王大麗 程 琳 劉孔祥 鄭阿東

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006)

0 前言

如何在汽車使用過程中防虧電是整車設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)之一。汽車虧電會使車輛部分功能出現(xiàn)異常，嚴(yán)重虧電還將導(dǎo)致汽車不能正常啟動。隨著車輛智能化和網(wǎng)聯(lián)化相關(guān)設(shè)備大幅增加，車輛產(chǎn)生虧電的原因越來越復(fù)雜。針對該現(xiàn)象，在整車設(shè)計(jì)階段采用原有方法已較難實(shí)現(xiàn)控制。本文研究并優(yōu)化了車輛防虧電的設(shè)計(jì)方法，以解決車輛虧電問題。

1 車輛虧電的原因

在整車設(shè)計(jì)階段，車輛供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足車載電氣負(fù)載正常的用電需求，其核心部件包括蓄電池和發(fā)電機(jī)。蓄電池為車輛啟動提供電能，并在車輛行駛過程中儲存電能，保證車輛在駐車和啟動時的用電。發(fā)電機(jī)是車輛的主要電力來源，滿足車輛在啟動后車載電器的用電需求，給蓄電池補(bǔ)充電能。車載電氣負(fù)載異常耗電、功能實(shí)現(xiàn)策略設(shè)計(jì)不合理及供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理或異常，都會導(dǎo)致蓄電池過放電，從而引起車輛虧電[1]。

1.1 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理

整車供電系統(tǒng)與車載電氣負(fù)載用電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理，會使車輛在行駛過程中發(fā)生主電源發(fā)電機(jī)發(fā)電量不足的情況。在某些行駛工況下，需要蓄電池協(xié)助發(fā)電機(jī)為電氣系統(tǒng)供電，當(dāng)蓄電池長時間得不到充分補(bǔ)電時，蓄電池壽命將縮短，增加了車輛虧電發(fā)生的概率。車輛蓄電池虧損型供電場景如圖1所示。

圖1 車輛蓄電池虧損型供電場景

1.2 整車靜態(tài)電流耗電

整車靜態(tài)電流是指車輛在熄火后，所有車載電氣負(fù)載設(shè)備在關(guān)閉狀態(tài)下，車輛部分系統(tǒng)仍在工作產(chǎn)生的電流。因靜態(tài)電流耗電導(dǎo)致車輛虧電的原因有：①在設(shè)計(jì)階段，靜態(tài)電流設(shè)定目標(biāo)與蓄電池選型不匹配，整車靜態(tài)電流目標(biāo)值過大或電池容量過小。解決措施是降低整車靜態(tài)電流或選擇電池容量更大的蓄電池。②車載控制模塊功能設(shè)計(jì)邏輯存在缺陷，在特殊使用場景下產(chǎn)生異常耗電。例如，在某車型音響開機(jī)動畫即將結(jié)束時關(guān)閉車門并鎖車，可測試出音響系統(tǒng)靜態(tài)電流約1.6 A，在1 h后靜態(tài)電流恢復(fù)到2 mA的設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此該車型存在過耗電現(xiàn)象。解決措施是對音響主機(jī)的功能軟件進(jìn)行優(yōu)化，消除該異常耗電現(xiàn)象。

1.3 用戶用電異?；蛘嚲W(wǎng)絡(luò)休眠異常

車輛在未啟動時，用戶過度使用車上的電器設(shè)備，或者車輛的外接用電設(shè)備在車輛熄火后仍在持續(xù)使用，車輛都會出現(xiàn)虧電現(xiàn)象。此外，車載電氣負(fù)載故障、車載網(wǎng)絡(luò)不能正常休眠和車載網(wǎng)絡(luò)異常喚醒，也會產(chǎn)生異常耗電，從而導(dǎo)致車輛出現(xiàn)虧電現(xiàn)象。

2 整車電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)車輛虧電原因分析，在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)對供電量及用電量平衡策略進(jìn)行設(shè)計(jì)，防止出現(xiàn)供電不足或用電異常所導(dǎo)致的車輛虧電。車輛電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括車輛供需電量平衡設(shè)計(jì)、靜態(tài)電流控制、各智能化控制系統(tǒng)功能模式化管理、蓄電池低電量提醒、高級電源控制和網(wǎng)絡(luò)休眠策略等。其中，高級電源控制要求系統(tǒng)能夠根據(jù)蓄電池電量，適當(dāng)限制舒適性車載電器的使用權(quán)限。在車輛設(shè)計(jì)階段進(jìn)行車輛智能管控，采用新的和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，可以減少車輛在實(shí)際使用過程中發(fā)生虧電現(xiàn)象。

