李軍

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網(wǎng)聯(lián)電動汽車12V電源系統(tǒng)管理策略研究

李軍

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

文章提出了一種基于主流電動汽車電器架構和互聯(lián)網(wǎng)汽車技術的12 V電源系統(tǒng)管理策略，該策略集成蓄電池狀態(tài)監(jiān)測和預警、人機遠程交互、車輛遠程啟動等功能，可有效解決電動汽車由于蓄電池虧電引起的無法啟動問題。

12V電源系統(tǒng)；遠程啟動；電動汽車；車聯(lián)網(wǎng)

前言

根據(jù)售后故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在客戶請求道路救援的案例中，有很高比例是由于蓄電池虧電導致車輛無法啟動的案例。導致蓄電池虧電的原因有很多，如蓄電池質(zhì)量問題，客戶忘記關閉用電器，還有一部分車輛系統(tǒng)設計時靜態(tài)消耗電量過大，在較長時間的停放后造成虧電無法啟動。近幾年隨著汽車電器功能的日漸豐富，車輛熄火后有部分電器模塊仍需工作一段時間，甚至車輛休眠后有電器模塊為了某種功能而喚醒自身或整個車載總線系統(tǒng)，這就導致車輛蓄電池的電量損耗加劇[1]。尤其對于互聯(lián)網(wǎng)電動汽車，由于在整車休眠時仍需要周期監(jiān)控，存儲和上報整車安全狀態(tài)及動力電池狀態(tài)數(shù)據(jù)[2]，以及特定條件下運行鋰電池均衡策略，這些功能使得蓄電池的駐車耗電量成倍增加，車輛的可持續(xù)駐車時間嚴重縮短，很多客戶上報由于低電壓蓄電池虧電，造成高壓無法上電，車輛不能行駛的報怨。這說明電動汽車電源系統(tǒng)設計的可靠度不夠，需要在電源管理策略上進行設計優(yōu)化。

隨著蓄電池智能傳感器和12 V電源管理技術的發(fā)展，越來越多的蓄電池狀態(tài)管理技術在車上實施，如根據(jù)電量狀態(tài)去限制用電負載開啟；用電負載未關閉時提醒功能；蓄電池荷電狀態(tài)通過車載HMI系統(tǒng)提示用戶等。有些電動車在ACC/ON的狀態(tài)下進行高壓充電[3][4]，這些措施起到了預警或緩減蓄電池虧電的速度，在一定程度上改善了虧電的問題，但并未解決長時間駐車時的虧電隱患。

本文提出了一種基于主流電動汽車電器架構和車聯(lián)網(wǎng)汽車系統(tǒng)平臺技術的12V電源系統(tǒng)管理策略，集成了蓄電池狀態(tài)監(jiān)測和預警，人機遠程交互，遠程上高壓電的主動充電控制策略，以保障電動汽車低壓電源系統(tǒng)的可靠性。

1 電源管理系統(tǒng)架構方案

圖1所示為網(wǎng)聯(lián)電動汽車系統(tǒng)架構框圖，系統(tǒng)由車輛內(nèi)部系統(tǒng)和外部終端系統(tǒng)兩部分組成。車輛內(nèi)部系統(tǒng)由12 V低壓電源管理子系統(tǒng)，高壓控制子系統(tǒng)，車身控制及通訊子系統(tǒng)組成。其中，12 V低壓電源管理子系統(tǒng)負責低壓蓄電池狀態(tài)監(jiān)控，及整車靜態(tài)耗電監(jiān)控與報警；高壓控制子系統(tǒng)負責給12 V蓄電池充電；車身控制及通信系統(tǒng)負責車輛狀態(tài)監(jiān)控，與外部設施通信；外部終端系統(tǒng)實現(xiàn)車輛無線通信功能和人機交互功能。

