純電動(dòng)汽車低壓蓄電池虧電故障分析及其優(yōu)化策略

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車;低壓蓄電池;虧電;智能充電

0 引言

近年來(lái)，隨著汽車電子電力技術(shù)快速向智能化發(fā)展， 大量的新型低壓電子器件應(yīng)用到了汽車當(dāng)中，使得汽車低壓電氣系統(tǒng)的用電量大為增加。當(dāng)前電動(dòng)汽車上的低壓電氣系統(tǒng)通常都是由低壓蓄電池（12V）供電驅(qū)動(dòng)的，而因低壓蓄電池虧電故障導(dǎo)致用戶無(wú)法使用車輛的問(wèn)題卻頻繁發(fā)生[1]， 用戶抱怨非常嚴(yán)重。低壓蓄電池虧電故障在給用戶造成麻煩的同時(shí)， 也嚴(yán)重?fù)p壞了電動(dòng)汽車企業(yè)的品牌形象。因此，找到解決這一問(wèn)題的方法對(duì)于電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)具有重要意義。

1 純電動(dòng)汽車鉛酸蓄電池虧電故障分析

1.1 純電動(dòng)汽車電氣分析

純電動(dòng)汽車的電氣系統(tǒng)由高壓和低壓兩套電氣系統(tǒng)組成（圖1）[2]，高壓電氣系統(tǒng)主要用來(lái)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及PTC、壓縮機(jī)等大功率器件供電，能量來(lái)源為高壓動(dòng)力蓄電池;低壓電氣系統(tǒng)則主要用于給汽車的小功率器件（比如娛樂(lè)系統(tǒng)、各種控制器等）進(jìn)行供電，能量來(lái)源為低壓蓄電池[3]。高壓電氣系統(tǒng)和低壓電氣系統(tǒng)的橋連點(diǎn)為DC/DC，在純電動(dòng)汽車整車處于起動(dòng)（Ready）或者充電的狀態(tài)下，低壓蓄電池由高壓電氣系統(tǒng)通過(guò)DC/DC 轉(zhuǎn)換器降壓來(lái)實(shí)現(xiàn)充電補(bǔ)電。

1.2 純電動(dòng)汽車虧電故障及整車無(wú)法起動(dòng)故障原因分析

純電動(dòng)汽車的低壓電氣模塊比傳統(tǒng)燃油車要多得多，由此可推斷12V低壓蓄電池虧電故障的主要原因可能為以下2點(diǎn)。

①純電動(dòng)汽車低壓電子控制單元較多，總體的靜態(tài)電流較大。

②純電動(dòng)汽車低壓電子控制單元各節(jié)點(diǎn)的睡眠喚醒機(jī)制相對(duì)比較復(fù)雜，導(dǎo)致其很容易在OFF擋時(shí)，整車網(wǎng)絡(luò)處于喚醒狀態(tài)，持續(xù)消耗低壓蓄電池電量，導(dǎo)致整車虧電。

當(dāng)?shù)蛪盒铍姵靥幱谔濍姞顟B(tài)時(shí)， 其電壓比較低， 通常低于9V，而車載器件/ 控制單元的正常工作電壓范圍通常在9～16V。因此低壓蓄電池的低電壓無(wú)法喚醒車載器件/ 控制單元，故不能讓車載器件/ 控制單元正常工作，也無(wú)法起動(dòng)車輛。

低壓蓄電池虧電后，無(wú)法利用動(dòng)力電池為其進(jìn)行補(bǔ)電。因?yàn)閯?dòng)力電池通過(guò)DC/DC給12V低壓蓄電池充電（補(bǔ)電）的前提是動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）處于工作狀態(tài)，主正、主負(fù)繼電器吸合[4]。低壓蓄電池虧電后無(wú)法喚醒BMS且無(wú)法提供足夠的電壓使繼電器吸合，故而動(dòng)力電池不能形成高壓閉合回路，無(wú)法為低壓蓄電池進(jìn)行充電。

通過(guò)以上分析， 如果對(duì)低壓蓄電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在其電壓降低到一定限值時(shí)及時(shí)喚醒高壓電氣回路對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)電，即可有效降低純電動(dòng)汽車低壓蓄電池的虧電故障。

2 鉛酸蓄電池智能補(bǔ)電策略設(shè)計(jì)

2.1 功能要求

①在整車OFF狀態(tài)下對(duì)低壓蓄電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控， 當(dāng)電壓低于一定限值時(shí)進(jìn)入補(bǔ)電程序，避免對(duì)駕駛員的正常用車造成干擾。

②在給低壓蓄電池補(bǔ)電前，通過(guò)APP、短信或微信小程序等媒介征得用戶授權(quán)，讓用戶知曉整個(gè)補(bǔ)電過(guò)程的狀況。防止在補(bǔ)電過(guò)程中用戶或者其他人員（如維修人員）接觸電氣系統(tǒng)，造成人員觸電風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 設(shè)計(jì)方案

