元的第三端。

在其中一个实施例中，主供配电回路还包括CAN通讯单元，自动驾驶控制单元和整车控制器均通过CAN通讯单元连接到紧急电源开关。

在其中一个实施例中，主供配电回路还包括LIN通讯单元，主监测单元通过LIN通讯单元连接到自动驾驶控制单元。

在其中一个实施例中，冗余供配电回路包括冗余监测单元、冗余蓄电池和若干冗余负载支路，冗余负载支路的第一端通过紧急电源开关连接到发电机，冗余负载支路的第二端连接到冗余监测单元的第一端，冗余监测单元的第二端连接到冗余蓄电池，冗余监测单元的第三端通过LIN通讯单元连接到自动驾驶控制单元。

在其中一个实施例中，主供配电回路还包括主蓄电池总开关、第一保险丝和第二保险丝，主蓄电池总开关的第一端依次通过第一保险丝和第二保险丝连接到发电机，主蓄电池总开关的第二端连接到主蓄电池的正极，主蓄电池的负极通过主冗余监测单元接地。

在其中一个实施例中，主供配电回路还包括整车通电单元、整车发电机点火单元、第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第三保险丝、第四保险丝和第五保险丝，第一控制开关的第一端、第二控制开关的第一端和第三控制开关的第一端均通过第二保险丝连接到发电机，第一控制开关的第二端通过第三保险丝连接到整车通电单元，第二控制开关的第二端通过第四保险丝连接到整车发电机点火单元，第三控制开关的第三端通过第五保险丝连接到主负载支路中的负载。

在其中一个实施例中，冗余供配电回路还包括冗余电池总开关和第六保险丝，冗余电池总开关的第一端通过第六保险丝连接到紧急电源开关，冗余电池总开关连接到冗余蓄电池的正极，冗余蓄电池的负极通过冗余监测单元接地。

第二方面，本发明提供一种商用车冗余电源的控制方法，包括

S1、判断发电机是否处于工作状态；

若是，则转到S2；

若否，则断开紧急电源开关；

S2、闭合紧急电源开关，并监测主供配电回路和冗余供配电回路的状态；

S3、根据回路的状态，判断是否存在故障供配电回路；

若是，则转到S4；

若否，则转到S1；

S4、通过紧急电源开关断开故障供配电回路。

本发明的有益效果在于，本发明使得车辆在正常行驶时，由发电机通过紧急电源开关为主蓄电池和冗余蓄电池供电，再由主蓄电池和冗余蓄电池为主负载以及冗余负载供电，降低了电子电气系统复杂程度，同时也便于整车电源回路的安装及后期维护。另外，当任一供配电回路发生故障时，紧急电源开关能够将发生故障的供配电回路断开，并保证另一路供配电回路能够继续正常工作，避免回路中单点故障而引起整个回路的失效，提高了整车电子电气系统的可靠性，同时提高了驾驶的安全性。本发明还将紧急电源开关接入整车控制器网络，相较于其他动力电池以及双保护器的冗余电源架构，本发明降低了成本，同时通过控制器网络能够实时进行供配电回路的诊断，并快速响应供配电回路中出现的故障，大大提高了供配电回路的安全性及冗余电源系统的安全等级。

此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为该冗余电源系统的关系示意图。

图2为该冗余电源系统的电路原理图。

图3为该控制方法的流程示意图。

1为紧急电源开关，21为自动驾驶控制单元，22为整车控制器，23为主蓄电池，24为主监测单元，25为主负载支路，261为主蓄电池总开关，262为第一保险丝，263为第二保险丝，271为第一控制开关，272为第二控制开关，273为第三控制开关，274为第三保险丝，275为第四保险丝，276为第五保险丝，31为冗余监测单元，32为冗余蓄电池，33为冗余负载支路，341为冗余电池总开关，342为第六保险丝，4为发电机。

具体实施方式

为了便于更好的理解本发明，对本领域的相关技术特征做以下解释：

紧急电源开关（Emergency Switch，以下简称 ES）指依据控制逻辑，判断主供配电回路以及冗余供配电回路供电关系的带逻辑控制的开关；

车辆的失效状态：在车辆处于正常状态时，由于电路故障等原因会使供配电回路出现失效的情况，包括以下几种状态，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；其中，ES过压或欠压保护：供配电回路正常工作电压为16～32V，若发生故障使得供配电回路电压大于32V或小于16V，则此时ES处于过压或欠压状态，ES需断开相应回路以进行过压或欠压保护；ES过流或过温保护：由于ES两侧电压差过大等原因导致通过ES的电流超过其正常工作范围或当前ES温度超过其正常工作温度范围，则此时ES处于过流或过温状态，ES需断开相应回路以进行过流或过温保护；

