李軍

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網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)汽車12V電源系統(tǒng)管理策略研究

李軍

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804）

文章提出了一種基于主流電動(dòng)汽車電器架構(gòu)和互聯(lián)網(wǎng)汽車技術(shù)的12 V電源系統(tǒng)管理策略，該策略集成蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警、人機(jī)遠(yuǎn)程交互、車輛遠(yuǎn)程啟動(dòng)等功能，可有效解決電動(dòng)汽車由于蓄電池虧電引起的無(wú)法啟動(dòng)問(wèn)題。

12V電源系統(tǒng)；遠(yuǎn)程啟動(dòng)；電動(dòng)汽車；車聯(lián)網(wǎng)

前言

根據(jù)售后故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在客戶請(qǐng)求道路救援的案例中，有很高比例是由于蓄電池虧電導(dǎo)致車輛無(wú)法啟動(dòng)的案例。導(dǎo)致蓄電池虧電的原因有很多，如蓄電池質(zhì)量問(wèn)題，客戶忘記關(guān)閉用電器，還有一部分車輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)靜態(tài)消耗電量過(guò)大，在較長(zhǎng)時(shí)間的停放后造成虧電無(wú)法啟動(dòng)。近幾年隨著汽車電器功能的日漸豐富，車輛熄火后有部分電器模塊仍需工作一段時(shí)間，甚至車輛休眠后有電器模塊為了某種功能而喚醒自身或整個(gè)車載總線系統(tǒng)，這就導(dǎo)致車輛蓄電池的電量損耗加劇[1]。尤其對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)汽車，由于在整車休眠時(shí)仍需要周期監(jiān)控，存儲(chǔ)和上報(bào)整車安全狀態(tài)及動(dòng)力電池狀態(tài)數(shù)據(jù)[2]，以及特定條件下運(yùn)行鋰電池均衡策略，這些功能使得蓄電池的駐車耗電量成倍增加，車輛的可持續(xù)駐車時(shí)間嚴(yán)重縮短，很多客戶上報(bào)由于低電壓蓄電池虧電，造成高壓無(wú)法上電，車輛不能行駛的報(bào)怨。這說(shuō)明電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠度不夠，需要在電源管理策略上進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

隨著蓄電池智能傳感器和12 V電源管理技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的蓄電池狀態(tài)管理技術(shù)在車上實(shí)施，如根據(jù)電量狀態(tài)去限制用電負(fù)載開(kāi)啟；用電負(fù)載未關(guān)閉時(shí)提醒功能；蓄電池荷電狀態(tài)通過(guò)車載HMI系統(tǒng)提示用戶等。有些電動(dòng)車在ACC/ON的狀態(tài)下進(jìn)行高壓充電[3][4]，這些措施起到了預(yù)警或緩減蓄電池虧電的速度，在一定程度上改善了虧電的問(wèn)題，但并未解決長(zhǎng)時(shí)間駐車時(shí)的虧電隱患。

本文提出了一種基于主流電動(dòng)汽車電器架構(gòu)和車聯(lián)網(wǎng)汽車系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)的12V電源系統(tǒng)管理策略，集成了蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，人機(jī)遠(yuǎn)程交互，遠(yuǎn)程上高壓電的主動(dòng)充電控制策略，以保障電動(dòng)汽車低壓電源系統(tǒng)的可靠性。

1 電源管理系統(tǒng)架構(gòu)方案

圖1所示為網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)汽車系統(tǒng)架構(gòu)框圖，系統(tǒng)由車輛內(nèi)部系統(tǒng)和外部終端系統(tǒng)兩部分組成。車輛內(nèi)部系統(tǒng)由12 V低壓電源管理子系統(tǒng)，高壓控制子系統(tǒng)，車身控制及通訊子系統(tǒng)組成。其中，12 V低壓電源管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)低壓蓄電池狀態(tài)監(jiān)控，及整車靜態(tài)耗電監(jiān)控與報(bào)警；高壓控制子系統(tǒng)負(fù)責(zé)給12 V蓄電池充電；車身控制及通信系統(tǒng)負(fù)責(zé)車輛狀態(tài)監(jiān)控，與外部設(shè)施通信；外部終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛無(wú)線通信功能和人機(jī)交互功能。