智能補(bǔ)電功能涉及到的零件包括遠(yuǎn)程終端（VT）、整車控制器（VCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）和直流/ 直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器等，可在不增加或變更硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)直接升級(jí)軟件程序來(lái)實(shí)現(xiàn)智能補(bǔ)電功能。

2.2.1 智能補(bǔ)電流程

整車下電并且鎖車后， VCU實(shí)時(shí)監(jiān)控低壓蓄電池的電壓值，并通過(guò)VT上傳到售后服務(wù)平臺(tái)。當(dāng)VCU監(jiān)控到低壓蓄電池的電壓低于某一設(shè)定的限值時(shí)，售后服務(wù)平臺(tái)通過(guò)APP、短信或微信小程序等媒介提醒用戶車輛即將虧電，并請(qǐng)求進(jìn)入智能補(bǔ)電程序。在獲得用戶授權(quán)后，VCU控制動(dòng)力電池繼電器吸合，并通過(guò)DC/DC將動(dòng)力電池進(jìn)行降壓給低壓蓄電池充電。低壓蓄電池充滿電后，VCU控制動(dòng)力電池的繼電器斷開，補(bǔ)電結(jié)束，整車恢復(fù)正常OFF狀態(tài)。

2.2.2 智能補(bǔ)電控制策略

（1）進(jìn)入補(bǔ)電

整車下電、鑰匙處于OFF擋時(shí)，VT定時(shí)喚醒網(wǎng)絡(luò)，VCU監(jiān)控低壓蓄電池的電壓情況。當(dāng)?shù)蛪盒铍姵氐碾妷旱陀谀吃O(shè)定值時(shí)，通過(guò)APP、短信或微信小程序告知用戶當(dāng)前車輛有虧電風(fēng)險(xiǎn)，請(qǐng)求授權(quán)對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)電。在用戶授權(quán)后，VCU對(duì)整車當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)，如擋位、駐車狀態(tài)、電池SOC、DC/DC狀態(tài)及動(dòng)力電池溫度等進(jìn)行判斷，確認(rèn)符合蓄電池補(bǔ)電條件后發(fā)送補(bǔ)電命令給BMS和DC/DC。BMS控制繼電器吸合，輸出高壓并經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換后，以恒壓充電方式給蓄電池進(jìn)行充電。同時(shí)，整車進(jìn)入智能補(bǔ)電狀態(tài)后，通過(guò)APP實(shí)時(shí)告知用戶車輛狀態(tài)。

（2）退出補(bǔ)電

當(dāng)智能補(bǔ)電達(dá)到既定的補(bǔ)電時(shí)間或者低壓蓄電池的電壓達(dá)到某一設(shè)定值后，VCU發(fā)送停止補(bǔ)電指令。這時(shí)BMS斷開繼電器，DC/DC停止工作，整車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入正常休眠狀態(tài)，并通過(guò)APP提醒用戶補(bǔ)電完成。

（3）異常處理

在補(bǔ)電啟動(dòng)時(shí)刻或者補(bǔ)電正在進(jìn)行時(shí)刻，VCU對(duì)當(dāng)前的整車和各參與節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)故障監(jiān)控及診斷。當(dāng)出現(xiàn)影響整車補(bǔ)電的故障或者操作時(shí)，VCU立刻發(fā)送停止補(bǔ)電指令，整車所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，并通過(guò)APP通知用戶整車狀態(tài)并提供維修指導(dǎo)。

此外，由于整車在處于上電或者充電狀態(tài)時(shí)，DC/DC會(huì)自動(dòng)給蓄電池進(jìn)行補(bǔ)電。因而當(dāng)整車處于智能補(bǔ)電狀態(tài)時(shí)，如果用戶突然進(jìn)行上電、充電等操作，車輛會(huì)立即退出補(bǔ)電程序，使車輛能夠優(yōu)先按照用戶的意圖進(jìn)行上電和充電。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析純電動(dòng)汽車低壓蓄電池虧電的關(guān)鍵因素和故障原理，針對(duì)性地提出了一種為低壓蓄電池進(jìn)行智能補(bǔ)電的策略。即通過(guò)VCU實(shí)時(shí)檢測(cè)低壓蓄電池的電壓，自動(dòng)控制動(dòng)力電池的通斷來(lái)及時(shí)為低壓蓄電池進(jìn)行充電，將低壓蓄電池的電壓穩(wěn)定在特定的安全區(qū)間內(nèi)。

本文提出的策略可有效地防止或減少因低壓蓄電池虧電故障造成的整車不能起動(dòng)的問(wèn)題。整車是在OFF條件下進(jìn)行補(bǔ)電的，對(duì)用戶正常用車不會(huì)造成影響，既提升了車輛的穩(wěn)定性和可靠性、又保證了整車的安全性。此外，在智能補(bǔ)電的過(guò)程中，售后服務(wù)平臺(tái)與用戶進(jìn)行了深度交互，讓用戶了解車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)，給予用戶良好的體驗(yàn)，這對(duì)于純電動(dòng)汽車的推廣也大有幫助。