失效恢复：失效发生后，如车辆已进入到手动驾驶模式，随着保险丝熔断等原因使得故障得以隔离或恢复，则ES可以重新自动恢复接通，实现失效恢复。

手动驾驶模式（Manual Driving ，以下简称MD）：指由驾驶员自己进行汽车操控的一种驾驶模式，此时自动驾驶模式不介入；

自动驾驶模式：指由自动驾驶控制单元进行整车运行过程中的操控以及控制的一种驾驶模式，此时手动驾驶模式不介入。

下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。

如图1和图2所示，本发明提供一种商用车的冗余电源系统，包括紧急电源开关、主供配电回路、冗余供配电回路和发电机，主供配电回路连接到发电机，冗余供配电回路通过紧急电源开关连接到发电机，冗余供配电回路还连接到主供配电回路。

具体地，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、主监测单元和若干主负载支路；自动驾驶控制单元的第一端连接到发电机，自动驾驶控制单元的第二端连主负载之路连接到发电机和接到紧急电源开关，自动驾驶控制单元的第三端连接到冗余供配电回路，自动驾驶控制单元的第四端连接到主监测单元的第一端，主监测单元的第二端连接到主蓄电池，主监测单元的第三端连接到发电机；整车控制器的第一端连接到发电机，整车控制器的第二端连接到紧急电源开关；主负载支路连接到发电机和主监测单元的第三端。其中，主负载支路中的负载包括启动机、主制动器、主转向器等。

另外，主供配电回路还包括DC/DC变换器、CAN通讯单元和LIN通讯单元，主负载支路中的12V负载通过DC/DC变换器连接到发电机和主监测单元的第三端；自动驾驶控制单元和整车控制器均通过CAN通讯单元连接到紧急电源开关；主监测单元通过LIN通讯单元连接到自动驾驶控制单元。其中，CAN通讯单元包括CAN1和CAN2，ES通过CAN2向自动驾驶控制单元以及整车控制器发送开关状态、恢复接通状态、故障诊断、数据采样等信息，自动驾驶控制单元通过CAN1向ES发送自动驾驶状态、蓄电池荷电状态等信息，整车控制器通过CAN1向ES发送发动机转速、发电机输出端电压等信息。通过上述的信息交换，能够对供配电回路状态进行实时监测迅速判断。

冗余供配电回路包括冗余监测单元、冗余蓄电池和若干冗余负载支路，冗余负载支路的第一端通过紧急电源开关连接到发电机，冗余负载支路的第二端连接到冗余监测单元的第一端，冗余监测单元的第二端连接到冗余蓄电池，冗余监测单元的第三端通过LIN通讯单元连接到自动驾驶控制单元。其中，冗余负载支路中的负载包括冗余制动器和冗余转向器等。其中，主监测单元与冗余监测单元使用ID相同的产品，便于更换，但是，为了便于区分，将LIN通讯单元与主监测单元相连的LIN接口和LIN通讯单元与冗余监测单元相连的LIN接口设置成不相同接口。

其中，主监测单元和冗余监测单元均采用智能电池传感器（Intelligent BatterySensor ，以下简称IBS），其作用是提供蓄电池的正极电压、输出电流、蓄电池温度、荷电状态、健康状态等监控数据，并将监控到的状态信息通过 LIN 接口发给自动驾驶控制单元。智能电池传感器还监测每组蓄电池的剩余容量进行监控。

具体地，主供配电回路还包括主蓄电池总开关、第一保险丝和第二保险丝，主蓄电池总开关的第一端依次通过第一保险丝和第二保险丝连接到发电机，主蓄电池总开关的第二端连接到主蓄电池的正极，主蓄电池的负极通过主冗余监测单元接地。

