一種低壓蓄電池自動(dòng)補(bǔ)電方案

王曉光，蒙天地，高家君，李彥奇，馬 良

（一汽奔騰轎車(chē)有限公司 智能網(wǎng)聯(lián)開(kāi)發(fā)院，吉林 長(zhǎng)春 130001）

隨著汽車(chē)智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，汽車(chē)上的電氣裝備越來(lái)越多，車(chē)輛停放期間的靜電流也越來(lái)越大，很多主機(jī)廠都或多或少的被蓄電池虧電的問(wèn)題所困擾。圖1為某款車(chē)儀表上的蓄電池虧電提醒界面。為了保證車(chē)輛的停放時(shí)間足夠長(zhǎng)，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(chē)成本和重量的增加，并不是最優(yōu)方案。

圖1 儀表電量低提醒

對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)，只有起動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)才可以給低壓蓄電池充電，但發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)存在振動(dòng)、噪音、排放有害氣體等問(wèn)題，不滿足自動(dòng)補(bǔ)電的使用需求。而對(duì)于近些年發(fā)展越來(lái)越快的電動(dòng)汽車(chē)，當(dāng)整車(chē)高壓上電時(shí)，車(chē)輛沒(méi)有振動(dòng)、噪音、排放有害氣體等問(wèn)題，因此，具備自動(dòng)補(bǔ)電的條件。自動(dòng)補(bǔ)電時(shí)，車(chē)內(nèi)的空調(diào)、儀表、音響等均保持靜默、熄屏狀態(tài)。

1 蓄電池虧電檢測(cè)方法

目前市面上最常見(jiàn)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(duì)蓄電池循環(huán)使用壽命影響很大，這是因?yàn)榉烹娚疃仍缴?，電極膨脹收縮量越大，正極的活性物質(zhì)脫落越多，從而失去放電特性，導(dǎo)致性能逐漸下降。鉛酸蓄電池放電到臨界電壓后，繼續(xù)放電會(huì)嚴(yán)重?fù)p害蓄電池，形成不可逆的硫酸鹽化，從而使恢復(fù)能力變差，甚至無(wú)法修復(fù)。所以蓄電池使用時(shí)應(yīng)盡量避免深度放電，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池電量偏低時(shí)應(yīng)及時(shí)補(bǔ)電，以便使蓄電池及時(shí)恢復(fù)正常狀態(tài)。做到“淺放勤充”，一般情況應(yīng)做到：蓄電池放電深度不能低于50%。

檢測(cè)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(duì)比如表1所示。

表1 檢測(cè)蓄電池電量的方法對(duì)比

荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）用來(lái)反映電池的剩余容量，其數(shù)值上定義為剩余容量占電池容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示。電池SOC不能直接測(cè)量，只能通過(guò)安裝在電池負(fù)極上的蓄電池傳感器（Electronic Battery Sensor, EBS）測(cè)量電池端電壓、充放電電流及內(nèi)阻等參數(shù)來(lái)估算其大小。而這些參數(shù)還會(huì)受到電池老化、環(huán)境溫度變化及汽車(chē)行駛狀態(tài)等多種不確定因素的影響，因此，準(zhǔn)確的SOC估計(jì)需要一套復(fù)雜的算法，這也是蓄電池傳感器廠家的核心技術(shù)。對(duì)于中高端乘用車(chē)來(lái)說(shuō)，出于電能管理、怠速啟停等功能的需求，蓄電池上通常都會(huì)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(shí)用該傳感器就可以順便實(shí)現(xiàn)蓄電池虧電檢測(cè)功能。

圖2 蓄電池傳感器EBS

但對(duì)于成本控制要求較嚴(yán)格的中低端乘用車(chē)來(lái)說(shuō)，通常蓄電池傳感器就顯得相對(duì)奢侈了。因此，這種車(chē)通常還是采用傳統(tǒng)的電壓檢測(cè)的方式檢測(cè)蓄電池虧電。與蓄電池傳感器相比，電壓檢測(cè)的方式并不能一直實(shí)時(shí)反映出蓄電池的真實(shí)電量狀態(tài)，特別是燃油車(chē)在車(chē)輛行駛期間，發(fā)電機(jī)的輸出電壓在實(shí)時(shí)變化，各種大負(fù)載的能量消耗也在實(shí)時(shí)變化，此時(shí)檢測(cè)的蓄電池兩端電壓和蓄電池電量之間無(wú)明確對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)整車(chē)供電擋位切換到IGOFF（Ignition OFF）（整車(chē)低壓下電）之后，由于蓄電池的電容特性，導(dǎo)致“虛電”還會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，該時(shí)間通常以小時(shí)計(jì)。然后“虛電”才會(huì)被整車(chē)靜態(tài)電流逐漸消耗掉，此時(shí)蓄電池兩端電壓和蓄電池電量之間就有一定的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系了。以某一款鉛酸蓄電池為例，其蓄電池電量與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 蓄電池電量與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系表

