新能源電動(dòng)車的低壓電源管理策略分析

董曉玲，董超，付金勇，劉震，李函,任昂

(北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300)

0 引言

近年來隨著新能源汽車的快速發(fā)展，隨之而來的是在用戶使用過程中出現(xiàn)了各種由于低壓系統(tǒng)虧電導(dǎo)致整車高壓部分無法上電的問題。為了保證用戶正常使用，同時(shí)做到節(jié)省能源。本文作者對新能源電動(dòng)車低壓電源管理進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的優(yōu)化策略。

1 新能源電動(dòng)車低壓電源管理系統(tǒng)構(gòu)成

新能源電動(dòng)車低壓電源管理系統(tǒng)包含車載相關(guān)零部件和控制策略軟件。低壓電源管理系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，主要由車輛控制單元(VCU)、BMS(高壓電池管理系統(tǒng))及高壓電池、DC/DC控制器、低壓12 V鉛酸蓄電池、LIN接口蓄電池狀態(tài)傳感器(EBS)、BCM控制器、TBOX模塊及低壓負(fù)載系統(tǒng)共同構(gòu)成[1]?？刂扑惴ㄜ浖δ馨ǎ红o態(tài)電流監(jiān)控與管理策略、負(fù)載分級管理控制策略、DC/DC管理控制策略和跛行控制策略。

圖1 低壓電源管理系統(tǒng)拓?fù)?/p>

新能源電動(dòng)車整車電源狀態(tài)可以分為OFF、ON、HVON、RUNNING。OFF狀態(tài)為點(diǎn)火開關(guān)OFF擋位，ON狀態(tài)為點(diǎn)火開關(guān)ON擋電源但高壓未上電，HVON狀態(tài)為點(diǎn)火開關(guān)ON擋并且高壓上電，RUNNING狀態(tài)為車輛運(yùn)行。新能源電動(dòng)車低壓電源管理策略相互跳轉(zhuǎn)機(jī)制如圖2所示。

圖2 低壓電源管理策略跳轉(zhuǎn)圖

2 新能源電動(dòng)車低壓電源管理策略的工作原理及流程

2.1 靜態(tài)電流監(jiān)控與管理策略

車輛靜止時(shí)，電源模式為OFF，開始啟動(dòng)靜態(tài)電流監(jiān)控與管理策略軟件模塊。靜態(tài)電流監(jiān)控與管理策略軟件會(huì)首先監(jiān)控車輛低壓蓄電池的實(shí)際SOC1狀態(tài)，對比下次車輛上電需要的低壓蓄電池的SOC2數(shù)值(各OEM根據(jù)車輛的實(shí)際情況設(shè)定)，當(dāng)SOC1/SOC2>2時(shí)，BCM會(huì)按照每3 d(72 h)檢測一下當(dāng)前車輛的低壓電池SOC1值。當(dāng)1

圖3 車輛靜態(tài)電流監(jiān)控與管理流程

2.2 負(fù)載分級管理控制策略

電源模式處于ON狀態(tài)，此時(shí)如果整車的部分低壓用電設(shè)備在運(yùn)行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)低壓蓄電池的電量低于設(shè)定閾值SOC3時(shí)，儀表會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的聲音和文字提示，車輛低壓電源電量低，請求接通DC/DC。如果駕駛員未進(jìn)行任何進(jìn)一步操作，低壓電源管理系統(tǒng)將按預(yù)先設(shè)計(jì)關(guān)斷順序進(jìn)行用電設(shè)備切斷措施，通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相應(yīng)的禁用等級和功能，各控制器收到CAN信號后執(zhí)行相應(yīng)的關(guān)閉策略。切斷的負(fù)載主要設(shè)定為與安全無關(guān)的大功率舒適型負(fù)載，對舒適型大功率負(fù)載功能進(jìn)行分等級限用?？梢愿鶕?jù)低壓蓄電池不同的SOC等級，對應(yīng)切斷不同負(fù)載，一直到所有可禁用功能都禁用為止，這樣可以更加有效地利用電源的能量。當(dāng)DC/DC接通給低壓電池充電或低壓蓄電池電量超過設(shè)定SOC4閾值時(shí)，關(guān)閉分級切斷負(fù)載功能。

舒適型負(fù)載分級可以根據(jù)低壓蓄電池不同SOC等級，設(shè)定不同的負(fù)載切斷要求，如鼓風(fēng)機(jī)擋位由高到低，座椅加熱通風(fēng)由高到低，后視鏡加熱，方向盤加熱由高到低，風(fēng)扇的速度由高到低。部分與安全無關(guān)的燈光負(fù)載等進(jìn)行分級管理控制，負(fù)載分級管理控制策略流程圖如圖4所示。

