新能源汽車智能補電系統研究

摘要：新能源汽車如果停車太久、前燈長時間沒滅，車門長時期沒關，就會造成電池電量不足，發動機不能起動。當前在低電壓的電池電量不足時，要靠人工搭鐵來發動汽車。為此，針對汽車的故障原因，研制了一種新型的智能補電系統裝置，可以有效地解決汽車的電源故障，以保證車輛正常使用。

關鍵詞：新能源；智能補電；系統；研究

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2022-12-15

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.03.009

1 前言

由于新能源汽車停放太久，車燈以及車門長時間不關，都會造成電池電量不足，從而使車輛不能發動。在長時間的電力損耗中，如果是低壓的話，很可能會發生硫化反應，因為硫化鉛會附著在電極上，阻礙了電子的傳導，導致蓄電池的電量下降［1-2］。

當前低電壓蓄電池出現缺電時，要用人工搭鐵來發動汽車，如有較大的損傷，必須進行低電壓的電池替換。低電壓的電池損耗會造成汽車不能正常工作。一些帶有充電功能的新能源汽車，會根據車輛本身的電壓來控制電池的電壓，為電池充電，在沒有考慮到車輛和乘客的安全的前提下，在維護過程中會危及維護人員的生命安全［3-4］。

本文旨在研制一套安全的智能充電器系統，該系統可以利用APP 等相關的信息，對汽車低壓蓄電池進行充放電，實現對汽車進行遠程智能補電，解決了低壓蓄電池虧電的問題，保證車輛的正常使用。

2 新能源汽車智能補電系統相關概述

2.1 新能源汽車類型介紹

混合動力車既可以用電來驅動，也可以用汽油來驅動。在混合動力車型中，插電式混動是當前新能源車的主要組成部分，根據其結構的不同，將其分成三類：串聯式、并聯式和混合聯式。

其中混聯混動技術的需求是最大的，因為混聯混動結合了前后兩種優勢，可以靈活地選擇各種工作方式，這在某些型號上已有一定的代表性，例如雷凌、卡羅拉，都使用了混聯技術。

全電力汽車是完全依靠蓄電池來為其提供能量。由于其是一種最清潔、環保的新型能源車輛，其排放量達到了0。在汽車用蓄電池中，三元鋰和磷酸鐵鋰是最常用的兩種電池。磷酸鐵鋰因其優異的高溫性能和低廉的價格而受到廣泛的歡迎，然而其在低溫度下的充電和放電性能卻不理想。但是三元鋰電池因為其良好的耐寒能力，可以在極低溫度下保持車輛的長壽命，因此其在市場上的發展前景非常廣闊，但是其生產工藝要求高、價格昂貴，所以一般都用于高檔電動車，比如特斯拉的Model S。目前，國產比亞迪和寧德時代都是這兩款電池的主要生產商。

2.2 智能補電系統研究的主要瓶頸

2.2.1 新能源汽車的能量損耗問題

新能源汽車的能量損耗問題主要表現在能源消耗方面。串聯混合動力車是完全用電驅動的，燃油經過引擎，經過發電機，再到馬達，一步一步地傳輸，最終到達車輪；并聯混合動力汽車有三種不同的驅動方式，分別是純電動、純油、油電三種。而混聯式轎車雖然具有前兩種優勢，但是其總體結構比較復雜，技術含量也比較高。這些車型都可以降低燃油消耗，降低尾氣排放，但是從能源的角度來說，混動車輛的功率系統越多、越復雜，其能耗也就越大。

2.2.2 新能源汽車的電池問題

電動汽車的電池問題有三大類：電池安全、動力電池技術、電池回收再利用。為了滿足政府的補貼要求，很多廠商都在追求更高的電池密度，從而延長了電動車的使用壽命，但是這也造成了一系列的電動車自燃事故。這是因為電池的比能增加，導致電池的不穩定，所以在被撞到的情況下，電池有可能會爆炸。這意味著如果單純提升電池的能源密度而不進行技術上的突破，將很難解決電動車的安全性問題。

