一種商用車鉛酸蓄電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)

張文斌， 韓慶福， 范安軍， 馬永孝， 徐成竹， 張龍中

（北京福田戴姆勒汽車有限公司， 北京 101400）

1 前言

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展， 越來越多的電子產(chǎn)品應(yīng)用到重型卡車上， 同時隨著二氧化碳排放要求的提高以及能源的減少， 節(jié)能減排已經(jīng)成為各主機廠面臨的嚴(yán)峻問題。不斷增加的用電器負(fù)載給蓄電池帶來了巨大的挑戰(zhàn)， 如獨立熱源、 駐車空調(diào)、 1000W逆變器等， 特殊工況或用戶操作不當(dāng)情況下， 蓄電池壽命會嚴(yán)重衰減， 蓄電池虧電也會導(dǎo)致車輛無法起動等市場抱怨。 同時， 遇到冬季來臨， 蓄電池充放電性能下降， 各大主機廠蓄電池故障率明顯攀升，為了解決蓄電池故障及其用戶對蓄電池的合理應(yīng)用， 因此，對蓄電池的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控成為行業(yè)需解決的一個重要問題，這也為后續(xù)的整車電能管理提供一個基礎(chǔ)條件。

本文提供了一種商用車鉛酸蓄電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)， 對蓄電池的狀態(tài)情況進(jìn)行監(jiān)控， 及數(shù)據(jù)存儲與展示， 以及對虧電情況的報警， 以引起用戶的注意， 蓄電池參數(shù)狀態(tài)信息的監(jiān)控及其相關(guān)控制將為實現(xiàn)整車的電源能量分級管理提供前期條件。

2 詳細(xì)的技術(shù)內(nèi)容

2.1 系統(tǒng)總體思路

一種商用車鉛酸蓄電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā) （圖1），系統(tǒng)由蓄電池傳感器、 網(wǎng)關(guān)控制器、 車身控制器、 儀表、車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成。 蓄電池傳感器采集并計算蓄電池的SOC、SOF、 SOH等參數(shù)信息； 網(wǎng)關(guān)控制器負(fù)責(zé)路由蓄電池參數(shù)LIN報文信息到PCAN線路， 以供系統(tǒng)中其它部件使用， 同時從PCAN接收BCU發(fā)送的蓄電池更換的參數(shù)配置信息路由到LIN線， 以供蓄電池傳感器匹配使用； 車身控制器負(fù)責(zé)配置蓄電池變更的參數(shù)信息， 并將其發(fā)送到PCAN 線路； 儀表負(fù)責(zé)蓄電池監(jiān)控的相關(guān)報警及蓄電池的SOC值的顯示； 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由TBOX、 車聯(lián)網(wǎng)平臺、 手機客戶端組成， TBOX負(fù)責(zé)將蓄電池的參數(shù)信息傳送給車聯(lián)網(wǎng)平臺，車聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行蓄電池的參數(shù)信息的存儲、 展示及判斷SOC值， 進(jìn)行報警， 將報警信息傳送給手機客戶端， 以提醒用戶注意。

圖1 蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)

系統(tǒng)總體的功能實現(xiàn)蓄電池SOC、 SOF、 SOH等數(shù)據(jù)存儲及電量低報警信息推送， 并進(jìn)行電磁開關(guān)的控制， 以保證車輛的正常起動。 同時， 實現(xiàn)對蓄電池全生命周期的運行狀態(tài)的監(jiān)控。

2.2 技術(shù)方案

2.2.1 蓄電池傳感器的開發(fā)

蓄電池傳感器可實時監(jiān)控蓄電池狀態(tài)并對客戶進(jìn)行有效提醒， 通過連接在CAN/LIN節(jié)點上的車聯(lián)網(wǎng)終端和后臺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 對蓄電池的實時信息進(jìn)行分析、 反饋， 也會為市場索賠提供數(shù)據(jù)支撐。 可幫助車輛最大限度地解決因蓄電池意外故障而導(dǎo)致的汽車故障， 實現(xiàn)最長電池壽命和最大化電池能效管理， 是整車電源管理功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

