#01

前  言

       

根据乘联会、九章智驾数据库数据显示，截止2023年底智能新车已占上市新车的79%，L2及以上的辅助驾驶功能装载率快速提高，2023年标配L2的新能源汽车销量占比超50%。2024年新能源新车搭载高速NOA的车型销量占比已达20%。所有车企都在加速布局自动驾驶领域。随着车辆的智能化及智驾的快速普及，汽车不再仅仅作为代步工具，而是成为能提供更多功能与服务的移动空间，这一转变对汽车行业甚至整个现代社会来讲，都可以说是百年未有之大变局，这一转变既推动了汽车产业链的变革与创新，同时也将深刻改变未来人们的出行方式及对汽车的使用方式。

L2及以上辅助驾驶装载率（数据来源：乘联会，九章智驾）   

新能源车高速NOA搭载率（数据来源：九章智驾）

          

随着车辆辅助/自动驾驶系统搭载率的快速提升，自动驾驶技术的可靠性与安全性便成为了行业乃至整个社会关注的焦点。本文抛开那些复杂自动驾驶技术、传感器、芯片、算法、算力等不谈，单从决定安全的最底层因素“供电”这一角度来谈谈辅助/自动驾驶系统的安全问题。

          

在谈这个问题之前，有些基础信息我需要先交代清楚，以便大家理解为什么供电问题才是决定所有控制/执行系统，包括智驾系统可靠性与安全性的最底层逻辑，以及如何实现供电系统的冗余及隔离，这些问题之前从来没有任何文章系统性的讲清楚过，今天我就尝试一下，错漏在所难免，也请行业内的小伙伴们批评指正，一起为中国汽车行业的发展贡献绵薄之力。

          

#02

汽车的电子电气系统

  

在20世纪70年代以前，车辆是没有电子模块的，仅有一些简单的电气部件，比如发电机、整流器、车灯及雨刮等。直到70年代，随着排放法规的要求，电子模块才出现在车上。到90年代后期，电气架构才慢慢得到重视，典型的汽车电子电气系统如下图所示。

汽车电子电气系统（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

按照传统功能划分，汽车电子电气系统可分为：

1. 动力系统，燃油车主要包括：发动机控制系统、点火系统、冷却系统、进排气系统及变速传动系统等。新能源车主要包括：动力系统、动力电池及充电系统、热管理系统等。

   
   

2. 底盘系统，主要包括：转向系统、悬架系统、制动/车身稳定系统等，尤其是转向及制动系统，随着电气化及自动驾驶技术的推动，未来可见的方向就是线控转向及线控制动技术，这是实现完全自动驾驶技术的一个重要基础。

   
   

3. 车身系统，主要包括：车身控制系统、无钥匙/一键启动系统及照明系统等。

   
   

4. 安全/舒适系统，主要包括：安全系统如安全气囊及胎压监测等，舒适系统包括座椅系统如座椅调节/加热及空调系统等。

   
   

5. 智能座舱系统，主要包括：座舱控制器、人机交互系统、网联系统及其他附件等。

   
   

6. 自动/辅助驾驶系统，主要包括：自动驾驶控制器及雷达、摄像头系统。

2.1、车辆的供电方式  

基于成本及可靠性等原因，经过半个多世纪的发展，汽车行业普遍采用了单线制供电及负极搭铁的电气设计。如下图所示，蓄电池和发电机通常直接并联，通过电源正极为整车供电，而蓄电池负极则直接连接车体金属部分搭铁，车体作为整车电源的负极（即Ground，地，缩写为GND）为电流返回提供回路。

典型的汽车供电回路（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

单线制供电是指在汽车电气系统中，从电源到用电设备只用一根导线进行供电，而用汽车车身、底盘、发动机等金属机体作为另一根公共导线，从而形成一个完整的供电回路。单线制不同于常见的住宅及工业应用的多线制供电。汽车的单线制类似于电气化铁路中利用铁轨作为公共导线的设计，这种设计可以有效利用车身、底盘等金属部分作为供电回路，可优化车辆电气设计，节省导线，使线路简化清晰。同时电子电气零部件也不需要与车体绝缘，方便维护及检修，所以现代车辆的电气系统设计普遍采用单线制供电。如图4-5所示，整车电源正极通过接线盒进行电源分配，为控制器及负载供电，电源负极在用电器所在位置附近就近接搭铁，从而形成一个完整的供电回路。