主供配电回路还包括整车通电单元、整车发电机点火单元、第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第三保险丝、第四保险丝和第五保险丝，第一控制开关的第一端、第二控制开关的第一端和第三控制开关的第一端均通过第二保险丝连接到发电机，第一控制开关的第二端通过第三保险丝连接到整车通电单元，第二控制开关的第二端通过第四保险丝连接到整车发电机点火单元，第三控制开关的第三端通过第五保险丝连接到主负载支路中的负载。

冗余供配电回路还包括冗余电池总开关和第六保险丝，冗余电池总开关的第一端通过第六保险丝连接到紧急电源开关，冗余电池总开关连接到冗余蓄电池的正极，冗余蓄电池的负极通过冗余监测单元接地。

主蓄电池总开关和冗余电池总开关均为继电器，且均由驾驶室内同一个电子开关进行控制。如果整车启动后冗余电池总开关没闭合，或手动驾驶模式下的行驶过程中主蓄电池总开关或冗余电池总开关断开，自动驾驶控制单元获取到 IBS 的电压信号异常后，发送CAN信息给整车仪表，提供警示信息提醒驾驶员。如果车辆在自动驾驶模式的行驶过程中，如果主蓄电池总开关或冗余电池总开关突然断开，则需要通过CAN反馈相应故障状态以支持车辆平稳自动退出自动驾驶模式。第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关的控制状态由控制钥匙的OFF、ACC（启动模式）、START、ON 四个档位进行控制。

该冗余电源系统包括以下几种工作状态：

状态一：发电机停止工作，ES不通。在蓄电池容量耗尽前，主蓄电池仍然可以给主负载供电，冗余蓄电池仍然可以给冗余负载供电。根据车辆所处的电源模式的不同，分别控制相应控制开关的通断，实现不同电源模式下分别给不同的负载进行供电的目的；

状态二：发电机正常工作，ES导通。发电机输出端电压高于蓄电池正极电压，发电机给主负载和冗余负载供电，并给主蓄电池和冗余蓄电池充电。根据车辆工作的需要，分别控制相应继电器的通断，给不同的负载进行供电；

状态三：ES将两侧回路切断，冗余蓄电池仍然可以给冗余负载供电；

状态四：ES将两侧回路切断，此时主负载和冗余负载均无法正常工作，因此驾驶员应在冗余蓄电池容量耗尽前，完成应变操作，例如在当前车道内停车或靠边停车；

状态五：ES执行欠压或过压保护，将两侧回路切断。冗余回路因欠压或过压状态导致无法正常工作，主回路在ES切断后仍然可以正常工作，发电机给主负载供电，并给主蓄电池充电；

状态六：ES执行过流（但不欠压）或过温保护，将两侧回路切断。主供配电回路仍然可以正常工作，发电机给主负载供电，并给主蓄电池充电；冗余供配电回路仍然可以正常工作一段时间，由冗余蓄电池给冗余负载供电，直至冗余蓄电池容量耗尽；

状态七：ES恢复接通前，ES两侧电压差造成的瞬时大电流损坏ES或造成过流保护应先进行预充电过程，预充电过程主电路正常工作并且给冗余蓄电池充电直至两侧电压差在允许范围内，此时失效恢复完成，冗余电源的工作状态与状态二一致；

状态八：车辆处于失效恢复锁死或ES损坏导致开路状态，主供配电回路仍然可以正常工作，发电机给主负载供电，并给主蓄电池充电；冗余供配电回路仍然可以正常工作一段时间，由冗余蓄电池给冗余负载供电，直至冗余蓄电池容量耗尽，此时车辆不可以进入自动驾驶模式；

状态九：ES损坏导致短路，则供电状态与状态二相似，但此时ES无法切断以隔离故障，同时车辆不可以进入自动驾驶模式。

其中，当车辆处于状态三、状态四、状态五和状态六时，如果ES切断前，车辆处于自动驾驶模式，则ES切断的同时，应通过CAN反馈相应故障状态以支持车辆平稳自动退出自动驾驶模式，逐步过渡到手动驾驶模式，并通过人机交互（Human Machine Interface ，以下简称HMI）给驾驶员提供相应的提醒，由驾驶员接管并操作车辆。如果ES切断前，车辆处于手动驾驶模式，则同样通过 HMI 给驾驶员提供相应的提醒。车辆的失效状态恢复前，车辆不可以进入自动驾驶模式。根据以上冗余电源不同的工作状态，可以在任一供配电回路出现问题时保证车辆能够安全停下，提高车辆的安全等级。