蓄電池傳感器一般由極夾、 主體、 接線片等構(gòu)成， 見圖2。 其中主體構(gòu)成包括： 上蓋、 PCB、 殼體、 膠、 分流器電阻、 針腳； 其中電壓傳感器測量電路和溫度傳感器集成在PCB板上， 經(jīng)過特定的電路排布， 再通過復(fù)雜的邏輯算法運算， 計算出蓄電池的工作溫度、 輸出電流和輸出電壓；其中的連接器有3個端子， 分別為24V、 12V、 LIN線。

圖2 蓄電池傳感器組成

蓄電池傳感器通過極夾與蓄電池負(fù)極柱相連， 接線片搭鐵， 通過CAN/LIN線與整車控制器相連 （連接方式見圖3）， 并發(fā)送SOC、 SOF、 SOH等蓄電池相關(guān)參數(shù)， 詳見下述功能。

圖3 蓄電池傳感器連接方式

1） 蓄電池傳感器的監(jiān)控功能。 監(jiān)控SOC、 SOF及SOH等相關(guān)參數(shù)： ①蓄電池的充放電狀態(tài) （SOC）： SOC的定義非常直觀， 通常以百分?jǐn)?shù)的形式表示。 完全充電的電池SOC為100%， 完全放電的電池SOC為0%， 實際使用過程中是不允許蓄電池的SOC為0%的。 SOC值隨電池的充電和放電時間而改變， 是一個由充放電引起的蓄電池充電狀態(tài)的改變值。 ②蓄電池的功能狀態(tài) （SOF）： SOF是一個預(yù)測值，它預(yù)測了當(dāng)前蓄電池能提供的最低起動電壓。 功能狀態(tài)考慮了蓄電池的老化程度、 溫度、 內(nèi)阻以及發(fā)動機起動所需的電流。 SOF對于啟停系統(tǒng)而言非常關(guān)鍵， 直接關(guān)系到了相關(guān)控制策略。 ③蓄電池的健康狀態(tài) （SOH）： SOH直接反映電池的預(yù)期壽命， 是一個相對量， SOH用于判定電池老化過程， 可區(qū)分可逆和不可逆的老化過程。

2） 蓄電池監(jiān)控的指標(biāo)： 蓄電池的溫度、 蓄電池的電壓、 靜態(tài)電流、 蓄電池的內(nèi)阻等。

3） 支持休眠喚醒， 支持LIN喚醒。

2.2.2 網(wǎng)關(guān)控制器的開發(fā)

系統(tǒng)方案中的網(wǎng)關(guān)控制器主要負(fù)責(zé)將蓄電池的參數(shù)信息傳送到整車CAN線路上， 以供整車蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)中各器件的應(yīng)用； 同時， 將系統(tǒng)配置的蓄電池變更信息參數(shù)傳送到LIN線路， 以供蓄電池傳感器配置。 具體功能如下所述。

1） 網(wǎng)關(guān)的CAN 網(wǎng)絡(luò)和LIN 網(wǎng)絡(luò)間相互轉(zhuǎn)換的功能：網(wǎng)關(guān)能夠正確接收CAN和LIN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議格式的報文， 能夠解析收到的報文數(shù)據(jù)； 能夠根據(jù)各網(wǎng)段參數(shù)的需要， 按另外一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的格式將所需數(shù)據(jù)封裝打包， 并按照該網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求發(fā)送到相應(yīng)的線路上。

