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        一種低壓蓄電池自動(dòng)補(bǔ)電方案

        2022-11-02 08:52:54王曉光蒙天地高家君李彥奇
        汽車實(shí)用技術(shù) 2022年20期
        關(guān)鍵詞:電量蓄電池高壓

        王曉光,蒙天地,高家君,李彥奇,馬 良

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

        隨著汽車智能網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展,汽車上的電氣裝備越來(lái)越多,車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為某款車儀表上的蓄電池虧電提醒界面。為了保證車輛的停放時(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,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,當(dāng)整車高壓上電時(shí),車輛沒(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)榉烹娚疃仍缴睿姌O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),特別是燃油車在車輛行駛期間,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)整車供電擋位切換到IGOFF(Ignition OFF)(整車低壓下電)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

        在車輛停放期間,車輛各個(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),車輛里的某個(gè)控制器,比如車聯(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)給車內(nèi)車身控制單元(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,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,由于高壓上電無(wú)外在表現(xiàn),因此,當(dāng)車輛處于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)燃油車不同,對(duì)于傳統(tǒng)燃油車最容易出現(xiàn)虧電的IGON(整車低壓上電)檔位,電動(dòng)汽車反倒不可能虧電。

        而只有車輛處于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;

        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)車的全部車輛狀態(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。

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