基于车辆模式管理 VMM 的智能配电设计

作者 | 窦明佳

什么是车辆模式管理 VMM

车辆模式管理 VMM (Vehicle Mode Management) 简单理解就是根据车辆整个生命周期所处的不同状态以及用户对车辆使用的不同场景将车辆划分为不同的模式，总体包括车辆模式 Car Mode 以及用车模式 Usage Mode。

1.1 车辆模式 Car Mode

该模式包括车辆从 “出生” 到报废的整个过程，其包括工厂模式 (Factory Mode)、运输模式（Transport Mode）、正常模式（Normal Mode）、碰撞模式（Crash Mode）和检测模式（Dyno Mode）：

a) 工厂模式（Factory Mode）

主要是处理来自车辆制造过程的需求，例如限制可能导致内部组件划伤或弄脏车辆的功能使用，例如，在车辆制造过程中是不需要信息娱乐功能及空调功能开启的，因此就可以在 VMM Function Matrix 中定义信息娱乐及空调相关功能在 Factory Mode 不可开启，同时 IVI 及空调软件在开发时遵循这样的要求，另外，如果在工厂模式需要测试车辆并驾驶车辆，需要短暂进入正常模式（Normal Mode），则可以通过特定的操作（比如按两次危险报警灯开关）暂停工厂模式，并将 Car Mode 从 Factory Mode 切换到 Normal Mode，车辆关闭后，再从 Normal Mode 切换到 Factory Mode。

b) 运输模式（Transport Mode）

和工厂模式类似，根据车辆运输场景，取消使能部分功能，例如关闭车辆的迎宾功能、关闭蓝牙钥匙、关闭远程控制功能（T-BOX 进入深度休眠状态）、禁止启动悬架调节功能等，从而避免车辆意外划伤和低压蓄电池亏电，导致车辆无法启动，特别是在海运耗时较长的场景；

c) 检测模式（Dyno Mode）

这是一种独特的模式，可以让测试车辆在测功机上正确、安全的运行，因为当车辆在测功机上试验时，自动制动和转向可能会导致危险情况的发生，因此可以通过诊断写入该模式，从而使车辆安全地运行。

d) 正常模式（Normal Mode）

车辆交付给客户时处于正常模式，Car Mode 应在客户正常使用车辆的整个生命周期保持此模式，除非发生碰撞的情况，在 Normal Mode 时，车辆功能的可用性主要是基于 Usage Mode（下面介绍），在工厂模式和运输模式时，可以短暂进入正常模式。

e）碰撞模式（Crash Mode）

在车辆监测到碰撞后，广播碰撞事件，同时车辆禁用某些功能，以提高车辆的安全性，车辆处于跛行状态，不能保证正常的功能。

1.2 用车模式 Usage Mode

用车模式 Usage Mode 的主要目的是在对车辆功能的可用性方面提供一致的行为，VMM-Usage Mode 可通过用户的操作检测用户的意图，并同时提供相应访问级别的功能：

a) 停放模式 Abandoned Mode

该模式是车辆进入锁车停放并进入休眠的模式，只允许少数的功能可用，例如报警、远程控制以及远程信息处理，当检测到驾驶员（迎宾）、远程请求（OTA）或远程控制功能（例如远程解锁、远程空调等）将使用车辆时，便从 Abandoned Mode 切换到 Inactive Mode

b) 去激活模式 Inactive Mode

车辆可以处于 Usage Mode-Inactive Mode 的典型场景有：

驾驶员进入车辆（车辆解锁、车门打开等）；
远程空调 / 远程启动 / 远程监控等；
车辆充电；
停车后用户按下 SSB 一键启动开关，Usage Mode 将直接切换到 Inactive Mode;