圖1 網(wǎng)聯(lián)電動(dòng)汽車系統(tǒng)架構(gòu)框圖

圖2為子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，其中12 V低壓電源管理子系統(tǒng)由12 V蓄電池、12 V電源控制單元、蓄電池智能傳感器組成。高壓控制子系統(tǒng)由電動(dòng)控制單元，高壓BMS單元，高壓動(dòng)力電池，DC/DC轉(zhuǎn)換器組成。車身控制及通訊子系統(tǒng)由BCM車身控制單元和TBOX遠(yuǎn)程通訊模塊組成。車輛外部終端系統(tǒng)由后臺(tái)服務(wù)器，移動(dòng)終端設(shè)備，互聯(lián)網(wǎng)PC終端組成。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)設(shè)備不列入本系統(tǒng)。車輛內(nèi)部控制模塊通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，12 V電源控制單元負(fù)責(zé)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)喚醒請(qǐng)求；TBOX遠(yuǎn)程通信模塊通過(guò)3G/4G信號(hào)接入互聯(lián)網(wǎng)，與后臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行通信。

圖2 子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 電源管理系統(tǒng)策略方案

系統(tǒng)策略運(yùn)行的場(chǎng)景為：用戶鎖車，在整車CAN網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)保持一段時(shí)間后（一般為幾分鐘），車輛進(jìn)入休眠狀態(tài)，本系統(tǒng)功能啟動(dòng)。

功能運(yùn)行流程如圖3所示， 12 V電源控制單元周期性自喚醒，通過(guò)安裝于12 V蓄電池負(fù)極的智能傳感器獲取蓄電池的狀態(tài)信息，如蓄電池電壓， SOC，電流，SOH，有效安時(shí)數(shù)等參數(shù)。 根據(jù)實(shí)時(shí)更新的蓄電池電壓，SOC，放電電流等參數(shù)，再結(jié)合傳感器存儲(chǔ)的歷史信息，按照預(yù)定策略判定是否需要進(jìn)入低電量風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警程序。如是，則主動(dòng)發(fā)起CAN網(wǎng)絡(luò)喚醒請(qǐng)求，啟動(dòng)低電量報(bào)警和請(qǐng)求上高壓充電程序。

圖3 功能運(yùn)行流程圖

由于蓄電池狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化因素以及傳感器本身精度局限性，僅依據(jù)SOC、電壓或電流值來(lái)判斷蓄電池可用電量容易出現(xiàn)誤判，本文在判定算法中采用了蓄電池荷電狀態(tài)與動(dòng)態(tài)電壓電流組合判定方法。當(dāng)蓄電池電壓低于預(yù)設(shè)值，進(jìn)一步判斷放電電流是否低于預(yù)設(shè)值，如是，再結(jié)合SOC和老化參數(shù)判斷為蓄電池處于虧電風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，進(jìn)入低電量報(bào)警程序；當(dāng)蓄電池電壓高于預(yù)設(shè)值，或電壓低于預(yù)設(shè)值且電流高于預(yù)設(shè)值時(shí)，需要進(jìn)一步判定蓄電池SOC狀態(tài)，如SOC也低于預(yù)設(shè)值則進(jìn)入報(bào)警程序。這種雙重判斷策略可以有效避免電量誤判，提高系統(tǒng)的可靠性。

12V電源控制單元判定蓄電池為低電量風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)喚醒請(qǐng)求至CAN網(wǎng)絡(luò)主控制器（網(wǎng)關(guān)），整車CAN網(wǎng)絡(luò)被喚醒后，12V電源控制單元發(fā)送12V蓄電池低電量報(bào)警信號(hào)和上高壓充電請(qǐng)求信號(hào)，接收此信號(hào)的有BCM車身控制單元，電動(dòng)控制單元和TBOX遠(yuǎn)程通信模塊。