2.1 車輛供需電量平衡設(shè)計(jì)

在發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，尋找蓄電池充放電和電器負(fù)載用電平衡是供電平衡的核心內(nèi)容。在車輛行駛過程中，蓄電池電量要維持在一定的荷電狀態(tài)(SOC)區(qū)間內(nèi)，在車輛怠速、城市行駛和高速行駛等工況下蓄電池不允許放電，該設(shè)計(jì)被稱為“富余型供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)”(圖2)。富余型供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以延長蓄電池壽命，防止車輛虧電，滿足車輛正常啟動要求，并具備一定程度的整車智能化功能，確保了車輛用電的安全和穩(wěn)定。

圖2 富余型供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在富余型供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，電平衡值Qbatt為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，其量化值可借助蓄電池電流(包括充電和放電電流)進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)式為：

式中，t為采樣時間，單位s；Ibatt為蓄電池的電流大小，單位A。為了確保整車電網(wǎng)的穩(wěn)定性，滿足車載智能化功能的需要，Qbatt要求為正值，即要求各工況測試結(jié)束后蓄電池處于充電狀態(tài)。

2.2 靜態(tài)電流的控制

根據(jù)汽車行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，車輛在駐車45天后仍應(yīng)具備正常啟動功能。車輛的部分電氣化功能，如無鑰匙進(jìn)入及啟動系統(tǒng)(PEPS)、電子儀表、車身控制器(BCM)和控制器類部件必須具備記憶、監(jiān)控或其他功能。在車輛設(shè)計(jì)時，需要在車機(jī)芯片內(nèi)設(shè)置相關(guān)回路，并考慮整車靜態(tài)電流。如果各控制器的靜態(tài)電流過大，蓄電池電量在短時間內(nèi)消耗過大，容易引起車輛虧電。如果靜態(tài)電流設(shè)計(jì)過小，又會導(dǎo)致控制器的成本上升。因此，靜態(tài)電流的設(shè)計(jì)目標(biāo)值需要與蓄電池的容量進(jìn)行匹配。靜態(tài)電流目標(biāo)值I靜的計(jì)算公式為：

式中，C20為蓄電池的20 h額定容量，單位A·h；Q0為車輛下線時蓄電池的實(shí)際容量與額定容量的比值，可取值90%；Q1為車輛正常啟動時蓄電池最低實(shí)際容量與額定容量的比值，汽油車型和混合動力車型可取值65%，純電動車型可取值50%；t為儲運(yùn)時間，單位d，汽油車型和混合動力車型可取值45 d；蓄電池在1 d內(nèi)的自放電率設(shè)定為1‰。

車輛在駐車期間，允許消耗的蓄電池電量值為車輛蓄電池初始容量值減去確保車輛正常啟動時蓄電池的最低容量值，同時該數(shù)值也可以表示為車輛靜態(tài)電流消耗電量與蓄電池的自放電電量的總和。因此，在設(shè)計(jì)階段，靜態(tài)電流設(shè)計(jì)必須滿足車輛在駐車期間的電量總消耗，以避免過耗電引起車輛虧電。

2.3 車輛用電智能化控制

隨著智能化和網(wǎng)聯(lián)化信息技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，整車電源系統(tǒng)的安全等級要求越來越高。遠(yuǎn)程啟動、空間下載(OTA)及后臺推送等新興車載互聯(lián)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，也增加了車輛在駐車情況下的耗電需求。網(wǎng)聯(lián)化汽車異常耗電的潛在因素較為復(fù)雜，電源管理系統(tǒng)除了要延長蓄電池的壽命和滿足車輛正常啟動功能外，還要保證整車智能化功能用電環(huán)境的穩(wěn)定與安全。因此，加強(qiáng)對網(wǎng)絡(luò)異常喚醒產(chǎn)生的虧電隱患的監(jiān)控和管理和思考用戶場景科技體驗(yàn)的用電管理已成為電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展的新趨勢。新型防虧電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法可以通過軟件控制策略實(shí)現(xiàn)對車輛的用電管理。