2.3 新能源汽車智能補電系統研究現狀

目前，汽車蓄電池的電量不足，一般都是采取被動輔助，在蓄電池不能啟動的情況下，通過外部電源來給蓄電池充電，這個過程非常復雜，耗時耗力。

目前，國內外有關人士對蓄電池的防損技術進行了深入的探討，并且也取得了一些專利［5-6］。如有學者利用電池的實時監測蓄電池的電壓，在一定的時間內對蓄電池進行充放電，而未注意到電池在充電時容易受到溫度等外部因素的干擾，以及在信息傳遞中產生的延遲問題，其結果是蓄電池的充放電率參差不齊，致使蓄電池的電池容量仍然不夠，或者只能在一定的時間內保持其工作狀態，從而引起蓄電池的多次充電。

無論使用的是被動式的，還是根據電壓來判定蓄電池的電量，都無法對電池進行及時的監測，無法在電池沒有足夠的能量或者電壓的情況下給電池進行補給，也無法確保電池每一次都能充滿，從而對DCDC 和電池的壽命造成一定的損害。因此，基于新能源汽車蓄電池的智能防損系統是一項非常有意義的課題。

3 新能源汽車智能補電系統的必要性

3.1 新能源汽車靜態電流

靜態電流，也就是所謂的“暗流”、“靜流”，它是指當汽車處于不使用狀態時，整個汽車處于休眠狀態時所消耗的電流P。電子控制系統用于保持座椅位置記憶、后視鏡位置記憶、娛樂系統播放記憶、空調風向及速度。為了能迅速地解決汽車的故障，控制單元將故障的原因歸類到控制器中，并將其保存到控制器中。車輛的安全需要一些傳感器、照相機、記錄儀來保證車輛時刻處于監控狀態。遙控比如遙控鎖車、開啟空調機等，以及與汽車有關的BCM、TBOX、AC 等控制器都處于待機狀態。

關于新型車輛專用故障數據的上傳，需按國家有關規定，及時上傳至國家或企業的監測平臺。汽車的低電壓電池是自放電的，因為電池本身的內部電阻會產生一定的自放電，如果不是長期儲存，可以忽略不計。由于電流的存在是不可避免的，所以很多工廠都會把靜態電流作為測試標準，對車輛的靜態電流進行嚴格的控制。表1 為吉利新能源汽車型號控制器的靜態電流分配表。

3.2 網絡誤喚醒

在某些特殊的環境中，有時會發生汽車處于斷電狀態，汽車的控制器會因為接收到外部的干擾信號而被誤啟動。綜合以上分析，新能源車的靜電流比常規汽車大，更易受到外部電磁干擾，停車時更易發生電力損耗。因此，針對汽車在停車時電池電量不足的問題，設計了一套能夠自動監測電池SOC 并自動給蓄電池充電的智能補充系統。

4 新能源汽車智能補電系統

新能源汽車智能補電系統包括三個主要模塊：車輛端、云平臺和用戶端。汽車終端由車載終端、VCU、BMS、動力電池、高壓配電箱、直流-直流、低壓蓄電池組成，車載終端主要負責收集汽車CAN 網絡中各個部件的數據，如低壓蓄電池的電壓等，通過車載終端的無線通信模塊將資料傳輸至云平臺，再從云端平臺接收到充電命令。

VCU 是整個車輛的控制大腦，在監控整個車輛的安全性的同時，完成對充電命令的傳輸；BMS 是一個電力電池的管理系統，它在監控蓄電池安全性的前提下，完成對充電命令的傳輸；蓄電池是車輛的動力供應樞紐，向高壓配電盒供電，為各個部件供電；高壓配電盒將電力電池的電能合理地分配到各部件；DC 將高壓DC 轉變為低電壓DC，為低電壓的蓄電池充電；在向使用的低壓設備提供電力的同時，低電壓的電池接受動力電池的充電。

通過對汽車CAN 的分析，可以對汽車的缺電量進行判斷，并與用戶、車端進行數據交互。用戶端主要是應用程序、微信公眾號等，用戶可以自行操作，圖1 所示為智能補電系統的框架。

4.1 系統方案設計

本系統由蓄電池能量管理控制器、電池管理系統、電池管理系統BMS 組成。蓄電池能量管理控制器由CAN 網連接VCU、BMS、DCDC。該電源由高壓線路連接到DCDC 的輸入，DCDC 的接地和負電極連接，蓄電池的負極上裝有一個電流感應器，整個電路的總體構造見圖2。