2） 網(wǎng)關(guān)CAN總線 （報文/信號） 路由功能： 網(wǎng)關(guān)能夠根據(jù)預(yù)先編制的路由規(guī)則自動實現(xiàn)CAN總線上報文級別和信號級別的路由功能。 網(wǎng)關(guān)可以根據(jù)路由規(guī)則選擇CAN報文直接轉(zhuǎn)發(fā)， 或者拆分為信號和其它信號組合然后重新封裝后轉(zhuǎn)發(fā)， 或者根據(jù)特定的邏輯運算后轉(zhuǎn)發(fā)， 包括對報文丟失、 超時等故障模式的處理。 網(wǎng)關(guān)在轉(zhuǎn)發(fā)報文前應(yīng)能夠檢測該報文是否已正常接收到最近周期報文， 如沒有， 則不轉(zhuǎn)發(fā)該報文。 路由表要可配置， 且有配套的軟件工具進(jìn)行配置。

3） 網(wǎng)關(guān)滿足不同配置車輛網(wǎng)絡(luò)需求： 網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有根據(jù)配置字來確定車輛的配置信息， 并根據(jù)車輛的配置信息確定車輛的CAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)， 自動調(diào)整相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)管理信息以及網(wǎng)絡(luò)路由表， 且網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有長期存貯配置字的能力， 外置EEPROM存儲配置字。

2.2.3 車身控制器的開發(fā)

車身控制器負(fù)責(zé)配置蓄電池參數(shù)變更信息， 并將其發(fā)送到整車CAN線路上； 同時， 在鑰匙開關(guān)處在ON擋時， 車身控制器根據(jù)從CAN線路上接收到的蓄電池的SOC值及環(huán)境溫度值， 判斷蓄電池的狀態(tài)， 并向CAN線發(fā)送蓄電池的狀態(tài)報警信息。 具體功能如下所述。

1） 更換蓄電池參數(shù)配置信息： 當(dāng)安裝蓄電池傳感器的車輛， 更換不同型號的蓄電池時， 蓄電池傳感器內(nèi)部需要重新配置蓄電池參數(shù)， 因此， 可通過診斷儀對車身控制器進(jìn)行更換蓄電池的參數(shù)配置， 配置完成后，車身控制器向CAN線發(fā)送更換的蓄電池參數(shù)信息，以供網(wǎng)關(guān)路由給蓄電池傳感器使用。 更換蓄電池時， 蓄電池傳感器需配置參數(shù)見表1。

表1 更換蓄電池配置參數(shù)

2） 蓄電池電量低報警功能： 當(dāng)鑰匙開關(guān)處于ON擋時， 車身控制器根據(jù)接收到的整車不同環(huán)境溫度下對應(yīng)的蓄電池SOC值的大小與設(shè)定的SOC閾值進(jìn)行比較。 若蓄電池電量偏低時， 車身控制器激活蓄電池電量偏低報警狀態(tài)； 若蓄電池電量過低時， 車身控制器激活蓄電池電量過低報警狀態(tài)， 并將報警狀態(tài)發(fā)送到CAN線上， 以供儀表和車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)使用。

3） 電磁開關(guān)的控制功能： 當(dāng)車身控制器接收到系統(tǒng)的蓄電池SOC值低于對應(yīng)的閾值時， 車身控制器控制斷開電磁開關(guān)， 以保證蓄電池電量消耗降低。

2.2.4 儀表的開發(fā)

儀表接收到車身控制器發(fā)送到CAN線上的蓄電池相關(guān)的報警狀態(tài)時， 進(jìn)行相關(guān)的文字報警與顯示， 見表2。

表2 蓄電池故障報警

2.2.5 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的開發(fā)

車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由TBOX、 車聯(lián)網(wǎng)平臺、 手機客戶端組成。TBOX負(fù)責(zé)從整車采集相應(yīng)的蓄電池參數(shù)信息傳送給車聯(lián)網(wǎng)平臺； 車聯(lián)網(wǎng)平臺負(fù)責(zé)進(jìn)行蓄電池參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲與展示，并對SOC值進(jìn)行判斷比較， 當(dāng)發(fā)生蓄電池電量低狀態(tài)時，向手機客戶端推送報警信息， 同時儲存報警信息； 手機客戶端負(fù)責(zé)將接收到的蓄電池電量低報警信息以短信的方式推送給車輛用戶， 并在手機客戶端實時顯示整車蓄電池電量SOC值及蓄電池健康狀態(tài)SOH值。 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)功能如下所述。

