純電動汽車低壓蓄電池虧電故障分析及其優(yōu)化策略

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，柳州 545007）

0 引言

近年來，隨著汽車電子電力技術(shù)快速向智能化發(fā)展,大量的新型低壓電子器件應(yīng)用到了汽車當(dāng)中，使得汽車低壓電氣系統(tǒng)的用電量大為增加。當(dāng)前電動汽車上的低壓電氣系統(tǒng)通常都是由低壓蓄電池（12 V）供電驅(qū)動的，而因低壓蓄電池虧電故障導(dǎo)致用戶無法使用車輛的問題卻頻繁發(fā)生[1],用戶抱怨非常嚴(yán)重。低壓蓄電池虧電故障在給用戶造成麻煩的同時,也嚴(yán)重?fù)p壞了電動汽車企業(yè)的品牌形象。因此，找到解決這一問題的方法對于電動汽車生產(chǎn)企業(yè)具有重要意義。

1 純電動汽車鉛酸蓄電池虧電故障分析

1.1 純電動汽車電氣分析

純電動汽車的電氣系統(tǒng)由高壓和低壓兩套電氣系統(tǒng)組成（圖1）[2]，高壓電氣系統(tǒng)主要用來給驅(qū)動電機以及PTC、壓縮機等大功率器件供電，能量來源為高壓動力蓄電池；低壓電氣系統(tǒng)則主要用于給汽車的小功率器件（比如娛樂系統(tǒng)、各種控制器等）進(jìn)行供電，能量來源為低壓蓄電池[3]。高壓電氣系統(tǒng)和低壓電氣系統(tǒng)的橋連點為DC/DC，在純電動汽車整車處于起動（Ready）或者充電的狀態(tài)下，低壓蓄電池由高壓電氣系統(tǒng)通過DC/DC 轉(zhuǎn)換器降壓來實現(xiàn)充電補電。

1.2 純電動汽車虧電故障及整車無法起動故障原因分析

純電動汽車的低壓電氣模塊比傳統(tǒng)燃油車要多得多，由此可推斷12 V 低壓蓄電池虧電故障的主要原因可能為以下2 點。

①純電動汽車低壓電子控制單元較多，總體的靜態(tài)電流較大。

圖1 純電動汽車電氣系統(tǒng)組成

②純電動汽車低壓電子控制單元各節(jié)點的睡眠喚醒機制相對比較復(fù)雜，導(dǎo)致其很容易在OFF 擋時，整車網(wǎng)絡(luò)處于喚醒狀態(tài)，持續(xù)消耗低壓蓄電池電量，導(dǎo)致整車虧電。

當(dāng)?shù)蛪盒铍姵靥幱谔濍姞顟B(tài)時，其電壓比較低，通常低于9 V，而車載器件/ 控制單元的正常工作電壓范圍通常在9～16 V。因此低壓蓄電池的低電壓無法喚醒車載器件/ 控制單元，故不能讓車載器件/ 控制單元正常工作，也無法起動車輛。

低壓蓄電池虧電后，無法利用動力電池為其進(jìn)行補電。因為動力電池通過DC/DC 給12 V 低壓蓄電池充電（補電）的前提是動力電池的電池管理系統(tǒng)（BMS）處于工作狀態(tài)，主正、主負(fù)繼電器吸合[4]。低壓蓄電池虧電后無法喚醒BMS 且無法提供足夠的電壓使繼電器吸合，故而動力電池不能形成高壓閉合回路，無法為低壓蓄電池進(jìn)行充電。

通過以上分析，如果對低壓蓄電池的電壓進(jìn)行實時監(jiān)控，并在其電壓降低到一定限值時及時喚醒高壓電氣回路對其進(jìn)行補電，即可有效降低純電動汽車低壓蓄電池的虧電故障。

2 鉛酸蓄電池智能補電策略設(shè)計

2.1 功能要求

①在整車OFF 狀態(tài)下對低壓蓄電池的電壓進(jìn)行實時監(jiān)控,當(dāng)電壓低于一定限值時進(jìn)入補電程序，避免對駕駛員的正常用車造成干擾。

②在給低壓蓄電池補電前，通過APP、短信或微信小程序等媒介征得用戶授權(quán)，讓用戶知曉整個補電過程的狀況。防止在補電過程中用戶或者其他人員（如維修人員）接觸電氣系統(tǒng)，造成人員觸電風(fēng)險。