   

在单线制中，通常会将蓄电池的一个电极直接连接车体，汽车行业称之为“搭铁”，连接点则称之为“搭铁点”。若蓄电池的负极与车体相接，就称负极搭铁，反之为正极搭铁。无论乘用车还是商用车，大都采用负极搭铁设计，而按照国家标准规定，国产汽车电气系统均需采用负极搭铁，所以在汽车行业，如无特殊说明，搭铁默认为负极搭铁。

          

2.2、12V蓄电池介绍  

目前绝大多数车辆，无论是燃油车或新能源车、亦或者乘用车或商用车，几乎全部采用可充电铅酸蓄电池作为启动电源，这是由铅酸蓄电池的众多优势所决定的。

从1859年可充电铅酸蓄电池被发明出来，到1920年实现大批量车载应用，这百年间铅酸蓄电池的基本原理并未发生大的改变。在1912年电启动器被发明之前并没有多少车辆配备蓄电池，直到1920年大多数新车都标配电启动器后，汽车蓄电池成为了必需品。最早的铅酸蓄电池电压是6V的，这已经能够满足当时的应用需求了。

随着车辆发动机以及其他电气系统对电力需求的增加，到1950年代，多数车辆已经开始使用12V蓄电池了。常见的12V铅酸电池有六个2V电池串联组成，如下图所示，每个2V电池包含2个极板，所以一组12V蓄电池总共有12个极板。而商用车则因为柴油发动机系统对电力的需求，通常采用两组12V电池串联组成24V系统，以支撑其巨大的启动电流及较长的启动时间。一旦车辆启动、发动机运转或高压系统上电，交流发电机或DC/DC就会接管车辆的电源供应为整车提供电力。  

 

汽车铅酸蓄电池（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

铅酸蓄电池能够大规模用于车载应用长达上百年，且即使在纯电动车大量普及的今天，依然没有被锂电池所取代，这是由其具备众多重要的特性所决定的。

锂电池的优势就是功率密度高，体积小。但其缺点同样明显，价格高，极易受温度影响，且安全性远低于铅酸蓄电池。车载应用，尤其是对传统燃油车来讲，蓄电池通常被安装在发动机舱，以便缩短蓄电池与起动机之间的距离。安装在发动机舱的设备所需满足的环境温度范围很宽，尤其是对高温的要求极高，通常需要达到105℃以上，而锂电池则通常不耐高温。锂电池的最佳工作温度范围和人体差不多，相对来讲是比较娇贵的，冬天需要加热，否则容量及充电性能都会急剧下降；夏天需要降温，否则放电性能及安全性都有问题，这种特性也就决定了其无法用于发动机舱或温度变化范围极大的应用。

铅酸蓄电池相对锂电池来讲，价格便宜，体积大，重量重，但工作温度范围及安全性均要高出很多。另外铅酸蓄电池很适合短时间高强度放电及小电流慢充，这种特点就特别契合燃油车的应用。在车辆启动时，可以短时间内为起动机提供极大的启动电流，而在车辆启动后，又可以通过发电机对其进行缓慢的充电。铅酸蓄电池的充放电特性如下表所示。C表示蓄电池的充放电倍率，定义为：充放电倍率=充放电电流/额定容量，例如额定容量为40Ah的电池，用40A电流进行放电时，其放电倍率即为1C。   

不同容量铅酸蓄电池充放电特性参数（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

如上表所示，以40Ah蓄电池为例，1C即为40A，其最大充电电电流为0.3C也就是12A，通常铅酸蓄电池的推荐充电电流在0.1C左右。同时，铅酸蓄电池的瞬时放电能力很强，以40Ah蓄电池为例，其5s最大放电电流可达400A，而100A的蓄电池能达到800A，这种充放电电流特性很适合车载应用。但铅酸蓄电池并不适合持续的大电流充放电，通常来讲，超过1C的充电电流和超过5C的放电电流都称为高电流。