BCM收到報(bào)警信號(hào)后，檢查當(dāng)前車輛安全狀態(tài)是否支持上高壓程序，例如車輛防盜狀態(tài)，門鎖開(kāi)閉狀態(tài)等，如車輛安全狀態(tài)參數(shù)全部符合條件，則由BCM發(fā)送支持上高壓確認(rèn)信號(hào)，否則發(fā)送否定應(yīng)答。電動(dòng)控制單元接收到低電量報(bào)警信號(hào)后，立即與高壓BMS單元和高壓DC/DC進(jìn)行通訊，檢查高壓動(dòng)力電池安全狀態(tài)、荷電量狀態(tài)和DCDC狀態(tài)，當(dāng)所有狀態(tài)參數(shù)滿足預(yù)設(shè)條件，則由電動(dòng)控制單元發(fā)送支持上高壓充電確認(rèn)信號(hào)，否則發(fā)送否定應(yīng)答。

當(dāng)任何控制器發(fā)出車輛狀態(tài)不支持實(shí)施上高壓電操作信號(hào)時(shí)，由TBOX遠(yuǎn)程通信模塊發(fā)送“整車12V蓄電池電量低”報(bào)警信息至后臺(tái)服務(wù)器，再由服務(wù)器推送至移動(dòng)終端設(shè)備通知車主。12V電源控制單元結(jié)束本次請(qǐng)求上高壓電程序，然后由CAN網(wǎng)絡(luò)主控制器控制整網(wǎng)休眠。

當(dāng)TBOX從CAN網(wǎng)絡(luò)上接收到BCM和電動(dòng)控制器的肯定應(yīng)答信號(hào)后，通過(guò)3G/4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送低電量報(bào)警信息，以及請(qǐng)求上高壓信號(hào)，這些信息將傳遞至后臺(tái)服務(wù)器，由服務(wù)器推送信息至車主移動(dòng)端APP，請(qǐng)求車主是否立即執(zhí)行上高壓電操作。由于上高壓電操作涉及車輛安全問(wèn)題，車輛與車主的雙向通信是經(jīng)過(guò)后臺(tái)服務(wù)器合法認(rèn)證后執(zhí)行。當(dāng)車主通過(guò)移動(dòng)終端APP返回確認(rèn)信息后，TBOX通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送允許上高壓電信號(hào)，電動(dòng)控制單元接收到信號(hào)后，立即控制高壓DC/DC給12V蓄電池進(jìn)行充電操作。

充電中止可采用以下兩種條件判斷：一是定時(shí)中止，充電過(guò)程中限定電壓和電流，當(dāng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間后停止充電；二是SOC閾值判斷，在充電過(guò)程中12V電源控制單元實(shí)時(shí)監(jiān)控12V蓄電池的電量狀態(tài)，當(dāng)12V蓄電池SOC達(dá)到預(yù)設(shè)閾值，即滿足停止條件。由12V電源控制單元發(fā)送CAN網(wǎng)絡(luò)信號(hào)給電動(dòng)控制單元，請(qǐng)求停止充電，由電動(dòng)控制單元執(zhí)行整車高壓斷電操作，并且向CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)。

充電程序結(jié)束后，通過(guò)移動(dòng)終端APP發(fā)送信息，通知車主蓄電池充電已完成，并顯示當(dāng)前車輛及高低壓系統(tǒng)狀態(tài)信息。以上操作全部完成后，整車CAN網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)休眠狀態(tài)，12 V電源控制單元再次進(jìn)入周期性監(jiān)測(cè)模式。

3 實(shí)車測(cè)試與理論計(jì)算

基于一款純電動(dòng)汽車進(jìn)行實(shí)車駐車電流測(cè)試。該車型全系標(biāo)配車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具備車載主機(jī)與云端通信能力，具有手機(jī)客戶端APP交互功能。有單獨(dú)12 V電源管理控制系統(tǒng)和高壓充電控制系統(tǒng)。

