一种保障自动驾驶安全负载供电安全的智能电源模块

本发明涉及一种保障自动驾驶安全负载供电安全的智能电源模块，可用于汽车电子电器。

背景技术：

1、随着辅助驾驶和自动驾驶技术的快速发展和逐渐普及，对整车低压供电系统的可靠性和安全性要求变得更加严格。安全负载是保障整车行驶安全的低压负载，根据功能安全标准iso 26262，要求自动驾驶汽车的安全负载的汽车安全完整性等级（automotivesafety integration level，简称asil）最高可达asil d，如自动驾驶计算机、制动、转向、感知部件等。相应地，对这些安全负载的供电也需要满足asil d等级。为了实现对安全负载的asil d等级供电，需要设计相应的故障检测、故障隔离和冗余供电切换功能。

2、传统的车载低压供电系统，尽管具有电源上的冗余设计，如使用“dc/dc+双电池”的冗余供电拓扑，当dc/dc失效时，切换到低压电池为负载提供应急供电。但该冗余供电系统只是将备用电池并联在dc/dc输出端，或通过两个二极管进行切换，存在隔离故障可靠性低、切换时间较长、无法覆盖所有供电系统故障的问题，难以满足asil d等级供电的需求。

技术实现思路

1、针对安全负载的供电需求和现有冗余供电系统的不足，为此，本发明提出一种适用于自动驾驶车辆的具有低压电网状态监测、故障快速识别和隔离、备用电源切换功能的智能电源模块。本发明设计了一个能够快速、可靠地实现故障检测、隔离和电源切换的功能模块，并在该模块中集成功能安全设计，以保证在自动驾驶汽车的低压供电系统中发生任意单点电气故障时，能够快速实现故障识别和隔离并切换到备用电池，为车辆提供故障下仍可运行的低压供电，支持车辆在发生低压供电故障时执行最小风险操作，保障车辆安全。

2、技术方案

3、本发明提出一种智能电源模块包括电源隔离开关、安全配电单元、检测电路和控制电路等，可实现对车辆低压母线及安全负载的电压、电流、温度的实时监测，通过现场可编程逻辑门阵列（field programmable gate array，简称fpga）来判断低压供电系统的电气故障，通过控制电源隔离开关的断开来实现故障隔离和电源切换，并通过由电子保险丝（electronic fuse，简称e-fuse）构成的安全配电单元实现对安全负载及其线束的保护。能够对低压供电系统中所有单点电气故障进行有效检测和隔离，而且使用fpga作为故障逻辑处理单元，减少了隔离故障所需的时间，满足安全负载所要求的故障容忍时间间隔。

4、具体如下：

5、一种保障自动驾驶安全负载供电安全的智能电源模块，包括：电源隔离开关、安全配电单元、第一电源芯片、第二电源芯片、电源复用芯片、第一检测模块、第二检测模块、第一can收发芯片、第二can收发芯片、分流电阻器shunt1/shunt2、fpga、mcu和mos管驱动芯片；

6、其对外电气接口包括：dc/dc和普通负载配电盒接口、低压电池接口、安全负载接口、整车can总线接口。

7、所述电源隔离开关一边连接dc/dc和普通负载配电盒接口，另一边连接低压电池接口和安全配电单元，实现dc/dc和低压电池的双向电源隔离。

8、所述安全配电单元，由多组电子保险丝构成的，通过安全负载接口外接安全负载，实现对安全负载及其线束的保护。

9、所述第一电源芯片连接dc/dc输出端，用于从dc/dc为智能电源模块引入供电3v31。

10、所述第二电源芯片连接低压电池接口，用于从低压电池为智能电源模块引入供电3v32；两路3v3供电通过电源复用芯片实现或功能，输出用于智能电源模块本身供电；

11、所述分流电阻器shunt1/shunt2分别串联在电源隔离开关两边，用于实现对流过电源隔离开关的电流的采样，两者实现冗余电流采样功能。

12、所述第一检测模块检测电源隔离开关左边的电压、电流，测得数据通过spi接口上报到fpga；

13、所述第二检测模块检测电源隔离开关右边的电压、电流，测得数据通过i2c接口上报到fpga；

14、所述电源隔离开关自带温度检测芯片，用于检测电源隔离开关背靠背n-mos管的温度，并上报fpga。

15、所述fpga，收集检测值并根据实际需求配置电源隔离开关的分断条件，当检测值达到设定的分断条件时，fpga将控制mos管驱动芯片断开电源隔离开关，实现故障的隔离。