当然，随着目前电池技术的发展，目前也开始有一些新能源车型尝试采用小容量的锂电池替代铅酸蓄电池作为启动电源，一是可以减重，还有就是锂电本身就自带BMS，在省掉蓄电池IBS/EBS的同时，还支持更低的SOC放电，所以同等条件下可以大幅降低蓄电池的容量，比如从40Ah的铅酸降低到20Ah的锂电， 这些都是锂电的优势。所以如果能够解决温度问题，同时锂电价格合适（目前锂电价格大约是铅酸的2倍以上），未来12V/24V锂电完全取代铅酸电池也未可知。

2.3、发电机及DC/DC  

车辆有两个电源，熄火后依靠蓄电池供电，一旦车辆启动，发动机运转或高压系统上电，交流发电机或DC/DC转换器就会接管系统的电源供应，持续为车辆提供电力，同时为蓄电池充电。车辆熄火后蓄电池电压通常为12.6V，启动后为14.55V，所以12V系统的典型电压值通常被认为是13.5V，是这二者的平均值。24V系统同理，典型电压值通常按照27V来进行考虑，所以众多的电气相关测试项目，典型电压值就是按照13.5V（12V系统）或27V（24V系统）。   

自从20世纪50年代后期硅二极管整流器技术成熟后，车用发电机便从直流发电机变成了交流发电机，整流器将交流电转换成直流电供整车使用。但这中间有个问题，发电机的输出电流与转速和温度直接相关。以图4-12为例，12V/120A的发电机在冷态条件下，转速为2000r/min.（r/min.为转/分钟）时输出电流为80A，而热态则只有60A。转速在超过2000转后，输出电流快速提升，在2500转时接近120A的额定值，转速继续提高，输出电流基本稳定在120A左右。发电机的额定电流是其在6000r/min.时能够长期工作时提供的电流。

12V/120A交流发电机输出特性（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

          

而对于所有新能源车辆，包括混动与纯电动车辆，其低压电气系统部分与传统燃油车辆大致相同，其主要区别在于新能源车辆采用DC/DC转换器取代了发电机对整车进行供电，DC/DC的电源来自于车辆的高压动力电池。下表为一款用于12V系统的DC/DC转换器的一些参数。  

 

一款12V DC/DC变换器参数（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

对于使用DC/DC变换器的车辆，DC/DC输出电压并不受车速及工作温度的影响。理论上来讲，如果DC/DC的额定输出功率大于整车电气系统的需求，其电压稳定性要高于传统采用发电机的燃油车。但实际上因为整车用电器数量较多，车辆工况也较为复杂，整车的动态电平衡设计存在较大的难度。所以随着车辆工况的变化，车辆电气系统用电情况差异较大，加上整车线束负载特性的影响，整车电压仍始终处于波动之中。

从成本角度考虑，无论是发电机还是DC/DC变换器的功率都不可能把设计裕量放的比较大，加上新能源车，尤其是纯电动车，因为没有起动机，不再需要考虑启动问题，铅酸蓄电池通常都会降低容量，比如从70Ah降低到40Ah，电池减小后对车辆瞬时大电流需求的支撑能力将会下降，所以相对于采用DC/DC变换器的新能源车，即使DC/DC本身的输出电压较为稳定，但整车系统电压的稳定性实际上可能并不会比采用发电机的燃油车有多少的改善。

          

2.4、12V蓄电池的功能  

传统燃油车（ICE）使用低压12V蓄电池很多人都可以理解，作用是为了在车辆熄火后重新启动车辆，那为什么新能源纯电动车（BEV）已经有了高压电池了，为什么还需要低压的12V/24V电池系统呢？那是因为高压系统和低压系统是完全独立的两个系统，高压系统也是需要低压系统来激活与启动的，换句话说，燃油车熄火后，发动机熄火，同样的，纯电动车熄火后，高压系统也会下电，这个与燃油车类似。   

12V蓄电池对电动车的作用（来源：VARTA）

整体来讲，12V/24V低压蓄电池主要有四个作用，一是启动车辆，二是在车辆启动后作为冗余电源使用，三是为车辆的电力系统提供一定的储备功率，四是为熄火后的车辆提供电力。