1） 整車蓄電池參數(shù)信息終端設(shè)備TBOX的采集與傳送。

車輛在未上電狀態(tài)時， 網(wǎng)關(guān)具備自喚醒功能， 可周期性地自喚醒將蓄電池參數(shù)信息從LIN線路由到CAN線， 以喚醒TBOX。 TBOX在車輛的未上電狀態(tài)下可周期性地采集蓄電池的參數(shù)信息， 并傳送給車聯(lián)網(wǎng)平臺。

車輛在ACC、 ON狀態(tài)時， TBOX處于喚醒狀態(tài)， 持續(xù)向車聯(lián)網(wǎng)平臺傳送蓄電池參數(shù)信息。

2） 車聯(lián)網(wǎng)平臺蓄電池參數(shù)的存儲、 展示及SOC電量低報警判斷。

車聯(lián)網(wǎng)平臺收到蓄電池的參數(shù)信息， 進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，并對SOC、 SOF、 SOH等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示， 以便主機廠查看車輛蓄電池的全生命周期的使用情況， 便于掌握用戶的操作習(xí)慣， 制定并優(yōu)化整車電能使用的策略。

車聯(lián)網(wǎng)平臺通過采集的蓄電池SOC值及系統(tǒng)的環(huán)境溫度， 進(jìn)行蓄電池電量低的邏輯判斷。 目前方案車聯(lián)網(wǎng)平臺對蓄電池電量低進(jìn)行分級判斷， 若蓄電池電量SOC值低于一級報警閾值時， 進(jìn)行一級報警信息； 若蓄電池電量SOC值低于二級報警閾值時， 進(jìn)行二級報警信息。 系統(tǒng)將報警信息存儲， 并推送給手機客戶端。

3） 手機客戶端的報警與SOC、 SOH值顯示。

手機客戶端收到車聯(lián)網(wǎng)平臺推送的報警信息時， 車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)立即向車輛用戶推送報警信息， 以提醒用戶進(jìn)行下一步對蓄電池的操作處理。 同時， 手機客戶端顯示蓄電池的SOC值、 SOH值， 以給用戶一個直觀的顯示， 告知用戶當(dāng)前蓄電池電量值。

3 蓄電池監(jiān)控的意義

1） 蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)： 面向車主， 通過手機客戶端顯示蓄電池SOC、 SOH信息及電量低報警提醒； 面向品質(zhì)人員，通過后臺數(shù)據(jù)存儲與展示， 可對蓄電池的實時信息進(jìn)行分析、 反饋， 也會為市場索賠提供數(shù)據(jù)支撐； 面向服務(wù)人員，通過報警提醒， 可快速找到相關(guān)問題的源頭， 快速響應(yīng)修理故障； 面向研發(fā)人員， 為后續(xù)的整車電能管理， 提供數(shù)據(jù)經(jīng)驗。

2） 預(yù)期效果： 降低客戶操作不當(dāng)引起車輛無法起動風(fēng)險； 減少故障蓄電池責(zé)任判定糾紛； 降低客戶抱怨； 延長蓄電池使用壽命， 降低蓄電池故障率。

4 總結(jié)

本項目基于企業(yè)平臺車型的資源， 增加了蓄電池傳感器， 借助平臺車型現(xiàn)有資源， 制定了鉛酸蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案， 可以滿足企業(yè)產(chǎn)品線上各類產(chǎn)品對蓄電池狀態(tài)監(jiān)控的功能實現(xiàn)。 該方案實現(xiàn)了對蓄電池全生命周期狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)控， 及車聯(lián)網(wǎng)平臺對蓄電池參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲與展示， 同時對蓄電池電量低進(jìn)行報警提醒， 以提醒用戶注意。 該項目為后續(xù)整車電能的分級管控提供了基礎(chǔ)， 為節(jié)能降耗、 節(jié)能減排起到了積極的作用， 具有重大的社會影響和意義。