圖1 網(wǎng)聯(lián)電動汽車系統(tǒng)架構框圖

圖2為子系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖，其中12 V低壓電源管理子系統(tǒng)由12 V蓄電池、12 V電源控制單元、蓄電池智能傳感器組成。高壓控制子系統(tǒng)由電動控制單元，高壓BMS單元，高壓動力電池，DC/DC轉(zhuǎn)換器組成。車身控制及通訊子系統(tǒng)由BCM車身控制單元和TBOX遠程通訊模塊組成。車輛外部終端系統(tǒng)由后臺服務器，移動終端設備，互聯(lián)網(wǎng)PC終端組成。無線網(wǎng)絡服務設備不列入本系統(tǒng)。車輛內(nèi)部控制模塊通過CAN網(wǎng)絡進行通信，12 V電源控制單元負責發(fā)起網(wǎng)絡喚醒請求；TBOX遠程通信模塊通過3G/4G信號接入互聯(lián)網(wǎng)，與后臺服務器進行通信。

圖2 子系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

2 電源管理系統(tǒng)策略方案

系統(tǒng)策略運行的場景為：用戶鎖車，在整車CAN網(wǎng)絡繼續(xù)保持一段時間后（一般為幾分鐘），車輛進入休眠狀態(tài)，本系統(tǒng)功能啟動。

功能運行流程如圖3所示， 12 V電源控制單元周期性自喚醒，通過安裝于12 V蓄電池負極的智能傳感器獲取蓄電池的狀態(tài)信息，如蓄電池電壓， SOC，電流，SOH，有效安時數(shù)等參數(shù)。 根據(jù)實時更新的蓄電池電壓，SOC，放電電流等參數(shù)，再結(jié)合傳感器存儲的歷史信息，按照預定策略判定是否需要進入低電量風險報警程序。如是，則主動發(fā)起CAN網(wǎng)絡喚醒請求，啟動低電量報警和請求上高壓充電程序。

圖3 功能運行流程圖

由于蓄電池狀態(tài)動態(tài)變化因素以及傳感器本身精度局限性，僅依據(jù)SOC、電壓或電流值來判斷蓄電池可用電量容易出現(xiàn)誤判，本文在判定算法中采用了蓄電池荷電狀態(tài)與動態(tài)電壓電流組合判定方法。當蓄電池電壓低于預設值，進一步判斷放電電流是否低于預設值，如是，再結(jié)合SOC和老化參數(shù)判斷為蓄電池處于虧電風險狀態(tài)，進入低電量報警程序；當蓄電池電壓高于預設值，或電壓低于預設值且電流高于預設值時，需要進一步判定蓄電池SOC狀態(tài)，如SOC也低于預設值則進入報警程序。這種雙重判斷策略可以有效避免電量誤判，提高系統(tǒng)的可靠性。

12V電源控制單元判定蓄電池為低電量風險時，發(fā)送網(wǎng)絡喚醒請求至CAN網(wǎng)絡主控制器（網(wǎng)關），整車CAN網(wǎng)絡被喚醒后，12V電源控制單元發(fā)送12V蓄電池低電量報警信號和上高壓充電請求信號，接收此信號的有BCM車身控制單元，電動控制單元和TBOX遠程通信模塊。

BCM收到報警信號后，檢查當前車輛安全狀態(tài)是否支持上高壓程序，例如車輛防盜狀態(tài)，門鎖開閉狀態(tài)等，如車輛安全狀態(tài)參數(shù)全部符合條件，則由BCM發(fā)送支持上高壓確認信號，否則發(fā)送否定應答。電動控制單元接收到低電量報警信號后，立即與高壓BMS單元和高壓DC/DC進行通訊，檢查高壓動力電池安全狀態(tài)、荷電量狀態(tài)和DCDC狀態(tài)，當所有狀態(tài)參數(shù)滿足預設條件，則由電動控制單元發(fā)送支持上高壓充電確認信號，否則發(fā)送否定應答。

當任何控制器發(fā)出車輛狀態(tài)不支持實施上高壓電操作信號時，由TBOX遠程通信模塊發(fā)送“整車12V蓄電池電量低”報警信息至后臺服務器，再由服務器推送至移動終端設備通知車主。12V電源控制單元結(jié)束本次請求上高壓電程序，然后由CAN網(wǎng)絡主控制器控制整網(wǎng)休眠。