蓄電瓶負極安裝有電流傳感器，可對蓄電池進行充電，并將該電壓信號與蓄電池儲能系統連接，從而實現蓄電池容量的計量。蓄電池儲能系統的容量控制系統使用安時積分法進行容量的計算，安時積分法是一種常用且有效的估計方法。

4.2 系統工作流程

在停車休息期間，由裝有電流的傳感器對電池進行即時的檢測，由安時積分方法對電池進行功率的估算。當電池容量小于安全閾值時，由VCU 發出高電平的叫醒VCU，VCU 對CAN 網中的BMS 和DCDC 進行激活。電池電量管理控制器將電池電量信息及電池信息BMS、DCDC 將電池的狀況信息通過CAN 網傳輸至VCU，當電池電量小于安全臨界點時，電池未發生任何問題，電池可釋放，DCDC 已就緒，VCU 將開始充電命令發至DCDC。DCDC 的充電器在充滿100% 或不能放電或者DCDC 沒有做好的情況下，DCDC 的充電器就會被切斷。另外，根據蓄電池的電壓區間，可以決定蓄電池的電壓等級，從而決定蓄電池的起動和充電。

4.3 智能補電系統用戶端研究

用戶端主要是APP 和微信公眾號，通過購買和注冊賬號來實現汽車和賬號的綁定。在檢測到電池電壓低于設定閾值時，系統會發出警告，并根據不同的情況將其劃分為七種情形，如圖4 所示。

4.4 智能補電系統車端研究

為了實現新能源汽車生命周期的實時監控，必須安裝遠程監控裝置。汽車監控終端是車輛監控的核心部分，其功能是對車輛CAN 總線內車輛的動態進行實時的采集、分析，并將其上傳到云端平臺，實現與車輛零部件和云平臺的數據交換。在采集數據的過程中，不僅要采集整車數據、驅動電機數據、燃料電池數據、發動機數據、極值數據、報警數據，同時采集低壓蓄電池數據、車門數據、車燈數據。

目前，車載終端的采集協議分為國家標準+企標定制和全企標定制，每個廠家都可以自行選擇相應的采集協議，不過由于新能源車的相關規定，必須要將數據上傳到國家和當地的監管平臺，因此使用全企標自定義協議采集數據的方式就需要企業云平臺將自定義協議的數據轉換成國標協議數據。

汽車終端可分為單機和一體化兩種，單一的車載終端只能采集數據和數據交互，而集成的車載終端則可以實現車機、儀表、網關等多種功能，車企可根據需求使用不同的車載終端。車載終端會定時叫醒汽車的各個部件，在啟動后，VCU 和BMS 會對整車和電池進行安全檢查，在保證安全的情況下，BMS 會對電池進行充電。直流電壓通過高壓配電柜向DCDC 輸出，通過DC-DC 將高壓DC 轉換為低電壓DC，為低壓蓄電池進行充電。

4.5 智能補電系統云平臺研究

云計算是監控的核心部分，其功能包括電力不足報警、車載終端喚醒、指令發布。汽車的電池狀態、整車故障狀態、動力電池狀態、鑰匙狀態等都是由云平臺提供的，并云平臺可對每一種信息進行判定，以確定是否符合設定的充電規則。在滿足預定充電規則的情況下，將相應的報警指示發送給用戶終端，云臺接收由使用者端發出的警告命令所發出的授權命令，再通過授權命令遙控喚醒車上的終端，喚醒車上的所有零件，最后完成對車輛的充電命令。

5 結語

通過遠程監控，可實現對汽車低壓蓄電池的遠距離、定時監測，有利于智能充電，預防低壓蓄電池的漏電，保障汽車的正常使用，并可實現對各類汽車的低壓蓄電池的統一管理。只有得到用戶的許可，才會發出電力補充命令，從而避免了高壓的安全事故。

參考文獻：

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［5］陳俊兵，盛旺，李建剛，等一種汽車電瓶防虧電智能系統中國，CN106114232A［P］2016-09-14

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作者簡介：

張濤，男，1986 年生，工程師，研究方向為新能源汽車。