车辆处于 Inactive Mode 超过设定的时间（一般设置 15min）后，Usage Mode 将从 Inactive 切换到 Abandoned Mode，因此即使用户忘记锁车也会让车辆进入休眠状态，从而保证车辆的最低静态电耗，防止蓄电池亏电而导致的用户无法启动车辆问题；

c) 便捷模式 Convenience Mode

只能由 Inactive Mode 可切换到该模式，例如在车辆关闭时用户按下一键启动开关，车辆可由 Usage Mode-Inactive Mode 切换到 Usage Mode-Convenience Mode, 在该模式下可以激活的典型功能如电动车窗、电动座椅、雨刮、手机无线充电、播放音乐等，从而保证车辆在静止工况下用户对车辆的使用需求。

d) 激活模式 Active Mode

该模式更多的是用于拖车场景，其不应该被看作是一种正常的用户使用模式，在该模式下大多数功能是可用的（除了驱动系统），因此该模式整车的功耗是比较大的，同时该模式要通过用户有意识的操作才能进入（例如长按一键启动开关）。

e) 驾驶模式 Driving Mode

当检测到用户有启动车辆的意图时（例如用户踩下制动踏板并按下一键启动开关）进入该模式，进入该模式将激活必要的电源控制逻辑（例如闭合 IG1 继电器和启动继电器，并断开 ACC、IG2 继电器，在车辆启动后再断开启动继电器，闭合电源继电器（ACC 继电器、IG1 继电器、IG2 继电器）等

为什么要有车辆模式管理 VMM

不管是燃油车，还是目前的纯电车、混动车以及氢能源车，其都必不可少会装配一款低压蓄电池（12V 或 24V），而这块低压蓄电池其主要作用有：

为车辆休眠状态的静态电流消耗提供电量；
当车辆运行过程中整车电器负载电流超过发电机（燃油车）或 DC-DC（新能源车）的输出电流时，补充能量；
为车辆的冷启动提供电量；
作为一个蓄能器，吸收车辆运行过程中的电压波动（例如抛负载工况）；

当车辆在生产、运输、存放以及客户非启动工况使用车辆时，整车的电能都来自于这块小小的低压蓄电池，特别是在目前新能源车型上考虑空间、成本、重量以及无需启动发动机等因素，这块蓄电池的容量越来越小，因此通过车辆模式管理 VMM 管理车辆功能的可用性，从而在合适的时机提供合适的功能，并减少车辆的电能消耗，从而保证低压蓄电池有足够的电量来启动车辆，同时降低能耗带来的也是排放的降低（CO2 等）和车辆使用成本的降低（ 1watt= appr. 6 RMB）。

车辆模式 VMM 和电源模式 Power Mode 有什么关系

3.1 电源模式 Power Mode

我们熟知的电源模式有 KL15、KL30、KL31、KL50、KLR，大部分的主机厂在进行整车电源分配设计时会根据用电器的电源模式需求分配对应的模式电源：

KL30 (BAT+)：常电电源，该电源直接连接蓄电池正极，通常用于有唤醒需求 ECU（例如 PEPS、BCM、DCM、T-BOX 等），有 After Run 需求的 ECU（ESC 等）以及永久存储需求的 ECU；
KL15（IGN）：ON 档电源，该电源通常连接 IGN 继电器，由电源管理模块 EEPM（Electrical Energy and Power Management）控制，通常和车辆启动、运行相关的用电器会挂接在电源模式下（如 ECM、TCU 等）；
KL31（GND）：蓄电池负极，目前市面上车辆低压电网都采用的单线制，蓄电池负极以及用电器负极直接连接车身等电位；
KL50（Crank）: 发动机点火状态；
KLR (ACC)：该电源通常连接 ACC 继电器，下面挂一些车辆舒适、娱乐负载，例如座椅控制、车窗控制、多媒体控制等；

注：上述电源模式的划分基于目前市面上大部分车型的情况举例，但这并不代表整车电源模式 Power Mode 就这几种，例如某法系品牌整车电源分配网络中有以下几种电源：+BAT、+BAT_CSP/Shunt park、+CPC、+CAN、+APC、+ACC；

3.2 VMM 与 Power Mode 的关系

上述电源继电器（节电继电器、ACC 继电器、IG1 继电器、IG2 继电器）的控制不完全依赖用车模式 Usage Mode，但是用车模式 Usage Mode 对电源模式 Power Mode 具有重要的影响，例如：

在 Usage Mode=Inactive 时，通常节电继电器处于闭合状态，此时顶灯、阅读灯、照脚灯、门灯、手套箱灯可以打开；
在 Usage Mode=Convenience 时，通常 ACC 继电器、节电继电器处于闭合状态，车内的舒适、娱乐负载可以工作；
在 Usage Mode=Active 时，通常节电继电器、ACC 继电器、1GN1 继电器处于闭合状态；
在 Usage Mode=Driving 时，所有的电源模式继电器处于闭合状态；