如图3所示，本发明提供一种商用车冗余电源的控制方法，包括

S1、判断发电机是否处于工作状态；

若是，则转到S2；

若否，则断开紧急电源开关；

S2、闭合紧急电源开关，并监测主供配电回路和冗余供配电回路的状态；

S3、根据回路的状态，判断是否存在故障供配电回路；

若是，则转到S4；

若否，则转到S1；

S4、通过紧急电源开关断开故障供配电回路。

以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种商用车的冗余电源系统，其特征在于，包括紧急电源开关、主供配电回路、冗余供配电回路和发电机，主供配电回路连接到发电机，冗余供配电回路通过紧急电源开关连接到发电机，冗余供配电回路还连接到主供配电回路。

2.根据权利要求1所述的一种商用车的冗余电源系统，其特征在于，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、主监测单元和若干主负载支路；

自动驾驶控制单元的第一端连接到发电机，自动驾驶控制单元的第二端连主负载之路连接到发电机和接到紧急电源开关，自动驾驶控制单元的第三端连接到冗余供配电回路，自动驾驶控制单元的第四端连接到主监测单元的第一端，主监测单元的第二端连接到主蓄电池，主监测单元的第三端连接到发电机；

整车控制器的第一端连接到发电机，整车控制器的第二端连接到紧急电源开关；

主负载支路连接到发电机和主监测单元的第三端。

3.根据权利要求2所述的一种商用车的冗余电源系统，其特征在于，主供配电回路还包括DC/DC变换器，主负载支路中的12V负载通过DC/DC变换器连接到发电机和主监测单元的第三端。

4.根据权利要求2所述的一种商用车的冗余电源系统，其特征在于，主供配电回路还包括CAN通讯单元，自动驾驶控制单元和整车控制器均通过CAN通讯单元连接到紧急电源开关。

5.根据权利要求2所述的一种商用车的冗余电源系统，其特征在于，主供配电回路还包括LIN通讯单元，主监测单元通过LIN通讯单元连接到自动驾驶控制单元。

6.根据权利要求5所述的一种商用车的冗余电源系统，其特征在于，冗余供配电回路包括冗余监测单元、冗余蓄电池和若干冗余负载支路，冗余负载支路的第一端通过紧急电源开关连接到发电机，冗余负载支路的第二端连接到冗余监测单元的第一端，冗余监测单元的第二端连接到冗余蓄电池，冗余监测单元的第三端通过LIN通讯单元连接到自动驾驶控制单元。

7.根据权利要求6所述的一种商用车的冗余电源系统，其特征在于，主供配电回路还包括主蓄电池总开关、第一保险丝和第二保险丝，主蓄电池总开关的第一端依次通过第一保险丝和第二保险丝连接到发电机，主蓄电池总开关的第二端连接到主蓄电池的正极，主蓄电池的负极通过主冗余监测单元接地。

8.根据权利要求6所述的一种商用车的冗余电源系统，其特征在于，主供配电回路还包括整车通电单元、整车发电机点火单元、第一控制开关、第二控制开关、第三控制开关、第三保险丝、第四保险丝和第五保险丝，第一控制开关的第一端、第二控制开关的第一端和第三控制开关的第一端均通过第二保险丝连接到发电机，第一控制开关的第二端通过第三保险丝连接到整车通电单元，第二控制开关的第二端通过第四保险丝连接到整车发电机点火单元，第三控制开关的第三端通过第五保险丝连接到主负载支路中的负载。

9.根据权利要求6所述的一种商用车的冗余电源系统，其特征在于，冗余供配电回路还包括冗余电池总开关和第六保险丝，冗余电池总开关的第一端通过第六保险丝连接到紧急电源开关，冗余电池总开关连接到冗余蓄电池的正极，冗余蓄电池的负极通过冗余监测单元接地。

10.一种商用车冗余电源的控制方法，其特征在于，包括

S1、判断发电机是否处于工作状态；

若是，则转到S2；

若否，则断开紧急电源开关；

S2、闭合紧急电源开关，并监测主供配电回路和冗余供配电回路的状态；

S3、根据回路的状态，判断是否存在故障供配电回路；

若是，则转到S4；

若否，则转到S1；

S4、通过紧急电源开关断开故障供配电回路。

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