一种低压蓄电池自动补电方案
时间：2023-01-14 11:20:06 来源：天一资源网 本文已影响 人 
王晓光，蒙天地，高家君，李彦奇，马 良
（一汽奔腾轿车有限公司 智能网联开发院，吉林 长春 130001）
随着汽车智能网联化的发展，汽车上的电气装备越来越多，车辆停放期间的静电流也越来越大，很多主机厂都或多或少的被蓄电池亏电的问题所困扰。图1为某款车仪表上的蓄电池亏电提醒界面。为了保证车辆的停放时间足够长，避免蓄电池亏电，通常需要增大蓄电池的容量，但这也意味着整车成本和重量的增加，并不是最优方案。
图1 仪表电量低提醒
对于传统燃油车，只有起动机发动机才可以给低压蓄电池充电，但发动机起动时存在振动、噪音、排放有害气体等问题，不满足自动补电的使用需求。而对于近些年发展越来越快的电动汽车，当整车高压上电时，车辆没有振动、噪音、排放有害气体等问题，因此，具备自动补电的条件。自动补电时，车内的空调、仪表、音响等均保持静默、熄屏状态。
目前市面上最常见的12 V低压蓄电池绝大部分都是铅酸蓄电池。铅酸蓄电池的放电深度对蓄电池循环使用寿命影响很大，这是因为放电深度越深，电极膨胀收缩量越大，正极的活性物质脱落越多，从而失去放电特性，导致性能逐渐下降。铅酸蓄电池放电到临界电压后，继续放电会严重损害蓄电池，形成不可逆的硫酸盐化，从而使恢复能力变差，甚至无法修复。所以蓄电池使用时应尽量避免深度放电，当检测到蓄电池电量偏低时应及时补电，以便使蓄电池及时恢复正常状态。做到“浅放勤充”，一般情况应做到：蓄电池放电深度不能低于50%。
检测蓄电池电量的方法通常有两种，分别是SOC值、电压值。两种方法对比如表1所示。
表1 检测蓄电池电量的方法对比
荷电状态（State of Charge, SOC）用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示。电池SOC不能直接测量，只能通过安装在电池负极上的蓄电池传感器（Electronic Battery Sensor, EBS）测量电池端电压、充放电电流及内阻等参数来估算其大小。而这些参数还会受到电池老化、环境温度变化及汽车行驶状态等多种不确定因素的影响，因此，准确的SOC估计需要一套复杂的算法，这也是蓄电池传感器厂家的核心技术。对于中高端乘用车来说，出于电能管理、怠速启停等功能的需求，蓄电池上通常都会安装蓄电池传感器，如图2所示，该传感器的成本为60～90元，此时用该传感器就可以顺便实现蓄电池亏电检测功能。
图2 蓄电池传感器EBS
但对于成本控制要求较严格的中低端乘用车来说，通常蓄电池传感器就显得相对奢侈了。因此，这种车通常还是采用传统的电压检测的方式检测蓄电池亏电。与蓄电池传感器相比，电压检测的方式并不能一直实时反映出蓄电池的真实电量状态，特别是燃油车在车辆行驶期间，发电机的输出电压在实时变化，各种大负载的能量消耗也在实时变化，此时检测的蓄电池两端电压和蓄电池电量之间无明确对应关系。当整车供电挡位切换到IGOFF（Ignition OFF）（整车低压下电）之后，由于蓄电池的电容特性，导致“虚电”还会持续一段时间，该时间通常以小时计。然后“虚电”才会被整车静态电流逐渐消耗掉，此时蓄电池两端电压和蓄电池电量之间就有一定的线性对应关系了。以某一款铅酸蓄电池为例，其蓄电池电量与电压对应关系如表2所示。
表2 蓄电池电量与电压对应关系表
为了看清其对应关系，将其以折线图的方式表达如图3所示。从图中可以看出，蓄电池电量与电压之间具有较好的线性关系，因此，可以用检测电压的方式来代替蓄电池电量检测。当检测到电压低于一定值时，则可以判定为蓄电池亏电。
图3 蓄电池电量与电压对应关系图
在车辆停放期间，车辆各个控制器都会处于低功耗睡眠模式，作为控制器主控芯片的单片机通常要处于功耗最低的“掉电模式”。在“掉电模式”下，通常除了外部中断之外，单片机无法被任何中断源唤醒。
此时为了实现某个控制器的自唤醒，就需要单片机硬件上具备一个特殊的“掉电自唤醒定时器”，该定时器可以像外部中断一样，在单片机处于“掉电模式”下时每间隔一定时间就唤醒单片机一次。
如果单片机没有这个“掉电自唤醒定时器”，另一种实现方式就是采用片外的实时时钟（Real Time Clock, RTC）时钟模块，当单片机进入掉电模式之后，片外的RTC时钟仍然持续运行，每间隔一段时间通过外部中断的方式唤醒单片机。
检测到蓄电池亏电之后，接下来就可以进行补电控制了，补电方式分为手动补电和自动补电两种方案，下面分别给予介绍。