為了看清其對(duì)應(yīng)關(guān)系，將其以折線圖的方式表達(dá)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(guān)系，因此，可以用檢測(cè)電壓的方式來(lái)代替蓄電池電量檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到電壓低于一定值時(shí)，則可以判定為蓄電池虧電。

圖3 蓄電池電量與電壓對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

在車(chē)輛停放期間，車(chē)輛各個(gè)控制器都會(huì)處于低功耗睡眠模式，作為控制器主控芯片的單片機(jī)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(jī)無(wú)法被任何中斷源喚醒。

此時(shí)為了實(shí)現(xiàn)某個(gè)控制器的自喚醒，就需要單片機(jī)硬件上具備一個(gè)特殊的“掉電自喚醒定時(shí)器”，該定時(shí)器可以像外部中斷一樣，在單片機(jī)處于“掉電模式”下時(shí)每間隔一定時(shí)間就喚醒單片機(jī)一次。

如果單片機(jī)沒(méi)有這個(gè)“掉電自喚醒定時(shí)器”，另一種實(shí)現(xiàn)方式就是采用片外的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（Real Time Clock, RTC）時(shí)鐘模塊，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入掉電模式之后，片外的RTC時(shí)鐘仍然持續(xù)運(yùn)行，每間隔一段時(shí)間通過(guò)外部中斷的方式喚醒單片機(jī)。

檢測(cè)到蓄電池虧電之后，接下來(lái)就可以進(jìn)行補(bǔ)電控制了，補(bǔ)電方式分為手動(dòng)補(bǔ)電和自動(dòng)補(bǔ)電兩種方案，下面分別給予介紹。

2 手動(dòng)補(bǔ)電方案

當(dāng)車(chē)輛處于IGOFF供電狀態(tài)且控制器局域網(wǎng) （Controller Area Network, CAN）睡眠時(shí)，車(chē)輛里的某個(gè)控制器，比如車(chē)聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（Telematics- BOX, TBOX），每隔一定時(shí)間自喚醒一次，讀取蓄電池SOC或電壓。當(dāng)檢測(cè)到蓄電池虧電之后，通過(guò)TBOX通知手機(jī)App，如“蓄電池虧電，請(qǐng)及時(shí)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)”。當(dāng)車(chē)主收到手機(jī)APP的虧電提醒之后，可以自行決定是否立即進(jìn)行補(bǔ)電。如果需要補(bǔ)電，則點(diǎn)擊手機(jī)App上面的“一鍵補(bǔ)電”按鍵，該命令通過(guò)TBOX下發(fā)給車(chē)內(nèi)車(chē)身控制單元（Body Control Module, BCM），BCM即可控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)并運(yùn)行一定時(shí)間后自動(dòng)熄火，從而達(dá)到為蓄電池補(bǔ)電的目的。

對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)，只有起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)才可以給低壓蓄電池充電，但發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)是可感知的，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生噪音、排放有害氣體等問(wèn)題，不滿足自動(dòng)補(bǔ)電的使用需求，因此，傳統(tǒng)燃油車(chē)只能采取這種手動(dòng)補(bǔ)電的方案，而不能采取自動(dòng)補(bǔ)電的方案。

3 自動(dòng)補(bǔ)電方案

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)，由于高壓上電無(wú)外在表現(xiàn)，因此，當(dāng)車(chē)輛處于IGON供電狀態(tài)時(shí)，就可以高壓上電為低壓蓄電池充電，這點(diǎn)和傳統(tǒng)燃油車(chē)不同，對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)最容易出現(xiàn)虧電的IGON（整車(chē)低壓上電）檔位，電動(dòng)汽車(chē)反倒不可能虧電。

而只有車(chē)輛處于IGOFF供電狀態(tài)長(zhǎng)時(shí)間停放時(shí)，由于靜電流的存在，才需要考慮蓄電池虧電的問(wèn)題。本方案就是針對(duì)IGOFF時(shí)對(duì)低壓蓄電池的自動(dòng)補(bǔ)電方案。

方案原理框圖如圖4所示。

圖4 自動(dòng)補(bǔ)電方案原理框圖

圖4中，電能管理模塊（Energy Management System, EEM）和整車(chē)控制單元（Vehicle Control Unit, VCU）是與自動(dòng)補(bǔ)電相關(guān)的兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)控制器，而蓄電池傳感器（Electronic Battery Sensor, EBS）作為局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Local Interconnect Network, LIN）節(jié)點(diǎn)連接到EEM上。

