一種低壓蓄電池自動補電方案

王曉光，蒙天地，高家君，李彥奇，馬 良

（一汽奔騰轎車有限公司 智能網聯開發院，吉林 長春 130001）

隨著汽車智能網聯化的發展，汽車上的電氣裝備越來越多，車輛停放期間的靜電流也越來越大，很多主機廠都或多或少的被蓄電池虧電的問題所困擾。圖1為某款車儀表上的蓄電池虧電提醒界面。為了保證車輛的停放時間足夠長，避免蓄電池虧電，通常需要增大蓄電池的容量，但這也意味著整車成本和重量的增加，并不是最優方案。

圖1 儀表電量低提醒

對于傳統燃油車，只有起動機發動機才可以給低壓蓄電池充電，但發動機起動時存在振動、噪音、排放有害氣體等問題，不滿足自動補電的使用需求。而對于近些年發展越來越快的電動汽車，當整車高壓上電時，車輛沒有振動、噪音、排放有害氣體等問題，因此，具備自動補電的條件。自動補電時，車內的空調、儀表、音響等均保持靜默、熄屏狀態。

1 蓄電池虧電檢測方法

目前市面上最常見的12 V低壓蓄電池絕大部分都是鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池的放電深度對蓄電池循環使用壽命影響很大，這是因為放電深度越深，電極膨脹收縮量越大，正極的活性物質脫落越多，從而失去放電特性，導致性能逐漸下降。鉛酸蓄電池放電到臨界電壓后，繼續放電會嚴重損害蓄電池，形成不可逆的硫酸鹽化，從而使恢復能力變差，甚至無法修復。所以蓄電池使用時應盡量避免深度放電，當檢測到蓄電池電量偏低時應及時補電，以便使蓄電池及時恢復正常狀態。做到“淺放勤充”，一般情況應做到：蓄電池放電深度不能低于50%。

檢測蓄電池電量的方法通常有兩種，分別是SOC值、電壓值。兩種方法對比如表1所示。

表1 檢測蓄電池電量的方法對比

荷電狀態（State of Charge, SOC）用來反映電池的剩余容量，其數值上定義為剩余容量占電池容量的比值，常用百分數表示。電池SOC不能直接測量，只能通過安裝在電池負極上的蓄電池傳感器（Electronic Battery Sensor, EBS）測量電池端電壓、充放電電流及內阻等參數來估算其大小。而這些參數還會受到電池老化、環境溫度變化及汽車行駛狀態等多種不確定因素的影響，因此，準確的SOC估計需要一套復雜的算法，這也是蓄電池傳感器廠家的核心技術。對于中高端乘用車來說，出于電能管理、怠速啟停等功能的需求，蓄電池上通常都會安裝蓄電池傳感器，如圖2所示，該傳感器的成本為60～90元，此時用該傳感器就可以順便實現蓄電池虧電檢測功能。

圖2 蓄電池傳感器EBS

但對于成本控制要求較嚴格的中低端乘用車來說，通常蓄電池傳感器就顯得相對奢侈了。因此，這種車通常還是采用傳統的電壓檢測的方式檢測蓄電池虧電。與蓄電池傳感器相比，電壓檢測的方式并不能一直實時反映出蓄電池的真實電量狀態，特別是燃油車在車輛行駛期間，發電機的輸出電壓在實時變化，各種大負載的能量消耗也在實時變化，此時檢測的蓄電池兩端電壓和蓄電池電量之間無明確對應關系。當整車供電擋位切換到IGOFF（Ignition OFF）（整車低壓下電）之后，由于蓄電池的電容特性，導致“虛電”還會持續一段時間，該時間通常以小時計。然后“虛電”才會被整車靜態電流逐漸消耗掉，此時蓄電池兩端電壓和蓄電池電量之間就有一定的線性對應關系了。以某一款鉛酸蓄電池為例，其蓄電池電量與電壓對應關系如表2所示。

表2 蓄電池電量與電壓對應關系表

為了看清其對應關系，將其以折線圖的方式表達如圖3所示。從圖中可以看出，蓄電池電量與電壓之間具有較好的線性關系，因此，可以用檢測電壓的方式來代替蓄電池電量檢測。當檢測到電壓低于一定值時，則可以判定為蓄電池虧電。

圖3 蓄電池電量與電壓對應關系圖

在車輛停放期間，車輛各個控制器都會處于低功耗睡眠模式，作為控制器主控芯片的單片機通常要處于功耗最低的“掉電模式”。在“掉電模式”下，通常除了外部中斷之外，單片機無法被任何中斷源喚醒。

此時為了實現某個控制器的自喚醒，就需要單片機硬件上具備一個特殊的“掉電自喚醒定時器”，該定時器可以像外部中斷一樣，在單片機處于“掉電模式”下時每間隔一定時間就喚醒單片機一次。

如果單片機沒有這個“掉電自喚醒定時器”，另一種實現方式就是采用片外的實時時鐘（Real Time Clock, RTC）時鐘模塊，當單片機進入掉電模式之后，片外的RTC時鐘仍然持續運行，每間隔一段時間通過外部中斷的方式喚醒單片機。