16、所述mos管驱动芯片用于将fpga给出的驱动信号进行升压，实现对电源隔离开关中背靠背n-mos管的驱动，当fpga给出控制信号为低电平时驱动电源隔离开关关闭，当fpga给出的控制信号为高电平时驱动电源隔离开关导通。

17、所述第一can收发芯片和第二can收发芯片连接mcu，并通过整车can总线接口连接车辆can总线，构成与整车的两路can通信；

18、所述mcu用于对关键部件的状态进行监测，并实现对两路can通信的监测和切换。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、当低压供电系统中发生任意单点电气故障时，本发明能够在0.1s内完成故障的隔离，并切换到智能电源模块外接的备用电源，对安全负载提供应急供电；本发明可适用于不同的供电方案，如“单dc/dc+单电池”、“单dc/dc+双电池”方案等；本发明具有冗余自身供电，冗余电压、电流、温度检测，冗余can通信功能，使用一块asil d等级的微控制单元（microcontroller unit，简称mcu）对关键部件的状态进行监测，随机硬件失效率可满足asil b或asil d设计；本发明通过将普通负载和安全负载的接口配置在电源隔离开关的两端，避免了普通负载的电气故障对安全负载供电的干扰，只需对安全负载使用e-fuse进行配电，对普通负载的配电仍使用保险丝和继电器构成的配电盒，减少了e-fuse的使用数量，降低了成本；本发明采用硬件集成式设计，使用更少的元器件和控制器，用一块mcu即可实现对自身供电、电网状态监测功能、故障隔离环节、e-fuse等的诊断。

技术特征：

1.一种保障自动驾驶安全负载供电安全的智能电源模块，其特征在于，包括：电源隔离开关、安全配电单元、第一电源芯片、第二电源芯片、电源复用芯片、第一检测模块、第二检测模块、第一can收发芯片、第二can收发芯片、分流电阻器shunt1/shunt2、fpga、mcu和mos管驱动芯片；

2.根据权利要求1所述一种保障自动驾驶安全负载供电安全的智能电源模块，其特征在于，所述电源隔离开关由共栅极连接的背靠背n-mos管构成；对dc/dc而言，左边的n-mos管起开关作用，右边的n-mos管起防反接作用，对低压电池而言，则相反。

3.根据权利要求1所述一种保障自动驾驶安全负载供电安全的智能电源模块，其特征在于，根据不同的供电方案选择mcu的asil等级，对于“单dcdc+单电池”方案则选用asil d等级mcu，对于“单dcdc+双电池”方案选用asil b等级mcu。

4.根据权利要求1所述一种保障自动驾驶安全负载供电安全的智能电源模块，其特征在于，所述mcu通过adc接口实现对关键部件的状态监测，以提高智能电源模块的诊断覆盖率和asil等级，所述状态包括：第一/第二检测模块检测到的电压和电流、第一/第二电源芯片的输出电压和电流、fpga对mos管驱动芯片的控制信号、mos管驱动芯片对电源隔离开关的栅极电压、e-fuse的电压、电流和温度。

技术总结本发明涉及一种保障自动驾驶安全负载供电安全的智能电源模块，包括：电源隔离开关、安全配电单元、第一电源芯片、第二电源芯片、电源复用芯片、第一检测模块、第二检测模块、第一CAN收发芯片、第二CAN收发芯片、分流电阻器、FPGA、MCU和MOS管驱动芯片。可实现对车辆低压母线及安全负载的电压、电流、温度的实时监测，通过FPGA来判断低压供电系统的电气故障，通过控制电源隔离开关的断开来实现故障隔离和电源切换，并通过由E‑Fuse构成的安全配电单元实现对安全负载及其线束的保护。能够对低压供电系统中所有单点电气故障进行有效检测和隔离，而且使用FPGA作为故障逻辑处理单元，减少了隔离故障所需的时间，满足安全负载所要求的故障容忍时间间隔。技术研发人员：韦莉,郭斌受保护的技术使用者：同济大学技术研发日：技术公布日：2024/11/14