当车辆处于IGOFF供电状态且控制器局域网 （Controller Area Network, CAN）睡眠时，车辆里的某个控制器，比如车联网系统（Telematics- BOX, TBOX），每隔一定时间自唤醒一次，读取蓄电池SOC或电压。当检测到蓄电池亏电之后，通过TBOX通知手机App，如“蓄电池亏电，请及时起动发动机”。当车主收到手机APP的亏电提醒之后，可以自行决定是否立即进行补电。如果需要补电，则点击手机App上面的“一键补电”按键，该命令通过TBOX下发给车内车身控制单元（Body Control Module, BCM），BCM即可控制发动机起动并运行一定时间后自动熄火，从而达到为蓄电池补电的目的。
对于传统燃油车，只有起动发动机才可以给低压蓄电池充电，但发动机起动是可感知的，同时还会产生噪音、排放有害气体等问题，不满足自动补电的使用需求，因此，传统燃油车只能采取这种手动补电的方案，而不能采取自动补电的方案。
对于电动汽车，由于高压上电无外在表现，因此，当车辆处于IGON供电状态时，就可以高压上电为低压蓄电池充电，这点和传统燃油车不同，对于传统燃油车最容易出现亏电的IGON（整车低压上电）档位，电动汽车反倒不可能亏电。
而只有车辆处于IGOFF供电状态长时间停放时，由于静电流的存在，才需要考虑蓄电池亏电的问题。本方案就是针对IGOFF时对低压蓄电池的自动补电方案。
方案原理框图如图4所示。
图4 自动补电方案原理框图
图4中，电能管理模块（Energy Management System, EEM）和整车控制单元（Vehicle Control Unit, VCU）是与自动补电相关的两个CAN节点控制器，而蓄电池传感器（Electronic Battery Sensor, EBS）作为局域互联网络（Local Interconnect Network, LIN）节点连接到EEM上。
EBS安装在蓄电池负极上，以LIN信号的方式将蓄电池电量SOC发送给EEM。EEM负责进行低压蓄电池亏电条件判断，如果当前处于亏电状态，即SOC小于一定值，并且车辆机舱盖处于关闭状态，则EEM向VCU发送补电请求信号。其中，检测机舱盖状态是处于安全考虑，当有人打开机舱盖进行车辆维修或保养时，即使并未接触高压零件或高压线束，也不允许高压自动上电。VCU收到补电请求信号后，进行高压上电，然后再将补电状态（即高压上电结果）反馈给EEM，形成功能上的闭环。
这个过程中，涉及到的CAN信号有两个，EEM发送给VCU的“补电请求信号”和VCU发送给EEM的“补电状态信号”，具体信号格式如表3所示。
表3 信号列表
自动补电方案流程图如图5所示：
图5 自动补电方案流程图
自动补电过程描述如下：
（1）当供电挡位处于IGOFF且CAN网络睡眠时，EEM每5 h自唤醒一次，读取低压蓄电池EBS的SOC值。
（2）当EEM读取到蓄电池SOC＜65%且机舱盖处于关闭状态时，唤醒CAN网络，向VCU发送补电请求。
（3）VCU收到补电请求后，判断以下条件都满足时，高压上电给低压蓄电池补电，同时向EEM反馈“补电状态信号=补电中”。
①动力电池SOC≥10%；
②未连接充电枪；
③无禁止高压上电故障。
（4）EEM收到“补电状态信号=补电中”后，开始持续检测蓄电池SOC值，并开启补电计时。
①当蓄电池SOC＞90%时，EEM停止发送补电请求。
②或者计时超过1 h，即使蓄电池SOC≤90%，EEM也停止发送补电请求。
③或者EEM收到以下任一补电中断条件，则停止计时，并主动停止发送补电请求。
④供电挡位不是IGOFF。
⑤机舱盖未处于关闭状态。
⑥若EEM收到“补电状态信号=失败”，则EEM停止发送补电请求。
（5）在高压上电过程/补电过程中满足以下任一条件，则VCU主动高压下电，并反馈“补电状态信号=失败”。
①补电过程中，动力电池SOC＜5%。
②整车有导致高压下电的故障。
③DCDC使能后，DCDC未工作。
④未收到 EEM发送的补电请求超过一定时间。
⑤接收到充电唤醒信号。
⑥供电挡位不是IGOFF。
⑦机舱盖处于打开状态。
通过上述自动补电方案，可以解决供电挡位处于IGOFF时低压蓄电池亏电的问题，再结合前面提到的IGON高压上电策略，从而涵盖了电动车的全部车辆状态，彻底解决了常见的蓄电池亏电问题。由于IGOFF时自动补电属于非用户主观操作的高压上电，本方案中把机舱盖关闭作为自动补电的前提条件，相当于在高压绝缘保护的基础上，为用户安全增加了一道保障，提高了自动补电策略的安全性。
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