1)启动车辆

对于传统燃油车大家都很熟悉了，内燃机需要起动机进行启动，而起动机的电力就来自12V/24V低压蓄电池，尤其是在低温情况下，启动电流要比常温时高得多，如下图即为一个24V/20Ah的锂电蓄电池在启动时的电流及电压波形。   

24V/20Ah的电池在启动时的电流及电压波形（来源：骆驼蓄电池）

对于纯电动车，因为没有起动机，所以就不需要低压电池提供这么大的启动电流，但是车辆的启动还是依赖于低压蓄电池。电动车在启动前需要先进行预充，如下图，即先闭合HV-高压接触器，再闭合预充接触器，高压回路中的电容即开始充电，待充电完成后，再闭合HV+高压接触器，整车完成高压上电。而参与控制高压上电整个过程的VCU和BMS，包括高压接触器的驱动，电力均来自于12V/24V低压蓄电池，因为在高压系统上电之前，也就是系统上ON档前，车辆的动力电池是处于断开状态的，整车的所有能量都来自于低压蓄电池。所以如果电动汽车的12V电池亏电了，会发生什么？就像油车一样，许多关键系统的电力供应会都受到影响。如果车内的点火按钮或开关等功能不起作用，即使高压电池组充满电，也无法启动车辆。当然，现在也有车辆采用高压不下电，或采用车辆唤醒后即上高压的方式，在此不再赘述。  

 

纯电动车的预充及启动（来源：网络）

2)启动后作为冗余电源

对于车辆的电气系统，可靠性主要考虑用电设备电源的可靠性，也就是如果在车辆运行过程中发生某个电源失效后，如何保障车辆的运行安全，对于供电设计来讲，通常采用的方法就是冗余供电设计，也就是说整车采用双路冗余供电，即低压蓄电池和发电机或高压DC/DC转换器进行并联的设计，这样即使在行车规程中，发动机意外熄火，发电机没有电力输出，或者高压系统发生异常，DC/DC转换器无法为整车提供低压电力，那么低压蓄电池在此时依然可以为整车提供电力，保证车辆的安全功能如转向、制动、灯光、雨刮，以及其他功能如仪表、导航、门锁、车窗等工作正常，进而在最大程度上保证车辆的行驶安全。

3)提供一定的储备功率

随着车辆电气化及智能化程度的提高，以及智驾功能的逐步普及，车辆电气系统对电力的需求也在急剧增加，汽车在智驾系统、信息娱乐系统、舒适性系统及安全性能方面的发展正在不断提升对电源的要求，在过去10年中，典型12V电源需求从1.2kW增加到了3kW的持续负载，比如智驾系统、主动悬架、电动转向、舒适系统、车载影音娱乐系统等都属于用电大户。

从理论上来讲，发电机或DC/DC的额定输出功率必定是大于整车电气系统需求的，但基于成本考虑，无论是发电机还是DC/DC变换器的功率都不可能把设计裕量放的比较大，因为整车用电器数量较多，车辆工况也较为复杂，整车的动态电平衡设计存在较大的难度。随着车辆工况的变化，车辆电气系统用电情况差异较大，车辆电力系统的供电电流也在不断地发生变化。比如转向系统需要一个200A的瞬时电流，如果此时整车的稳态负载电流已经达到了100A，而DC/DC的额定输出功率只有250A，那么这个瞬时电流就会导致DC/DC发生过流保护（OCP），此时和DC/DC并联供电的低压蓄电池便可以提供这个瞬时电流，从而保证车辆的正常运行。而如果没有并联供电的低压蓄电池，那么就需要大幅提高DC/DC的瞬时功率，否则就可能会发生整车异常掉电的问题。顺便再说一下，通常DC/DC发生OCP后是不会自动恢复的。 

 

如下图所示，该12V/1.5kW DC/DC的额定输出电流为143A，过流保护的范围为160A到180A，典型值为170A。

一款12V/1.5kW DC/DC的部分参数（来源：左成钢）

4)为熄火后的车辆提供电力

这个比较容易理解。车辆熄火后需要提供电力的场景有两个，一是启动前及熄火后，如果此时车辆还处于ON档，则整车几乎所有的功能都是可以使用的，包括灯光、雨刮、门锁、车窗升降及影音娱乐系统等。另外就是车辆在长期停放过程中需要为一些设备持续供电，如智能进入系统、智能网联系统等。这些系统将持续性的消耗整车的电力，也就是常说的整车静态电流。通常来讲，大多数汽车OEM都会将待机时间设计为50天，按照20mA的静态电流计算，参见下表可知，需要的蓄电池容量约为52Ah。  