3.1 實(shí)車測(cè)試駐車電流消耗情況

圖4 實(shí)測(cè)靜態(tài)電流曲線

駐車時(shí)間為整車性能技術(shù)指標(biāo)中一項(xiàng)重要指標(biāo)，是指從車輛鎖車休眠開(kāi)始停放，直到蓄電池放電至最低起動(dòng)電量，所能持續(xù)的天數(shù)。反映的是車主長(zhǎng)時(shí)間不使用車輛，車輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的可靠性。各車型的駐車目標(biāo)時(shí)間由主機(jī)廠定義，實(shí)際表現(xiàn)取決于駐車時(shí)車輛的電量消耗，圖4為實(shí)車測(cè)試靜態(tài)電流曲線。

基礎(chǔ)靜態(tài)電流消耗C，是指車輛休眠后各用電器休眠電流總消耗，本車型基礎(chǔ)靜態(tài)電流值為15mA；

蓄電池自放電消耗C，本車型蓄電池每月電量損耗為6%；

短時(shí)消耗C，如鎖車后部分用電器延時(shí)休眠，仍然在一定時(shí)間內(nèi)消耗蓄電池電量。本車型TBOX及娛樂(lè)系統(tǒng)延時(shí)休眠時(shí)間10分鐘，消耗電流值為750 mA；

周期性喚醒功能消耗C,如防盜與鑰匙檢測(cè)時(shí)BCM喚醒，主動(dòng)迎賓功能，鋰電池離線均衡等。

駐車狀態(tài)下其他功能消耗C，如互聯(lián)網(wǎng)功能手機(jī)APP操作，遠(yuǎn)程刷新功能等。本車型開(kāi)放客戶APP手機(jī)遠(yuǎn)程操作，遠(yuǎn)程操作時(shí)整車網(wǎng)絡(luò)喚醒響應(yīng)客戶請(qǐng)求，產(chǎn)生相應(yīng)的電流消耗。

3.2 理論計(jì)算可支持駐車時(shí)間

根據(jù)實(shí)測(cè)電流情況，分別計(jì)算各耗電項(xiàng)目每天的耗電量,如表1所示。

表1 各項(xiàng)靜態(tài)電流每天消耗

Tab.1 The dark current consumption of each item per day

車輛休眠時(shí)每天電量消耗總和可用下述公式估算，單位Ah。

C=0第二天開(kāi)始電量消耗；

表2 理論計(jì)算車輛可停放天數(shù)

Tab.2 The calculated available parking days

若配置55 Ah蓄電池，則通過(guò)以下公式估算，常溫條件下車輛理論可支持駐車天數(shù)：

從表2計(jì)算結(jié)果可以看出，如果駐車時(shí)沒(méi)有補(bǔ)充電策略，車輛可支持最大停放天數(shù)有限，不能滿足用戶長(zhǎng)時(shí)間停放需求，很可能會(huì)導(dǎo)致蓄電池虧電引起車輛無(wú)法上高壓電的問(wèn)題。

4 策略有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證主動(dòng)上高壓充電策略的有效性，下面針對(duì)應(yīng)用本策略前后的車輛最大可支持駐車時(shí)間，通過(guò)測(cè)試臺(tái)架模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。（CAN網(wǎng)絡(luò)通信與手機(jī)APP交互通過(guò)軟件聯(lián)調(diào)確認(rèn)可行性，本文不作詳細(xì)討論。）

4.1 無(wú)主動(dòng)充電策略的臺(tái)架模擬測(cè)試

在蓄電池測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行模擬測(cè)試，使用容量為55 Ah的蓄電池，初始SOC為85%，終止條件為45% SOC，模擬駐車電流消耗曲線如圖5所示，其中模擬手機(jī)端APP操作為每24小時(shí)執(zhí)行8次。