當TBOX從CAN網(wǎng)絡上接收到BCM和電動控制器的肯定應答信號后，通過3G/4G網(wǎng)絡發(fā)送低電量報警信息，以及請求上高壓信號，這些信息將傳遞至后臺服務器，由服務器推送信息至車主移動端APP，請求車主是否立即執(zhí)行上高壓電操作。由于上高壓電操作涉及車輛安全問題，車輛與車主的雙向通信是經(jīng)過后臺服務器合法認證后執(zhí)行。當車主通過移動終端APP返回確認信息后，TBOX通過CAN網(wǎng)絡發(fā)送允許上高壓電信號，電動控制單元接收到信號后，立即控制高壓DC/DC給12V蓄電池進行充電操作。

充電中止可采用以下兩種條件判斷：一是定時中止，充電過程中限定電壓和電流，當達到設定時間后停止充電；二是SOC閾值判斷，在充電過程中12V電源控制單元實時監(jiān)控12V蓄電池的電量狀態(tài)，當12V蓄電池SOC達到預設閾值，即滿足停止條件。由12V電源控制單元發(fā)送CAN網(wǎng)絡信號給電動控制單元，請求停止充電，由電動控制單元執(zhí)行整車高壓斷電操作，并且向CAN網(wǎng)絡發(fā)送信號。

充電程序結(jié)束后，通過移動終端APP發(fā)送信息，通知車主蓄電池充電已完成，并顯示當前車輛及高低壓系統(tǒng)狀態(tài)信息。以上操作全部完成后，整車CAN網(wǎng)絡恢復休眠狀態(tài)，12 V電源控制單元再次進入周期性監(jiān)測模式。

3 實車測試與理論計算

基于一款純電動汽車進行實車駐車電流測試。該車型全系標配車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具備車載主機與云端通信能力，具有手機客戶端APP交互功能。有單獨12 V電源管理控制系統(tǒng)和高壓充電控制系統(tǒng)。

3.1 實車測試駐車電流消耗情況

圖4 實測靜態(tài)電流曲線

駐車時間為整車性能技術指標中一項重要指標，是指從車輛鎖車休眠開始停放，直到蓄電池放電至最低起動電量，所能持續(xù)的天數(shù)。反映的是車主長時間不使用車輛，車輛網(wǎng)絡系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的可靠性。各車型的駐車目標時間由主機廠定義，實際表現(xiàn)取決于駐車時車輛的電量消耗，圖4為實車測試靜態(tài)電流曲線。

基礎靜態(tài)電流消耗C，是指車輛休眠后各用電器休眠電流總消耗，本車型基礎靜態(tài)電流值為15mA；

蓄電池自放電消耗C，本車型蓄電池每月電量損耗為6%；

短時消耗C，如鎖車后部分用電器延時休眠，仍然在一定時間內(nèi)消耗蓄電池電量。本車型TBOX及娛樂系統(tǒng)延時休眠時間10分鐘，消耗電流值為750 mA；

周期性喚醒功能消耗C,如防盜與鑰匙檢測時BCM喚醒，主動迎賓功能，鋰電池離線均衡等。

駐車狀態(tài)下其他功能消耗C，如互聯(lián)網(wǎng)功能手機APP操作，遠程刷新功能等。本車型開放客戶APP手機遠程操作，遠程操作時整車網(wǎng)絡喚醒響應客戶請求，產(chǎn)生相應的電流消耗。

3.2 理論計算可支持駐車時間

根據(jù)實測電流情況，分別計算各耗電項目每天的耗電量,如表1所示。

表1 各項靜態(tài)電流每天消耗

Tab.1 The dark current consumption of each item per day

車輛休眠時每天電量消耗總和可用下述公式估算，單位Ah。

C=0第二天開始電量消耗；

表2 理論計算車輛可停放天數(shù)

Tab.2 The calculated available parking days

若配置55 Ah蓄電池，則通過以下公式估算，常溫條件下車輛理論可支持駐車天數(shù)：

從表2計算結(jié)果可以看出，如果駐車時沒有補充電策略，車輛可支持最大停放天數(shù)有限，不能滿足用戶長時間停放需求，很可能會導致蓄電池虧電引起車輛無法上高壓電的問題。

4 策略有效性驗證

為了驗證主動上高壓充電策略的有效性，下面針對應用本策略前后的車輛最大可支持駐車時間，通過測試臺架模擬數(shù)據(jù)進行對比分析。（CAN網(wǎng)絡通信與手機APP交互通過軟件聯(lián)調(diào)確認可行性，本文不作詳細討論。）

