基于系統(tǒng)及電池特性的智能補電研究

【摘" 要】隨著純電動汽車向智能化汽車發(fā)展，汽車低壓系統(tǒng)變得越來越龐大，在OFF擋的用車場景也隨之變多，這些場景下的高壓系統(tǒng)處于不工作的狀態(tài)，由于低壓系統(tǒng)由低壓蓄電池供電，導致電池多耗少補，虧電的概率變大。文章基于電氣架構及蓄電池特性，對智能補電功能進行深入研究，并提出一種低成本智能補電功能參數的設置思路，對智能補電策略的進入條件、保持條件、退出條件等設計進行優(yōu)化。

【關鍵詞】低壓蓄電池；電氣架構；智能補電；虧電；電動汽車

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）03-0015-02

Research on Intelligent Replenishment Based on System and Battery Characteristics

LI Linze，MENG Xin，XIE Jihong，SHAO Jie，LU Meiling

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】With the development of pure electric vehicles to intelligent vehicles，automotive low voltage system has become more and more large. In the off-gear car scenes also become more and more， the high-voltage system in these scenes is not working， because the low-voltage system is powered by the low-voltage battery，resulting in the probability of battery loss increases. Based on the electrical architecture and battery characteristics，this paper makes an in-depth study of the intelligent recharge function，and puts forward a low-cost intelligent recharge function parameter setting idea，and optimizes the design of the entry condition，hold condition and exit condition of the intelligent recharge strategy.

【Key words】low-voltage battery；electronic architecture；smart fill electricity；under voltage；electric vehicle

作者簡介

李林澤，男，整車集成工程師，主要從事新能源汽車總線網絡研究工作。

近年來，隨著電子電力技術快速向智能化發(fā)展，大量的新型低壓電子器件應用到了汽車當中，使得汽車低壓電氣系統(tǒng)的用電量大為增加。當前電動汽車上的低壓電氣系統(tǒng)通常都是由低壓蓄電池（12V）供電驅動的，因低壓蓄電池虧電故障導致用戶無法使用車輛的問題頻繁發(fā)生，用戶抱怨非常嚴重[1]。面對虧電故障率的增加，以及鉛酸蓄電池的降本壓力，部分業(yè)內企業(yè)嘗試開發(fā)智能補電功能，但由于現有電子電氣架構不滿足需求或功能參數不合理問題，仍無法通過智能補電功能有效降低虧電故障率。因此，本文基于電子電氣架構的現狀、資源以及蓄電池特性參數分析來優(yōu)化智能補電策略，期望解決此問題。

1" 智能補電的意義

1.1" 虧電故障產生原因

純電汽車的高壓回路分為閉合和斷開的狀態(tài)。當回路閉合時，給整車低壓系統(tǒng)供電的是直流/直流（DC/DC），只要DC/DC正常工作，低壓蓄電池就不處于耗電狀態(tài)，甚至處于充電狀態(tài)，這種情況下不會產生虧電故障；當回路斷開時，此時DC/DC處于非工作狀態(tài)，給低壓電氣系統(tǒng)供電的是低壓蓄電池，低壓蓄電池處于耗電狀態(tài)，若補電不及時或不充足，待低壓蓄電池電量耗盡，即會出現虧電故障，使得車輛無法啟動。行業(yè)內虧電原因性質主要有3種：蓄電池損壞、零件工作異常、用戶行為。其中，關于蓄電池損壞方面，因低壓蓄電池為易損件，暫時只能通過維護或更換來解決；零件工作異常是指車輛零件問題持續(xù)不休眠耗電，一般通過問題斷點或加大品質管控就可以解決；用戶行為是指用戶忘關車門、車燈等行為，導致電池多耗少補而虧電，針對性地增加補電，可以解決此類問題。

1.2" 蓄電池補電電氣架構

純電動汽車的電氣系統(tǒng)由高壓和低壓2套電氣系統(tǒng)組成，如圖1所示。高壓電氣系統(tǒng)主要用來給驅動電機、PTC、壓縮機等大功率器件供電，能量來源為高壓動力電池；低壓電氣系統(tǒng)則主要用于給汽車的小功率器件（比如娛樂系統(tǒng)、各種控制器）進行供電，能量來源于12V低壓蓄電池。低壓蓄電池依靠動力電池通過DC/DC進行電壓轉換后給其補電，目前已知有兩種低壓蓄電池的補電場景：常規(guī)補電——啟動Ready模式、充電過程中；智能補電——OFF擋下低壓蓄電池電量低自動觸發(fā)。

雖然每一臺傳統(tǒng)的純電動車都有常規(guī)補電，但在汽車智能化發(fā)展的過程中，低壓系統(tǒng)越來越龐大，耗電器件增加，常規(guī)補電已經無法滿足低壓蓄電池的補電需求，進而導致低壓蓄電池虧電故障率增大，所以大部分車企新增智能補電方式，以此增加補電場景，減少虧電風險。

2" 智能補電的分類

從目前具備智能補電的車型來看，智能補電功能可以分為兩種方案：一種是低壓蓄電池具備電池管理模塊，此模塊可以實時監(jiān)控蓄電池的電壓、輸出/輸入電流、健康狀態(tài)、充電狀態(tài)等，只要蓄電池狀態(tài)滿足預設條件即可進入補電，補電開始、保持和退出都由電池管理模塊控制；另一種是不增加昂貴的電池管理模塊，采用現有硬件架構和總線信號，實現低成本智能補電功能。此方案是本文主要研究的方案，例如采用整車控制器VCU、電池管理系統(tǒng)BMS和DC/DC轉換器等，基于總線上現有的信號，通過算法得到低壓蓄電池的狀態(tài)，整車控制器由此來判斷是否控制高壓回路閉合，即是否開啟補電。對于這種低成本的智能補電策略，現有的系統(tǒng)硬件架構方案如圖2所示。

