基于場景識別的電動汽車喚醒、休眠策略設(shè)計

徐志峰 孫江輝 張兆龍 李玉軍

摘 要：為合理應(yīng)用車載低壓電能，文章設(shè)計了基于應(yīng)用場景識別的一體化分層喚醒、休眠控制的策略。根據(jù)KL30下整車有效喚醒狀態(tài)按需喚醒電控單元，并引入用車場景預(yù)測、提前喚醒電控單元，解決電控單元按需喚醒下用車場景快速切換帶來的響應(yīng)延遲問題;同時，通過場景識別進(jìn)一步排查無法休眠的電控單元，進(jìn)行防低壓虧電控制。文章應(yīng)用CANOE?工具仿真了用戶遙控解充電槍鎖操作及充電口單元無法休眠工況，結(jié)果表明，所提出的控制策略能夠提高解充電槍鎖響應(yīng)速度，并能夠識別出無法休眠電控單元進(jìn)行防虧電控制。

關(guān)鍵詞：場景識別;電動汽車;喚醒、休眠策略

中圖分類號：TP273 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）05-31-04

Abstract： In order to save 12V power， wakeup & sleep mechanism is designed by use case recognition. After use case recognition and user intention prediction according to the running wakeup resource and user action， only related ECUs will be waked up. Moreover， ECUs that cannot sleep in time will be marked and measures will be taken to prevent 12V battery drainage. Door operating condition and illegal wakeup condition of a model car was simulated by CANOE， to validate the control strategy in energy saving and battery drainage prevention， accordingly.

Keywords： Use Case Recognition; Electric Vehicle; Wakeup &Sleep Control

1 前言

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電動化、共享化，車載電控單元數(shù)量不斷增多[1]。電控單元應(yīng)按照用戶需求及時喚醒，以執(zhí)行電控功能;同時，應(yīng)在無功能需求時盡快進(jìn)入掉電或休眠狀態(tài)，以防止蓄電池虧電[2]。當(dāng)前，文獻(xiàn)多圍繞通過設(shè)計局部網(wǎng)絡(luò)[3-5]，開展喚醒、休眠機(jī)制設(shè)計的研究，但未考慮設(shè)計機(jī)制以避免當(dāng)前無關(guān)、未喚醒控制器在下一功能需求出現(xiàn)時喚醒啟動慢、影響用戶體驗的問題。此外，現(xiàn)有防虧電研究多聚焦于低壓電源管理策略[6]，而圍繞如何識別無法休眠電控單元、進(jìn)行防虧電主動控制的研究也較少。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種基于所識別的應(yīng)用場景同時考慮用戶意圖預(yù)測的喚醒、休眠的一體化控制機(jī)制，能夠在保證功能響應(yīng)前提下按需進(jìn)行部件差異化喚醒;同時，識別無法休眠部件并進(jìn)行防虧電主動控制。

2 一體化供電、喚醒及休眠控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 供電、喚醒源的分類及設(shè)計方法

按照供電電路的結(jié)構(gòu)，汽車上典型的低壓供電方式可分為兩類：一類為常電供電，即直接由12V蓄電池正極供電;還有一類為由其它控制器控制繼電器供電，比如ACC繼電器、IG繼電器、充電類控制供電繼電器，等。按照喚醒來源，可將喚醒源分為兩類：一類為本功能域外輸入的喚醒，比如動力域接收的網(wǎng)聯(lián)模塊發(fā)出的遠(yuǎn)程控制功能喚醒信號;另一類為自身直接接收的傳感器輸入的喚醒信號或本功能域內(nèi)其它控制器輸出的喚醒，比如動力域控制器接收到的插槍喚醒信號。本文提出一種場景需求設(shè)計法，進(jìn)行電控單元供電、喚醒機(jī)制設(shè)計。首先根據(jù)用戶使用情況進(jìn)行車輛場景劃分，每個場景下均對應(yīng)一系列電控功能，電控功能又與控制器關(guān)聯(lián)，經(jīng)過如此由上至下分析，明確了電控單元需要在哪些用戶場景下工作，最終對應(yīng)得出供電、喚醒機(jī)制可選范圍。