2.2 設(shè)計方案

智能補電功能涉及到的零件包括遠(yuǎn)程終端（VT）、整車控制器（VCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）和直流/直流（DC/DC）轉(zhuǎn)換器等，可在不增加或變更硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過直接升級軟件程序來實現(xiàn)智能補電功能。

2.2.1 智能補電流程

整車下電并且鎖車后，VCU 實時監(jiān)控低壓蓄電池的電壓值，并通過VT 上傳到售后服務(wù)平臺。當(dāng)VCU 監(jiān)控到低壓蓄電池的電壓低于某一設(shè)定的限值時，售后服務(wù)平臺通過APP、短信或微信小程序等媒介提醒用戶車輛即將虧電，并請求進(jìn)入智能補電程序。在獲得用戶授權(quán)后，VCU 控制動力電池繼電器吸合，并通過DC/DC將動力電池進(jìn)行降壓給低壓蓄電池充電。低壓蓄電池充滿電后，VCU控制動力電池的繼電器斷開，補電結(jié)束，整車恢復(fù)正常OFF 狀態(tài)。

2.2.2 智能補電控制策略

（1）進(jìn)入補電

整車下電、鑰匙處于OFF 擋時，VT 定時喚醒網(wǎng)絡(luò)，VCU 監(jiān)控低壓蓄電池的電壓情況。當(dāng)?shù)蛪盒铍姵氐碾妷旱陀谀吃O(shè)定值時，通過APP、短信或微信小程序告知用戶當(dāng)前車輛有虧電風(fēng)險，請求授權(quán)對蓄電池進(jìn)行補電。在用戶授權(quán)后，VCU 對整車當(dāng)前的狀態(tài)參數(shù)，如擋位、駐車狀態(tài)、電池SOC、DC/DC 狀態(tài)及動力電池溫度等進(jìn)行判斷，確認(rèn)符合蓄電池補電條件后發(fā)送補電命令給BMS 和DC/DC。BMS 控制繼電器吸合，輸出高壓并經(jīng)DC/DC 轉(zhuǎn)換后，以恒壓充電方式給蓄電池進(jìn)行充電。同時，整車進(jìn)入智能補電狀態(tài)后，通過APP 實時告知用戶車輛狀態(tài)。

（2）退出補電

當(dāng)智能補電達(dá)到既定的補電時間或者低壓蓄電池的電壓達(dá)到某一設(shè)定值后，VCU 發(fā)送停止補電指令。這時BMS 斷開繼電器，DC/DC 停止工作，整車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入正常休眠狀態(tài)，并通過APP 提醒用戶補電完成。

（3）異常處理

在補電啟動時刻或者補電正在進(jìn)行時刻，VCU 對當(dāng)前的整車和各參與節(jié)點的狀態(tài)進(jìn)行實時故障監(jiān)控及診斷。當(dāng)出現(xiàn)影響整車補電的故障或者操作時，VCU 立刻發(fā)送停止補電指令，整車所有節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)，并通過APP 通知用戶整車狀態(tài)并提供維修指導(dǎo)。

此外，由于整車在處于上電或者充電狀態(tài)時，DC/DC 會自動給蓄電池進(jìn)行補電。因而當(dāng)整車處于智能補電狀態(tài)時，如果用戶突然進(jìn)行上電、充電等操作，車輛會立即退出補電程序，使車輛能夠優(yōu)先按照用戶的意圖進(jìn)行上電和充電。

3 結(jié)束語

本文通過分析純電動汽車低壓蓄電池虧電的關(guān)鍵因素和故障原理，針對性地提出了一種為低壓蓄電池進(jìn)行智能補電的策略。即通過VCU 實時檢測低壓蓄電池的電壓，自動控制動力電池的通斷來及時為低壓蓄電池進(jìn)行充電，將低壓蓄電池的電壓穩(wěn)定在特定的安全區(qū)間內(nèi)。

本文提出的策略可有效地防止或減少因低壓蓄電池虧電故障造成的整車不能起動的問題。整車是在OFF 條件下進(jìn)行補電的，對用戶正常用車不會造成影響，既提升了車輛的穩(wěn)定性和可靠性、又保證了整車的安全性。此外，在智能補電的過程中，售后服務(wù)平臺與用戶進(jìn)行了深度交互，讓用戶了解車輛的實時狀態(tài)，給予用戶良好的體驗，這對于純電動汽車的推廣也大有幫助。