但除上述正常情况下 Usage Mode 对电源模式的影响外，电源模式继电器也可以独立于车辆使用模式 Usage Mode 而单独控制，例如在 Inactive 模式时如果用户通过中控屏车辆设置 - 取消节电延时功能，则此时节电继电器可不闭合。

基于 VMM 的智能配电设计

4.1 传统基于电源模式 Power Mode 的配电设计弊端

如上 3.1 中所示基于车辆模式 VMM 的电源模式 Power Mode 设计，其可以划分的电源模式是有限的，从而使整车电源分配网络设计时存在多个用电器共用一个继电器控制供电的情况，这种基于电源模式使能用电器的设计存在某些场景下用户无该功能需求，而该功能对应的控制器一直处于 Active 模式，造成整车低压功耗大的问题，例如在行车工况，电源模式为 IGN，此时用户无使用空调的需求，而热泵控制器则一直处于供电状态，控制器自身处于激活模式的功耗是较大的，当整车所有的控制器在没有使用需求时一直处于 Active 模式累加后的整车低压功耗会直接影响车辆最终的油耗、续驶里程。

4.2 基于车辆模式 VMM 的智能配电

在目前区域架构中区域控制器 ZCU 取代了传统的中央电气盒，采用分布式区域智能配电，将以前的保险丝、继电器替换为 eFuse、HSD、MOSFET 等，不仅可以实现短路、断路、过流、过压等故障诊断、故障保护及自恢复等优势，同时，因为每个用电器由独立的电源芯片控制，可以根据用户使用模式实现更灵活的供电控制（Power-on or Power-down Power supply channel based on use case definition），

4.2.1 编制 VMM Matrix

VMM Matrix 的主要作用是规定在不同车辆模式下功能的可用状态，及约束了某一车辆模式下功能是否可以开启和车辆模式切换时功能是否需要去使能等内容。

4.2.2 依据功能查询设备 ID

依据 VMM Matrix 中车辆模式与功能的映射，位于中央计算单元 CCU 的各应用软件模块需接收当前车辆模式信息 - VehicleModeSts，判断在该模式功能是否可以开启并同时接收所有的输入条件在判断功能可开启后首先需要查询支持自身功能实现需要的那些硬件设备工作，并把相应的设备 ID 告诉电源管理模块 EEPM，电源管理模块 EEPM 查询设备与功率芯片的映射表（如表 2），并将需开启设备对应的 MOSFET ID 通过以太网输入给区域控制器 ZCU，区域控制器 ZCU 打开对应的 MOSFET，使设备供电。例如如下车辆模式管理模块 VMM、车窗控制模块 WCM、电源管理模块 EEPM 都是位于 CCU 的应用层软件。

图 8：左前车窗控制供电时序图

通过上述技术方案可实现每个设备的电源根据车辆使用模式单独控制，在有功能需求的情况下对应打开和该功能相关的设备电源，从而避免设备在无使用需求是长期处于 Active 模式或 Standby 模式，从而降低能源消耗。

结语

上面介绍了一种区域架构下电源控制的方法，通过电子熔断丝代替传统的保险、继电器可基于用户对车辆的功能需求实现更加灵活的电源配电，更加精细化的电源管理策略，但是过程也会存在很多问题需要克服，例如：

区域控制器承担智能配电，用 eFuse 的成本相对于前期传统的 Fuse Relay 会有大的提升，特别对于输出电流大于 30A 的大功率芯片成本更高；
目前区域控制器下的 Sensor&Actuator ECU 在电源接口设计上还是传统的 Bat+IGN 的方式，ECU 的唤醒还需要电源状态 IGN，如果将其接在区域控制器下通过 Efuse 供电的话，需要同时将 BAT 和 IG 同时接 Efuse 输出引脚，导线设计是一个问题；
整车所有功能都要听从 VMM 的指挥，需要 OEM 对各个供应商的功能开发有较强的把控；

目前区域架构的智能配电刚刚兴起，问题肯定会存在，但都不是克服不了的，需要同仁一起努力。

参考文章：

1、公众号：新能源汽车电子电气架构 -《车辆模式管理开发》

2、东芝半导体 Efuse IC