圖5 模擬駐車電流曲線

圖6 模擬無(wú)充電策略駐車放電曲線

模擬測(cè)試中，蓄電池初始SOC設(shè)定為85%，由測(cè)試臺(tái)架放電測(cè)出，靜置后開(kāi)路電壓12.6V，作為起始放電電壓，定義最低安全電量為45%，用近似等效電壓12V判斷，模擬長(zhǎng)時(shí)間駐車放電曲線如圖6所示。放電至安全電量閥點(diǎn)12V，蓄電池持續(xù)放電接近14天，與理論計(jì)算14.2天基本符合，如繼續(xù)駐車放電則有蓄電池虧電引起車輛無(wú)法啟動(dòng)（高壓上電）的風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 采取主動(dòng)充電策略臺(tái)架模擬測(cè)試

策略中由12V電源控制器從蓄電池傳感器獲取蓄電池實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，設(shè)定主動(dòng)充電開(kāi)啟閾值SOC為50%，臺(tái)架測(cè)試中取近似電壓值12.2V，即蓄電池端電壓放至12.2V時(shí)啟動(dòng)充電程序，以14.8V，限流25A充電。中止條件采取計(jì)時(shí)，本次測(cè)試充電1小時(shí)。模擬曲線如圖7所示，蓄電池經(jīng)過(guò)1小時(shí)補(bǔ)充電后電壓恢復(fù)至12.6V以上，中止充電后，模擬車輛再次進(jìn)入駐車休眠放電狀態(tài)。根據(jù)策略設(shè)定和臺(tái)架模擬結(jié)果推測(cè)，只要?jiǎng)恿﹄姵仉娏砍渥?，采用此策略后可以保證車輛12 V蓄電池電量始終維持在安全水平，可以支持用戶車輛長(zhǎng)時(shí)間停放。

圖7 模擬駐車電壓電流曲線

5 總結(jié)

筆者曾與多家鉛酸蓄電池供應(yīng)商進(jìn)行過(guò)交流，相比于傳統(tǒng)燃油汽車，電動(dòng)車和互聯(lián)網(wǎng)汽車的售后蓄電池索賠比例明顯上升了幾倍，為了降低索賠成本，供應(yīng)商也迫切希望主機(jī)廠在電源管理方面有所對(duì)策。本文所提出的系統(tǒng)性解決方案能夠有效地解決這一問(wèn)題，大大提高電動(dòng)汽車低壓電源系統(tǒng)可靠性。而且該方案基于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)車電氣架構(gòu)，不增加硬件成本；通過(guò)人機(jī)交互與主動(dòng)策略提醒，減小由于蓄電池虧電造成客戶車輛救援的風(fēng)險(xiǎn)，提高客戶滿意度。

如能在互聯(lián)網(wǎng)電動(dòng)汽車上實(shí)施本策略，則在低壓供電安全方面起到很好的保障作用。不管是對(duì)廣大車主，還是對(duì)于主機(jī)廠或蓄電池供應(yīng)商來(lái)說(shuō)，都將會(huì)從中受益。

[1] 羅云鋼,董敏.起動(dòng)型蓄電池使用壽命預(yù)測(cè)與整車靜態(tài)電量管理分析[J].上海汽車,2017(04): 32-36.

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[4] 孔偉偉,楊殿,李兵等.汽車蓄電池管理方法的研究[J].汽車工程, 2015（5）:576-581.

A Research of 12V power system management for internet electric vehicles

Li Jun

（Shanghai Automotive Industry Corporation Technic Center, Shanghai 201804）

A strategy of 12V power system management based on the internet car’s architecture and techniques is introduc -ed in this paper. Battery status monitoring, remote HMI, vehicle remote start functions are integrated in the strategy, which provides a good solution for EV failure start due to 12V battery discharge.

12V Power System; Remote Start; EV; Internet of Vehicles

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1671-7988(2019)05-49-04

U469.7

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1671-7988(2019)05-49-04

U469.7

李軍，男，碩士，就職于上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心電子電器部，電源管理系統(tǒng)主管工程師，主要研究方向?yàn)檎嚨蛪弘娫垂芾硐到y(tǒng)和策略開(kāi)發(fā)，基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電源系統(tǒng)HMI交互技術(shù)與預(yù)測(cè)模型等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.014