根據(jù)用戶使用場景，將用車場景劃分為靜置休眠、總線激活、高壓上電、低壓上電、整車上電、車輛駕駛共六個場景，各模式下典型功能如表1所示。在休眠靜置場景下，所有電控單元應(yīng)該處于斷電或休眠狀態(tài)。部分接收車外喚醒的控制器保持喚醒探測狀態(tài)，需要連接常電。在總線激活場景下，通常情況下為某接收到車外喚醒的控制器將功能相關(guān)控制器喚醒，以實現(xiàn)功能運轉(zhuǎn)，這就要求此類接收車外事件喚醒的控制器具備喚醒輸出能力，比如對外發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報文[7]，或者對外輸出高低電平變化的線路喚醒;與此對應(yīng)，與功能相關(guān)的控制器應(yīng)能夠被上述第一個喚醒控制器喚醒。在高壓上電場景下工作的電控單元，可由動力域控制器在進(jìn)行高壓上電引導(dǎo)時同步喚醒，比如熱管理系統(tǒng)控制單元。僅在低壓上電、整車上電、車輛駕駛場景下有工作需求的控制器，僅需要具備接收IG喚醒，出于節(jié)省IG電連接線束考慮也可具備網(wǎng)絡(luò)喚醒。

當(dāng)電控單元無功能需求時，應(yīng)在供電或喚醒切斷后對應(yīng)進(jìn)入停機(jī)或休眠狀態(tài)。

2.2 一體化供電、喚醒及休眠架構(gòu)設(shè)計

為便于整車喚醒、休眠的統(tǒng)一管理，本文設(shè)計了具有分層架構(gòu)的一體化供電、喚醒機(jī)制。與分散式喚醒、休眠機(jī)制不同，本架構(gòu)下，各功能域控制器的喚醒、休眠由域控制器全盤管理，包括根據(jù)場景喚醒需要的控制器或引導(dǎo)其休眠，和無法正常休眠控制器的識別與防低壓虧電管理。域控制器即指圖1的動力域、車身域、信息娛樂域等的主控制器[8]。

以交流充電功能為例，介紹本文所研究的分層喚醒機(jī)制。在用戶將交流充電槍與車端充電口連接后，充電口控制單元會被充電槍連接這一事件喚醒;接下來，充電口控制單元將整車控制器喚醒，并告知其現(xiàn)在有交流充電槍連接;整車控制器在判定車輛具備充電條件時，將動力電池控制器、冷卻控制器等喚醒，以執(zhí)行充電。

前文中提到，各域控制器根據(jù)當(dāng)前場景判斷及場景預(yù)測，進(jìn)行下游控制器喚醒，當(dāng)本功能域和其它功能域均無相關(guān)功能需求時，域控制器引導(dǎo)下游控制器進(jìn)入休眠。其中，本功能域無功能需求是指域控制器自身無報文喚醒以外喚醒輸入，域內(nèi)各下游OSEK網(wǎng)絡(luò)管理控制器均置位并發(fā)送休眠請求標(biāo)志位，或不參與OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的域內(nèi)控制器停止報文發(fā)送。

3 預(yù)測喚醒與異常防虧電控制

考慮到電控單元由休眠狀態(tài)到喚醒后的可正常工作狀態(tài)，大概需要150ms左右的時長，若喚醒回路中有不止一個控制器，則整體喚醒時間將翻倍或更長，最終可能影響用戶需求的響應(yīng)速度。因此，有必要進(jìn)行場景預(yù)測并提前喚醒即將可能用到的控制器，以準(zhǔn)備好響應(yīng)用戶需求。本文主要研究用戶解鎖交流充電槍操作下的預(yù)測喚醒控制。為防止較大電流充電過程中，充電槍被帶載拔出造成設(shè)備損毀，規(guī)定充電功率在6.6kw時需要配置充電槍鎖止裝置。此外，在充電結(jié)束后，出于防盜考慮，車端充電口控制單元保持充電槍鎖處于閉鎖狀態(tài)，當(dāng)用戶下一次用車時，按動遙控鑰匙解鎖車門后，再連續(xù)按動遙控鑰匙解鎖鍵兩次即打開充電槍鎖，以便于用戶在車外即拔下充電槍，結(jié)束充電。在這一場景下的預(yù)測喚醒控制策略，可表示為流程圖2。