2.3.1 模式化管理

使用軟件進(jìn)行車載電器功能的模式管理通常分為以下3種：①工廠模式管理。車輛在出廠前，須避免車輛有虧電情況的發(fā)生。工廠模式管理的主要功能包含自動下電、部分功能限制等。②運(yùn)輸模式管理。車輛在運(yùn)輸期間，須確保車輛的蓄電池電量滿足啟動需求。其主要功能包括自動下電、主動關(guān)閉迎賓功能和智能鑰匙監(jiān)測功能，以及禁用與物流無關(guān)的功能等。③客戶模式管理。車輛在交付后，應(yīng)能通過設(shè)備與整車管理系統(tǒng)的通信，開啟或關(guān)閉相關(guān)功能，確保用戶正常使用車輛。

在車輛交付給終端用戶前，通過軟件轉(zhuǎn)換不同模式可以實(shí)現(xiàn)車輛在各階段的功能用電需求測試，達(dá)到整車用電可控和整車電源系統(tǒng)可靠的目標(biāo)。

2.3.2 整車網(wǎng)絡(luò)喚醒時間管理

隨著整車智能化技術(shù)的快速發(fā)展，車輛電氣系統(tǒng)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的用電控制設(shè)計(jì)已無法滿足車輛用電的環(huán)境要求，需要通過采用新型的軟件來解決整車靜態(tài)耗電的監(jiān)控和管理問題。

整車網(wǎng)絡(luò)喚醒時間管理的功能定義為：各模塊在整車設(shè)防后設(shè)置強(qiáng)制休眠時間上限，如設(shè)置某模塊強(qiáng)制休眠時間為5 min，除設(shè)防、解防、迎賓、報(bào)警和遠(yuǎn)程啟動等有特殊功能需求的模塊外，整車在關(guān)閉狀態(tài)下不能開啟網(wǎng)絡(luò)喚醒功能，以防止整車網(wǎng)絡(luò)存在偶發(fā)的未休眠問題，引發(fā)蓄電池發(fā)生虧電，導(dǎo)致車輛啟動困難。

2.3.3 蓄電池用電提醒管理

針對車輛在使用過程中異常耗電及蓄電池健康狀態(tài)不佳的情況，需要通過整車防虧電設(shè)計(jì)策略進(jìn)行有效管控，并通過儀表顯示或通過遠(yuǎn)程信息處理器(T-BOX)向手機(jī)應(yīng)用程序(APP)客戶端發(fā)送預(yù)警提醒，延長蓄電池的使用壽命，提高用戶的感知度。

蓄電池用電提醒管理的功能定義為：在自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)(ACC)和車內(nèi)所有電器處于供電狀態(tài)時，在車速為零的情況下，通過必要的控制策略，將蓄電池的儲存電荷能力(SOH)狀態(tài)在儀表上進(jìn)行顯示，或通過T-BOX 在APP客戶端進(jìn)行顯示。在SOH 狀態(tài)較差的情況下，在儀表上或APP 客戶端上顯示“蓄電池電量不足，請啟動發(fā)動機(jī)”等信息，提醒用戶車輛的蓄電池狀態(tài)不佳，避免蓄電池過度放電，甚至發(fā)生蓄電池嚴(yán)重虧電和車輛啟動困難的情況。蓄電池用電提醒管理策略如圖3所示。

圖3 蓄電池用電提醒管理策略

3 結(jié)語

本文從車輛設(shè)計(jì)和車輛使用兩個方面對車輛虧電的原因進(jìn)行了分析，提出在設(shè)計(jì)源頭加強(qiáng)對車輛虧電原因進(jìn)行合理有效的控制。在車輛設(shè)計(jì)階段，針對整車控制模塊采用模式化管理、網(wǎng)絡(luò)喚醒時間管理、用電提醒管理等優(yōu)化策略，可以實(shí)現(xiàn)車輛電源系統(tǒng)的智能化管理，提高車輛電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保車輛始終處于可控的用電狀態(tài)，減少因車輛虧電引起的用戶用車體驗(yàn)差的情況。