EBS安裝在蓄電池負(fù)極上，以LIN信號(hào)的方式將蓄電池電量SOC發(fā)送給EEM。EEM負(fù)責(zé)進(jìn)行低壓蓄電池虧電條件判斷，如果當(dāng)前處于虧電狀態(tài)，即SOC小于一定值，并且車(chē)輛機(jī)艙蓋處于關(guān)閉狀態(tài)，則EEM向VCU發(fā)送補(bǔ)電請(qǐng)求信號(hào)。其中，檢測(cè)機(jī)艙蓋狀態(tài)是處于安全考慮，當(dāng)有人打開(kāi)機(jī)艙蓋進(jìn)行車(chē)輛維修或保養(yǎng)時(shí)，即使并未接觸高壓零件或高壓線束，也不允許高壓自動(dòng)上電。VCU收到補(bǔ)電請(qǐng)求信號(hào)后，進(jìn)行高壓上電，然后再將補(bǔ)電狀態(tài)（即高壓上電結(jié)果）反饋給EEM，形成功能上的閉環(huán)。

這個(gè)過(guò)程中，涉及到的CAN信號(hào)有兩個(gè)，EEM發(fā)送給VCU的“補(bǔ)電請(qǐng)求信號(hào)”和VCU發(fā)送給EEM的“補(bǔ)電狀態(tài)信號(hào)”，具體信號(hào)格式如表3所示。

表3 信號(hào)列表

4 自動(dòng)補(bǔ)電方案流程

自動(dòng)補(bǔ)電方案流程圖如圖5所示：

圖5 自動(dòng)補(bǔ)電方案流程圖

自動(dòng)補(bǔ)電過(guò)程描述如下：

（1）當(dāng)供電擋位處于IGOFF且CAN網(wǎng)絡(luò)睡眠時(shí)，EEM每5 h自喚醒一次，讀取低壓蓄電池EBS的SOC值。

（2）當(dāng)EEM讀取到蓄電池SOC＜65%且機(jī)艙蓋處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，喚醒CAN網(wǎng)絡(luò)，向VCU發(fā)送補(bǔ)電請(qǐng)求。

（3）VCU收到補(bǔ)電請(qǐng)求后，判斷以下條件都滿足時(shí)，高壓上電給低壓蓄電池補(bǔ)電，同時(shí)向EEM反饋“補(bǔ)電狀態(tài)信號(hào)=補(bǔ)電中”。

①動(dòng)力電池SOC≥10%；

②未連接充電槍?zhuān)?/p>

③無(wú)禁止高壓上電故障。

（4）EEM收到“補(bǔ)電狀態(tài)信號(hào)=補(bǔ)電中”后，開(kāi)始持續(xù)檢測(cè)蓄電池SOC值，并開(kāi)啟補(bǔ)電計(jì)時(shí)。

①當(dāng)蓄電池SOC＞90%時(shí)，EEM停止發(fā)送補(bǔ)電請(qǐng)求。

②或者計(jì)時(shí)超過(guò)1 h，即使蓄電池SOC≤90%，EEM也停止發(fā)送補(bǔ)電請(qǐng)求。

③或者EEM收到以下任一補(bǔ)電中斷條件，則停止計(jì)時(shí)，并主動(dòng)停止發(fā)送補(bǔ)電請(qǐng)求。

④供電擋位不是IGOFF。

⑤機(jī)艙蓋未處于關(guān)閉狀態(tài)。

⑥若EEM收到“補(bǔ)電狀態(tài)信號(hào)=失敗”，則EEM停止發(fā)送補(bǔ)電請(qǐng)求。

（5）在高壓上電過(guò)程/補(bǔ)電過(guò)程中滿足以下任一條件，則VCU主動(dòng)高壓下電，并反饋“補(bǔ)電狀態(tài)信號(hào)=失敗”。

①補(bǔ)電過(guò)程中，動(dòng)力電池SOC＜5%。

②整車(chē)有導(dǎo)致高壓下電的故障。

③DCDC使能后，DCDC未工作。

④未收到 EEM發(fā)送的補(bǔ)電請(qǐng)求超過(guò)一定時(shí)間。

⑤接收到充電喚醒信號(hào)。

⑥供電擋位不是IGOFF。

⑦機(jī)艙蓋處于打開(kāi)狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述自動(dòng)補(bǔ)電方案，可以解決供電擋位處于IGOFF時(shí)低壓蓄電池虧電的問(wèn)題，再結(jié)合前面提到的IGON高壓上電策略，從而涵蓋了電動(dòng)車(chē)的全部車(chē)輛狀態(tài)，徹底解決了常見(jiàn)的蓄電池虧電問(wèn)題。由于IGOFF時(shí)自動(dòng)補(bǔ)電屬于非用戶主觀操作的高壓上電，本方案中把機(jī)艙蓋關(guān)閉作為自動(dòng)補(bǔ)電的前提條件，相當(dāng)于在高壓絕緣保護(hù)的基礎(chǔ)上，為用戶安全增加了一道保障，提高了自動(dòng)補(bǔ)電策略的安全性。