4.1 無主動充電策略的臺架模擬測試

在蓄電池測試臺架上進行模擬測試，使用容量為55 Ah的蓄電池，初始SOC為85%，終止條件為45% SOC，模擬駐車電流消耗曲線如圖5所示，其中模擬手機端APP操作為每24小時執(zhí)行8次。

圖5 模擬駐車電流曲線

圖6 模擬無充電策略駐車放電曲線

模擬測試中，蓄電池初始SOC設定為85%，由測試臺架放電測出，靜置后開路電壓12.6V，作為起始放電電壓，定義最低安全電量為45%，用近似等效電壓12V判斷，模擬長時間駐車放電曲線如圖6所示。放電至安全電量閥點12V，蓄電池持續(xù)放電接近14天，與理論計算14.2天基本符合，如繼續(xù)駐車放電則有蓄電池虧電引起車輛無法啟動（高壓上電）的風險。

4.2 采取主動充電策略臺架模擬測試

策略中由12V電源控制器從蓄電池傳感器獲取蓄電池實時狀態(tài)參數(shù)，設定主動充電開啟閾值SOC為50%，臺架測試中取近似電壓值12.2V，即蓄電池端電壓放至12.2V時啟動充電程序，以14.8V，限流25A充電。中止條件采取計時，本次測試充電1小時。模擬曲線如圖7所示，蓄電池經(jīng)過1小時補充電后電壓恢復至12.6V以上，中止充電后，模擬車輛再次進入駐車休眠放電狀態(tài)。根據(jù)策略設定和臺架模擬結(jié)果推測，只要動力電池電量充足，采用此策略后可以保證車輛12 V蓄電池電量始終維持在安全水平，可以支持用戶車輛長時間停放。

圖7 模擬駐車電壓電流曲線

5 總結(jié)

筆者曾與多家鉛酸蓄電池供應商進行過交流，相比于傳統(tǒng)燃油汽車，電動車和互聯(lián)網(wǎng)汽車的售后蓄電池索賠比例明顯上升了幾倍，為了降低索賠成本，供應商也迫切希望主機廠在電源管理方面有所對策。本文所提出的系統(tǒng)性解決方案能夠有效地解決這一問題，大大提高電動汽車低壓電源系統(tǒng)可靠性。而且該方案基于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)電動車電氣架構，不增加硬件成本；通過人機交互與主動策略提醒，減小由于蓄電池虧電造成客戶車輛救援的風險，提高客戶滿意度。

如能在互聯(lián)網(wǎng)電動汽車上實施本策略，則在低壓供電安全方面起到很好的保障作用。不管是對廣大車主，還是對于主機廠或蓄電池供應商來說，都將會從中受益。

[1] 羅云鋼,董敏.起動型蓄電池使用壽命預測與整車靜態(tài)電量管理分析[J].上海汽車,2017(04): 32-36.

[2] 王文揚,陳正,陳祥威.新能源汽車遠程監(jiān)控終端的設計[J].汽車電器,2015 (6):5-9.

[3] 包壽紅,余才光,馬智濤等.混合動力汽車低壓蓄電池充放電管理[J].汽車電器,2012(10):25-28.

[4] 孔偉偉,楊殿,李兵等.汽車蓄電池管理方法的研究[J].汽車工程, 2015（5）:576-581.

A Research of 12V power system management for internet electric vehicles

Li Jun

（Shanghai Automotive Industry Corporation Technic Center, Shanghai 201804）

A strategy of 12V power system management based on the internet car’s architecture and techniques is introduc -ed in this paper. Battery status monitoring, remote HMI, vehicle remote start functions are integrated in the strategy, which provides a good solution for EV failure start due to 12V battery discharge.

12V Power System; Remote Start; EV; Internet of Vehicles

A

1671-7988(2019)05-49-04

U469.7

A

1671-7988(2019)05-49-04

U469.7

李軍，男，碩士，就職于上海汽車集團股份有限公司技術中心電子電器部，電源管理系統(tǒng)主管工程師，主要研究方向為整車低壓電源管理系統(tǒng)和策略開發(fā)，基于互聯(lián)網(wǎng)技術的電源系統(tǒng)HMI交互技術與預測模型等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.014