檢測到蓄電池虧電之后，接下來就可以進行補電控制了，補電方式分為手動補電和自動補電兩種方案，下面分別給予介紹。

2 手動補電方案

當車輛處于IGOFF供電狀態且控制器局域網 （Controller Area Network, CAN）睡眠時，車輛里的某個控制器，比如車聯網系統（Telematics- BOX, TBOX），每隔一定時間自喚醒一次，讀取蓄電池SOC或電壓。當檢測到蓄電池虧電之后，通過TBOX通知手機App，如“蓄電池虧電，請及時起動發動機”。當車主收到手機APP的虧電提醒之后，可以自行決定是否立即進行補電。如果需要補電，則點擊手機App上面的“一鍵補電”按鍵，該命令通過TBOX下發給車內車身控制單元（Body Control Module, BCM），BCM即可控制發動機起動并運行一定時間后自動熄火，從而達到為蓄電池補電的目的。

對于傳統燃油車，只有起動發動機才可以給低壓蓄電池充電，但發動機起動是可感知的，同時還會產生噪音、排放有害氣體等問題，不滿足自動補電的使用需求，因此，傳統燃油車只能采取這種手動補電的方案，而不能采取自動補電的方案。

3 自動補電方案

對于電動汽車，由于高壓上電無外在表現，因此，當車輛處于IGON供電狀態時，就可以高壓上電為低壓蓄電池充電，這點和傳統燃油車不同，對于傳統燃油車最容易出現虧電的IGON（整車低壓上電）檔位，電動汽車反倒不可能虧電。

而只有車輛處于IGOFF供電狀態長時間停放時，由于靜電流的存在，才需要考慮蓄電池虧電的問題。本方案就是針對IGOFF時對低壓蓄電池的自動補電方案。

方案原理框圖如圖4所示。

圖4 自動補電方案原理框圖

圖4中，電能管理模塊（Energy Management System, EEM）和整車控制單元（Vehicle Control Unit, VCU）是與自動補電相關的兩個CAN節點控制器，而蓄電池傳感器（Electronic Battery Sensor, EBS）作為局域互聯網絡（Local Interconnect Network, LIN）節點連接到EEM上。

EBS安裝在蓄電池負極上，以LIN信號的方式將蓄電池電量SOC發送給EEM。EEM負責進行低壓蓄電池虧電條件判斷，如果當前處于虧電狀態，即SOC小于一定值，并且車輛機艙蓋處于關閉狀態，則EEM向VCU發送補電請求信號。其中，檢測機艙蓋狀態是處于安全考慮，當有人打開機艙蓋進行車輛維修或保養時，即使并未接觸高壓零件或高壓線束，也不允許高壓自動上電。VCU收到補電請求信號后，進行高壓上電，然后再將補電狀態（即高壓上電結果）反饋給EEM，形成功能上的閉環。

這個過程中，涉及到的CAN信號有兩個，EEM發送給VCU的“補電請求信號”和VCU發送給EEM的“補電狀態信號”，具體信號格式如表3所示。

表3 信號列表

4 自動補電方案流程

自動補電方案流程圖如圖5所示：

圖5 自動補電方案流程圖

自動補電過程描述如下：

（1）當供電擋位處于IGOFF且CAN網絡睡眠時，EEM每5 h自喚醒一次，讀取低壓蓄電池EBS的SOC值。

（2）當EEM讀取到蓄電池SOC＜65%且機艙蓋處于關閉狀態時，喚醒CAN網絡，向VCU發送補電請求。

（3）VCU收到補電請求后，判斷以下條件都滿足時，高壓上電給低壓蓄電池補電，同時向EEM反饋“補電狀態信號=補電中”。

①動力電池SOC≥10%；

②未連接充電槍；

③無禁止高壓上電故障。

（4）EEM收到“補電狀態信號=補電中”后，開始持續檢測蓄電池SOC值，并開啟補電計時。

①當蓄電池SOC＞90%時，EEM停止發送補電請求。

②或者計時超過1 h，即使蓄電池SOC≤90%，EEM也停止發送補電請求。

③或者EEM收到以下任一補電中斷條件，則停止計時，并主動停止發送補電請求。

④供電擋位不是IGOFF。

⑤機艙蓋未處于關閉狀態。

⑥若EEM收到“補電狀態信號=失敗”，則EEM停止發送補電請求。

（5）在高壓上電過程/補電過程中滿足以下任一條件，則VCU主動高壓下電，并反饋“補電狀態信號=失敗”。

①補電過程中，動力電池SOC＜5%。

②整車有導致高壓下電的故障。

③DCDC使能后，DCDC未工作。

④未收到 EEM發送的補電請求超過一定時間。

⑤接收到充電喚醒信號。

⑥供電擋位不是IGOFF。

⑦機艙蓋處于打開狀態。

5 結束語

通過上述自動補電方案，可以解決供電擋位處于IGOFF時低壓蓄電池虧電的問題，再結合前面提到的IGON高壓上電策略，從而涵蓋了電動車的全部車輛狀態，徹底解決了常見的蓄電池虧電問題。由于IGOFF時自動補電屬于非用戶主觀操作的高壓上電，本方案中把機艙蓋關閉作為自動補電的前提條件，相當于在高壓絕緣保護的基礎上，為用戶安全增加了一道保障，提高了自動補電策略的安全性。