 

车辆蓄电池容量、静态电流与停放时间的关系（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

#03

汽车的配电系统介绍  

 

车载电子电气设备不同于采用稳定电源供电的消费类设备或工业设备，也不同于纯粹采用电池供电的移动设备，车载电子电气设备的供电电压波动范围要大的多。各种应用的电压范围对比参见下表，由表中对比可见车载应用的电压变化范围相对而言要大的多，这也就意味着车载电子设备要应对的电源环境要复杂的多，设计要求也要高的多。

各种应用电压范围对比推荐（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

为什么车辆的供电电压范围这么宽，电压波动这么大？这就需要先了解车辆的电气系统。无论是采用内燃机的传统车辆，还是采用混合动力或纯电动力的新能源车辆，其本质上都采用了双电源供电系统：

1. 启动电源，启动电源通常是一块铅酸蓄电池或锂电池。车辆熄火后，随着发动机熄火以及高压系统下电，车辆在失去动力的同时，也失去了一个持续稳定的提供电能的电源，这个电源或者是发电机，或者是高压动力电池。熄火状态下，车辆再次启动以及一些其他系统工作所需的电能便藉由启动电源提供。某些带启停功能的乘用车还会额外的再增加一个专门的启动蓄电池供启停系统使用，传统商用车则通常单独增加一组蓄电池为驻车空调供电。启动电源主要有四个功能：一是为车辆再次启动提供电能，无论是内燃机启动或者是高压动力电池上电，都需要通过12V/24V低压系统；二是为熄火状态下的用电设备提供电能，如照明系统、影音娱乐系统、电动门锁及防盗系统等；三是在车辆行驶过程中，保持整车电源系统电压稳定及提供供电冗余，四就是提供一定的功率储备。

   
   

2. 行车电源。通常为发电机或高压到低压的直流-直流变换器（Direct Current to Direct Current Converter，DC/DC Converter，简称DC/DC），行车电源可以为车辆低压电气系统提供持续稳定的电能。对燃油车来讲，发电机的供电电流能力通常在100A左右，而对于纯电动车来讲，DC/DC变换器的功率通常在3kW～6kW之间。

3.1、系统级低电压  

对于整车来讲，供电系统的电压是一直在波动的，如果系统电压被拉的过低通常被称为欠压。在实际应用中有两种情况会发生欠压，一种是在燃油车启动过程中，或者某些大功率负载启动，另一种就是车辆被长时间放置后蓄电池电量耗尽导致的欠压。欠压会导致车辆用电器无法正常工作，同时也会导致车辆无法启动。除蓄电池老化外，蓄电池欠压通常都是因为蓄电池电量被耗尽导致的。

传统燃油车在启动时需要蓄电池在短时间内提供极大的启动电流供起动机使用，因此整车系统电压将会出现一个强烈的电压跌落，这会导致车辆的照明灯具出现闪烁以及收音机的短时间关闭。这些问题在车辆初次启动时出现的话是可以忍受的，但对于有启停功能的车辆，如果行驶过程中的发动机频繁启动时出现则是不能接受的。以40Ah的蓄电池为例，如果端电压为13.5V，内阻为8.5mΩ，启动电流按500A计算，蓄电池电压将会下降到9.25V。

大功率负载启动类似于燃油车启动，其本质上都是一个大功率负载瞬时需要电力系统提供一个极大的电流，这个电流如果超过发电机或DC的输出能力，低压蓄电池就会作为冗余备份，利用储备功率来提供这部分电力需求的缺口，从而保证车辆的正常运行。   