圖4 負(fù)載分級控制策略流程

2.3 DC/DC管理控制策略

當(dāng)車輛處于HV ON狀態(tài)時(shí)，高壓系統(tǒng)已經(jīng)開始運(yùn)行，DC/DC可以開始工作，將高壓電池的電能轉(zhuǎn)化為低壓電能。此時(shí)需要結(jié)合DC/DC的輸出效率特性，盡量讓DC/DC工作在最佳效率范圍內(nèi)，提高電能轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)整車用電負(fù)荷較低，且低壓蓄電池的SOC儲備充足時(shí)，控制DC/DC不輸出，由低壓蓄電池給低壓用電設(shè)備供電;當(dāng)整車用電量升高到I1或低壓蓄電池的SOC5低于設(shè)定閾值時(shí)，DC/DC開始工作，并且給用電設(shè)備供電同時(shí)給蓄電池充電。DC/DC控制流程圖如圖5所示。整車在運(yùn)行時(shí)，如果負(fù)載設(shè)備用電量過高，DC/DC全功率和低壓蓄電池同時(shí)給低壓用的設(shè)備供電，當(dāng)檢測到低壓蓄電池的SOC低于設(shè)定閾值時(shí)，將啟動(dòng)負(fù)載分級管理控制策略[2]。

圖5 DC/DC管理控制流程

2.4 跛行控制模式

系統(tǒng)檢測到DC/DC系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，如過壓、欠壓、不輸出等故障形式，VCU系統(tǒng)會(huì)根據(jù)DC/DC功能安全等級對DC/DC采取不同的控制措施。一旦出現(xiàn)危害功能安全等級較高的故障出現(xiàn)，系統(tǒng)會(huì)切斷DC/DC輸出，并發(fā)出警告。此時(shí)低壓電源管理系統(tǒng)將會(huì)直接切斷與行駛及安全無關(guān)的所有低壓電器系統(tǒng)。保障車輛的跛行模式，堅(jiān)持將車輛停靠到安全地帶。有些OEM會(huì)要求低壓電源能滿足2 h的跛行行駛的能量。有些OEM會(huì)要求低壓電源提供滿足5 min行駛能量，可以使車輛靠邊停車。這個(gè)數(shù)值也根據(jù)不同OEM有不同的定義，這些不同的要求會(huì)導(dǎo)致低壓蓄電池電量選型及整個(gè)過程中充電SOC設(shè)定的不同。

3 新能源電動(dòng)車低壓電源管理策略分析

在應(yīng)用過程中需要結(jié)合電動(dòng)車低壓電池容量、整車的低壓用電情況、DC/DC控制器的輸出特性等方面，制定相應(yīng)的各點(diǎn)閾值。

如某電動(dòng)車的低壓電池采用容量為45 Ah的鉛酸蓄電池，在靜態(tài)電流監(jiān)控與管理時(shí)，為了保證車輛下次高壓系統(tǒng)能夠上電，需要設(shè)定SOC2的閾值。如果是普通的鉛酸蓄電池，不宜深度放電，SOC2可以設(shè)定為40%～50%，如果是鋰離子電池深度放電特性較好，可以將SOC2設(shè)定為20%～25%[3]。由于這個(gè)車型采用的是鉛酸蓄電池，設(shè)定SOC2為40%。

負(fù)載分級管理控制策略需要設(shè)定實(shí)施負(fù)載分級切斷的蓄電池電量SOC3，這個(gè)車型可以設(shè)定SOC3值60%。當(dāng)蓄電池電量低于60%時(shí)，開始以順序停用Level1級的用電設(shè)備;低于50%時(shí)，開始停用Level2級的用電設(shè)備;低于40%時(shí)，開始停用Level3級的用電設(shè)備。如果DC/DC開始給低壓蓄電池充電，當(dāng)蓄電池SOC>SOC4時(shí)，SOC4設(shè)定為65%，停止負(fù)載分級管理斷開策略。

DC/DC控制策略需要設(shè)定負(fù)載電流I1，可以根據(jù)車輛選用的DC/DC輸出效率情況如圖6所示。

圖6 常溫下DC/DC(360 V/13.5 V)輸出效率曲線

可以看出在常溫下DC/DC輸出電流在30 A左右時(shí)輸出效率可以達(dá)到約95%，DC/DC輸出效率還與溫度等因素有關(guān)，綜合考慮得出一個(gè)合理數(shù)字。這里A1閾值設(shè)為30 A。蓄電池是需要有比較多的剩余電量才能給低壓用電設(shè)備供電，所以此車設(shè)置SOC5為80%。即當(dāng)?shù)蛪盒铍姵豐OC>80%時(shí)，且用電器的電流小于30 A時(shí)，在VCU允許的情況下，DC/DC可以不工作，達(dá)到節(jié)省能量的目的。這里選用的DC/DC最大發(fā)電電流IMAX為150 A。當(dāng)整車低壓用電量高于DC/DC以最大工作電流，DC/DC和蓄電池共同給用電器供電，且蓄電池電量低于60%時(shí)，會(huì)啟動(dòng)負(fù)載分級管理控制策略。

當(dāng)車輛出現(xiàn)DC/DC系統(tǒng)出現(xiàn)故障進(jìn)入跛行控制模式，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出LIMP HOME的信號，各系統(tǒng)收到信號會(huì)自行切斷與行駛和安全無關(guān)的其他用電設(shè)備，僅保留行駛和安全相關(guān)的低壓用電設(shè)備。

4 結(jié)束語

文中對新能源電動(dòng)車的低壓電源管理系統(tǒng)控制進(jìn)行了分析，介紹了相應(yīng)的控制策略，為后續(xù)車型開發(fā)提供參考。文中還存在有待完善的地方，如何通過電源管理控制策略在蓄電池選時(shí)減小蓄電池容量，以及在靜態(tài)情況下高壓充電的安全管理機(jī)制還需要完善。