域控制器能夠根據(jù)場景建立喚醒白名單，此白名單用于休眠異常控制器的識別。域控制器根據(jù)接收到的報文情況，對于活躍報文屬于白名單外電控單元的，標(biāo)記為無法正常休眠，此后域控制器清除對域外網(wǎng)段的功能需求，以使本域內(nèi)的休眠故障控制器不影響其它網(wǎng)段正常休眠。

4 工況仿真與策略驗證

4.1 仿真環(huán)境介紹

本文應(yīng)用CANOE進(jìn)行了總線仿真，所搭建的網(wǎng)絡(luò)分為三個網(wǎng)段，分別為車身域網(wǎng)段、動力域網(wǎng)段、動力域內(nèi)部網(wǎng)段。所搭建網(wǎng)絡(luò)模型中的4個控制器均具備OSEK網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，且均連接常電。GW為網(wǎng)關(guān)控制器，負(fù)責(zé)根據(jù)域控制器跨網(wǎng)段路由需求進(jìn)行信號跨網(wǎng)段路由;PDCU、BDCU分別為動力域控制器、車身域控制器，負(fù)責(zé)根據(jù)本域內(nèi)及整車其它功能域的功能需求，進(jìn)行下游控制器喚醒、休眠引導(dǎo)控制;CCU為充電口控制單元，負(fù)責(zé)根據(jù)PDCU命令進(jìn)行電磁鎖閉鎖、解鎖，負(fù)責(zé)接收充電設(shè)備信號并首先被喚醒。

4.2 充電后用戶遠(yuǎn)程解鎖場景仿真

4.2.1 未采用預(yù)測喚醒控制策略時解充電槍鎖

仿真結(jié)果圖3所示，首先，遙控鑰匙解鎖信號將BDCU喚醒，BDCU開始在車身域網(wǎng)段發(fā)送報文，GW隨后被喚醒并在車身域網(wǎng)段發(fā)送報文?？梢?，由于未采用預(yù)測喚醒策略，用戶第一次按下解鎖車門按鍵，BDCU僅根據(jù)當(dāng)前功能需求未將動力域喚醒。隨后3.2s時BDCU接收到用戶連續(xù)兩次按下遙控鑰匙解鎖鍵后，才開始要求GW喚醒動力域，并向PDCU發(fā)送解鎖信號，后者再將CCU喚醒，在3.7s時解鎖充電槍的電磁鎖。從用戶在開始發(fā)出解充電槍鎖信息，到CCU將充電槍鎖解開，中間需要依次喚醒PDCU及CCU，大概耗時500ms。

根據(jù)用戶調(diào)查，發(fā)現(xiàn)部分用戶在連續(xù)兩次按下遙控鑰匙解鎖鍵后，會同步進(jìn)行拔槍操作，若有上述500ms響應(yīng)延時，會導(dǎo)致第一次拔槍失敗。

4.2.2 采用預(yù)測喚醒控制策略時解充電槍鎖

當(dāng)采用預(yù)測喚醒控制策略時，仿真結(jié)果如圖4所示。根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在車輛進(jìn)入充電前，3.3s時電磁鎖已經(jīng)閉鎖，CCU經(jīng)過PDCU、GW的信號傳遞，向BDCU發(fā)送了電磁鎖閉鎖狀態(tài)，后者開始置位預(yù)測喚醒需求位。充電結(jié)束后，整車進(jìn)入休眠狀態(tài)，用戶第一次按下遙控解鎖按鍵，16.2s時BDCU醒來即開始向GW提出喚醒動力域的需求，并通知PDCU有預(yù)測充電槍解鎖需求，后者將CCU喚醒。至此，BDCU、PDCU、CCU均進(jìn)入喚醒狀態(tài)，準(zhǔn)備好執(zhí)行用戶的解充電槍鎖命令。19.3s時BDCU收到上述命令傳遞到CCU后，充電槍鎖隨后打開，間隔100ms。用戶拔下充電槍，由于無功能需求，車輛進(jìn)入休眠。32.2s時，當(dāng)用戶再次按下遙控鑰匙解鎖車門按鍵，車上僅BDCU被喚醒，PDCU、CCU均未喚醒。