其实还有一种情况类似于大功率负载启动，那就是大功率负载短路。因为小功率负载通常匹配的线径较细，且多数位于二级配电，即使短路，因整体阻抗较大，很难产生较大的短路电流。但是大功率负载则不同，因其大都处于一级配电，同时匹配的保险及线径都较大，如果发生硬短路，其短路电流可能会非常大，且持续时间较长。在保险熔断前的这段时间内，电力系统就需要为短路的这个回路提供极大的短路电流，这就会导致系统电压被大幅拉低，甚至可能影响到其他回路负载的正常功能。

以下图为例，对于板式保险来讲，3.5倍过载时，其保护时间在0.3s～5s，也就是说，假如一个100A的保险，如果短路电流为350A，那么其保护时间最长可能达到5s，最快则是300ms。

车载保险丝熔断时间（来源：Littelfuse）

          

以下图为例，如果上面的负载1发生短路，则下面负载2的电压也会被瞬间拉低，拉低的时间取决于保险保护的时间，拉低的幅度取决于短路电流。也就是说，在电源故障的这段时间内，如果车辆刚好处于自动驾驶状态下，那么涉及到的一些关键零部件如感知单元、控制器及执行器，比如雷达、摄像头、自动驾驶控制单元、刹车系统、转向系统等，功能可能是无法正常实现或者可能要降级的。  

 

负载电压瞬降（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

带有启停系统的车辆通常会采用电池传感器来持续检测蓄电池的荷电状态，以决定在行车过程中是否可以关闭发动机；以及关闭发动机后，在蓄电池电量尚能支撑发动机下次启动时，立即启动发动机为蓄电池充电，避免在行车过程中，在车辆短暂熄火后，出现因蓄电池欠压导致无法再次启动的问题。

还有一种系统级低电压比较常见，也就是常说的亏电，就是车辆被长时间放置后蓄电池电量耗尽导致的欠压。车辆上会有众多的通过KL30电源进行供电的设备，比如发动机ECU、车身控制模块等，除非拆除蓄电池线束，否则这些设备永不断电。尽管这些设备的静态功耗已经被设计的非常低了，但是如果车辆停放时间过长，加上蓄电池的自放电特性，还是存在蓄电池电量被耗尽的可能性。欠压会导致车辆用电器无法正常工作，同时也会导致车辆无法启动。除蓄电池老化外，蓄电池欠压通常都是因为蓄电池电量被耗尽导致的。

3.2、系统级高电压  

对于12V乘用车电气系统来讲，电压通常在9V～16V之间，即使发电机电压调节器失效，根据ISO 16750-2:2012标准的规定，这个过电压为18V，测试时间为60min，但这个电压依然远低于跳线启动电压和抛负载电压。 

   

车辆的跳线启动，也叫辅助启动、搭线启动、搭电启动，俗称搭电。搭电是指对于一辆蓄电池电量完全耗尽无法自主启动的车，将另一台车辆的电池或其他外部电源连接到电池耗尽的车辆上，从而使电池耗尽的车辆得以启动的方法，如图4-18所示。在车辆启动后，如果发电机可以正常工作，蓄电池就可以充电，这时候就可以移除辅助电源。对于12V乘用车来讲，通常会用12V辅助电源为电池耗尽的车辆进行跳线启动操作，但在某些极端情况下，比如不清楚车辆的电压等级，或野外条件下没有可用的12V辅助电源时，则可以采用商用车的24V电源系统进行跳线启动操作，从设计上来讲，这种操作也是被允许的。

抛负载这个词不能顾名思义，这个抛的负载实际上是蓄电池，而非一个用电器。抛负载是指发电机正在发电，且在为蓄电池进行充电，并同时为系统进行供电时，蓄电池的接线柱突然断开连接的一种现象。蓄电池实际上是一个大电容，这个电容可以稳定系统的电压，如果这个大电容突然断开，就会带来类似于系统的感性负载突然增大的效果。同样的道理，如果系统突然有一个大电流的感性负载进行切换，也会产生抛负载。

根据ISO 16750-2:2012（国标是GB/T 28046.2-2019）试验标准的要求，对12V系统中脉冲A参数的规定，以12V系统为例，脉冲A的最高电压可达到101V，整个脉冲持续时间长达400ms，内阻可低至0.5Ω。

标准对12V系统中脉冲A参数的规定（来源：左成钢《广义车规级电子可靠性》）

3.3、车辆负载类型及其对电源的影响