現有信號資源一般有：①VCU的電源電壓，通過VCU內部電路板自帶的電壓傳感器，可以反映出VCU電源引腳端的電壓；②DC/DC輸出電壓，當DC/DC處于工作狀態(tài)時，對外輸出的電壓；③DC/DC輸出電流，當DC/DC處于工作狀態(tài)時，對外輸出的電流；④動力電池SOC，動力電池當前電量占總電量的百分比。

3" 智能補電策略

蓄電池為易損件，由于用戶用車習慣不同，低壓蓄電池的使用壽命也大不相同，普遍在1～5年，影響壽命的主要因素是蓄電池電量的日常保持狀態(tài)。如圖3測試數據所示，蓄電池單次放電深度超過30%，蓄電池可滿充的次數斷崖式下跌，所以設置智能補電策略中的進入條件、補電狀態(tài)、退出條件，將蓄電池的SOC長期維持在70%以上，且不過充，即可有效延長其使用壽命。

3.1" 進入條件

補電進入條件直接影響到智能補電觸發(fā)的次數，補電過多還影響動力電池的SOC，設置合理的進入條件對提升智能補電的功能體驗十分重要。

首先，通過可以計時的ECU作為定時喚醒源，一般采用Tbox按預設頻率喚醒整車，然后VCU判斷是否滿足補電進入條件，但在現有資源中，無法直接獲取低壓蓄電池的SOC和SOH來作為智能補電的進入條件。補電進入條件可以基于低壓蓄電池的開路電壓值設置，但是現有資源中，僅有VCU電源電壓UVCU，由于VCU至蓄電池有一段線束連接，會產生線束壓降U線束。此外，判斷智能補電是否滿足進入條件需要喚醒整車，喚醒時低壓蓄電池為放電狀態(tài)，輸出電流變大，會產生壓降U負載（實測某車型喚醒時電壓下降），如圖4所示，所以此電壓不能直接等于蓄電池開路電壓，但可以通過計算得到蓄電池開路電壓的估計值（蓄電池開路電壓估計值=UVCU+U線束+U負載），其中U線束和U負載可以通過實車標定得到。通過此方法計算出蓄電池開路電壓估計值，以此設置補電進入條件，如蓄電池開路電壓估計值小于12.3V進入補電，即SOC小于50%進入補電。

3.2" 補電狀態(tài)

在無蓄電池傳感器的方案中，補電狀態(tài)為恒壓補電，由DC/DC恒壓輸出，補電電壓越高，補電效率就越高。實測對10%SOC32Ah容量的蓄電池進行2h的充電，14.4V恒壓充電電量約為14.0V恒壓充電的3倍，但將DC/DC輸出電壓設置過高，對于采用鹵素前照燈的車型有違反法規(guī)的風險（法規(guī)要求鹵素燈工作電壓小于14.17V）。因而設置補電電壓的關鍵是設置兩種電壓輸出狀態(tài)：常規(guī)補電低電壓輸出與智能補電高電壓輸出，智能補電是在駐車狀態(tài)下的功能，此時車燈處于關閉狀態(tài)，鹵素前照燈不存在燒壞風險。此方法既能保證智能補電的充電效率，又規(guī)避了鹵素燈工作電壓的過壓風險。

3.3" 退出條件

若處于低壓蓄電池的角度，理想的狀態(tài)是充滿后退出補電，但實際上蓄電池無法在短時間內充滿，因為恒壓充電效率會隨著蓄電池SOC增加而減小，若不及時退出補電讓整車進入休眠的低功耗模式，會造成動力電池電量的浪費，影響續(xù)航里程。圖5是低壓蓄電池SOC為50%的補電測試數據，可以看出補電效率較高的為前3h，DC/DC輸出電流在2A以上。基于實測數據可以設想兩種退出條件，一種是設置補電保持時間，例如單次補電3h就退出補電，此種方案因蓄電池狀態(tài)不同，會導致高效充電時段長度不同；另一種是以DC/DC的輸出電流作為退出條件，例如DC/DC輸出電流小于2A就退出補電，如圖6所示，DC/DC輸出電流不等于蓄電池充電電流，還包括了整車負載的電流，若車輛忘記關燈或關門，整車負載的電流增大導致DC/DC輸出電流無法低于預設值而退不出補電。故最好的方法是，結合兩種方式，以“或”的邏輯，滿足方案1或方案2作為智能補電的退出條件。

4" 結束語

優(yōu)秀的功能設計，需要設計者從慣性思維向系統(tǒng)思維轉變，基于電子電氣架構出發(fā)，充分利用架構資源來設計功能，達到低成本、高價值的功能設計。另外，低壓蓄電池為傳統(tǒng)燃油車沿用至純電動車，目前動力電池驅動的高壓系統(tǒng)與低壓蓄電池驅動的低壓系統(tǒng)融合度并不高，從低壓蓄電池性能出發(fā)，結合電子電氣架構的研究，提高低壓與高壓系統(tǒng)的融合度，優(yōu)化高低壓能源管理，用動力電池替代蓄電池的部分供電場景，可以降低蓄電池容量，降低成本，甚至未來純電動車可不再需要低壓蓄電池。

參考文獻：

[1] 黃祖朋，覃俊樺，邱鵬，等. 純電動汽車低壓蓄電池虧電故障分析及其優(yōu)化策略[J]. 汽車與駕駛維修，2021（3）：53-54，56.

（編輯" 凌" 波）