結(jié)果表明，在采用了預(yù)測喚醒策略后，BDCU能夠根據(jù)充電槍電磁鎖閉鎖狀態(tài)，置位充電槍解鎖預(yù)測喚醒需求位，并在下一次被遙控解車門鎖信號喚醒時，要求將PDCU、CCU喚醒，便于收到進(jìn)一步命令后將充電槍迅速解開。

4.3 整車下電后CMU無法休眠場景及防虧電控制

本節(jié)進(jìn)行異常休眠故障仿真。在充電槍未連接的前提下，CCU持續(xù)發(fā)送休眠請求指示位為0，導(dǎo)致動力域內(nèi)網(wǎng)段無法休眠，且PDCU無法向GW發(fā)送休眠請求;1.1s時，PDCU根據(jù)收到的報文發(fā)現(xiàn)，車輛未插槍條件下，CCU仍無法休眠，從而識別出CCU有異常休眠情況，PDCU標(biāo)記“休眠異常標(biāo)志位”;此后，PDCU在動力域?qū)ν饩W(wǎng)段發(fā)送休眠請求指示位，在BDCU滿足延時10s休眠條件后，GW引導(dǎo)整車除動力域內(nèi)部網(wǎng)段外，進(jìn)入休眠狀態(tài)，最終使休眠異常僅影響動力域?qū)?nèi)網(wǎng)段。

5 結(jié)論

本文研究了基于應(yīng)用場景識別的電動汽車喚醒、休眠一體化控制策略，結(jié)論如下：

（1）分層的一體化喚醒、休眠控制架構(gòu)，統(tǒng)一解析車輛的功能需求，基于應(yīng)用場景需求進(jìn)行相關(guān)電控單元喚醒控制，從而最小化喚醒電控單元數(shù)量，并進(jìn)行異常休眠處理;

（2）基于應(yīng)用場景預(yù)測，域控制器可以進(jìn)行下游控制器的預(yù)測喚醒控制，本文探討了遙控解鎖場景下，采用預(yù)測喚醒策略能夠保證充電槍解鎖更迅速;

（3）基于應(yīng)用場景，識別出無法正常休眠的電控單元，進(jìn)行防虧電控制，以降低部件休眠異常帶來的12V蓄電池虧電的風(fēng)險。

參考文獻(xiàn)

[1] 歐陽明高.迎接新能源智能化電動汽車新時代[J].科技導(dǎo)報， 37（7）： 1-1.

[2] Suozzo C. Lead-acid battery aging and state of health diagnosis[D]. The Ohio State University， 2008.

[3] Seyler J R，Streichert T， Warkentin J， et al. A self-propagating wakeup mechanism for point-to-point networks with partial network support [C]//2014 Design，Automation & Test in Europe Conference & Exhi -bition （DATE）. IEEE， 2014： 1-6.

[4] 顧曉莉.車載低壓電源管理系統(tǒng)的研究[J].汽車實用技術(shù)，2011（07）： 5-9.

[5] Liebetrau T， Kelling U， Otter T， et al. Energy saving in automotive E/E architectures[J]. Infineon Technologies， www. infineon. com， Tech. Rep， 2012.

[6] Eberhard Meissner，Gerolf Richter. Battery Monitoring and Electrical Energy Management[J]. Journal of Power Sources，2003，116（1）.

[7] 初洪超.網(wǎng)絡(luò)管理在汽車CAN系統(tǒng)的應(yīng)用[J].汽車實用技術(shù)，2016 （05）：114-118.

[8] Reger L.The EE architecture for autonomous driving a domain-based approach[J]. ATZelektronik worldwide， 2017， 12（6）： 16-21.