网联电动汽车12V电源系统管理策略研究

李军



网联电动汽车12V电源系统管理策略研究

李军

（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804）

文章提出了一种基于主流电动汽车电器架构和互联网汽车技术的12 V电源系统管理策略，该策略集成蓄电池状态监测和预警、人机远程交互、车辆远程启动等功能，可有效解决电动汽车由于蓄电池亏电引起的无法启动问题。

12V电源系统；远程启动；电动汽车；车联网

前言

根据售后故障统计数据，在客户请求道路救援的案例中，有很高比例是由于蓄电池亏电导致车辆无法启动的案例。导致蓄电池亏电的原因有很多，如蓄电池质量问题，客户忘记关闭用电器，还有一部分车辆系统设计时静态消耗电量过大，在较长时间的停放后造成亏电无法启动。近几年随着汽车电器功能的日渐丰富，车辆熄火后有部分电器模块仍需工作一段时间，甚至车辆休眠后有电器模块为了某种功能而唤醒自身或整个车载总线系统，这就导致车辆蓄电池的电量损耗加剧[1]。尤其对于互联网电动汽车，由于在整车休眠时仍需要周期监控，存储和上报整车安全状态及动力电池状态数据[2]，以及特定条件下运行锂电池均衡策略，这些功能使得蓄电池的驻车耗电量成倍增加，车辆的可持续驻车时间严重缩短，很多客户上报由于低电压蓄电池亏电，造成高压无法上电，车辆不能行驶的报怨。这说明电动汽车电源系统设计的可靠度不够，需要在电源管理策略上进行设计优化。

随着蓄电池智能传感器和12 V电源管理技术的发展，越来越多的蓄电池状态管理技术在车上实施，如根据电量状态去限制用电负载开启；用电负载未关闭时提醒功能；蓄电池荷电状态通过车载HMI系统提示用户等。有些电动车在ACC/ON的状态下进行高压充电[3][4]，这些措施起到了预警或缓减蓄电池亏电的速度，在一定程度上改善了亏电的问题，但并未解决长时间驻车时的亏电隐患。

本文提出了一种基于主流电动汽车电器架构和车联网汽车系统平台技术的12V电源系统管理策略，集成了蓄电池状态监测和预警，人机远程交互，远程上高压电的主动充电控制策略，以保障电动汽车低压电源系统的可靠性。

1 电源管理系统架构方案

图1所示为网联电动汽车系统架构框图，系统由车辆内部系统和外部终端系统两部分组成。车辆内部系统由12 V低压电源管理子系统，高压控制子系统，车身控制及通讯子系统组成。其中，12 V低压电源管理子系统负责低压蓄电池状态监控，及整车静态耗电监控与报警；高压控制子系统负责给12 V蓄电池充电；车身控制及通信系统负责车辆状态监控，与外部设施通信；外部终端系统实现车辆无线通信功能和人机交互功能。

图1 网联电动汽车系统架构框图

图2为子系统网络拓扑图，其中12 V低压电源管理子系统由12 V蓄电池、12 V电源控制单元、蓄电池智能传感器组成。高压控制子系统由电动控制单元，高压BMS单元，高压动力电池，DC/DC转换器组成。车身控制及通讯子系统由BCM车身控制单元和TBOX远程通讯模块组成。车辆外部终端系统由后台服务器，移动终端设备，互联网PC终端组成。无线网络服务设备不列入本系统。车辆内部控制模块通过CAN网络进行通信，12 V电源控制单元负责发起网络唤醒请求；TBOX远程通信模块通过3G/4G信号接入互联网，与后台服务器进行通信。

图2 子系统网络拓扑图

2 电源管理系统策略方案

系统策略运行的场景为：用户锁车，在整车CAN网络继续保持一段时间后（一般为几分钟），车辆进入休眠状态，本系统功能启动。

功能运行流程如图3所示， 12 V电源控制单元周期性自唤醒，通过安装于12 V蓄电池负极的智能传感器获取蓄电池的状态信息，如蓄电池电压， SOC，电流，SOH，有效安时数等参数。 根据实时更新的蓄电池电压，SOC，放电电流等参数，再结合传感器存储的历史信息，按照预定策略判定是否需要进入低电量风险报警程序。如是，则主动发起CAN网络唤醒请求，启动低电量报警和请求上高压充电程序。

图3 功能运行流程图

由于蓄电池状态动态变化因素以及传感器本身精度局限性，仅依据SOC、电压或电流值来判断蓄电池可用电量容易出现误判，本文在判定算法中采用了蓄电池荷电状态与动态电压电流组合判定方法。当蓄电池电压低于预设值，进一步判断放电电流是否低于预设值，如是，再结合SOC和老化参数判断为蓄电池处于亏电风险状态，进入低电量报警程序；当蓄电池电压高于预设值，或电压低于预设值且电流高于预设值时，需要进一步判定蓄电池SOC状态，如SOC也低于预设值则进入报警程序。这种双重判断策略可以有效避免电量误判，提高系统的可靠性。

12V电源控制单元判定蓄电池为低电量风险时，发送网络唤醒请求至CAN网络主控制器（网关），整车CAN网络被唤醒后，12V电源控制单元发送12V蓄电池低电量报警信号和上高压充电请求信号，接收此信号的有BCM车身控制单元，电动控制单元和TBOX远程通信模块。

BCM收到报警信号后，检查当前车辆安全状态是否支持上高压程序，例如车辆防盗状态，门锁开闭状态等，如车辆安全状态参数全部符合条件，则由BCM发送支持上高压确认信号，否则发送否定应答。电动控制单元接收到低电量报警信号后，立即与高压BMS单元和高压DC/DC进行通讯，检查高压动力电池安全状态、荷电量状态和DCDC状态，当所有状态参数满足预设条件，则由电动控制单元发送支持上高压充电确认信号，否则发送否定应答。

当任何控制器发出车辆状态不支持实施上高压电操作信号时，由TBOX远程通信模块发送“整车12V蓄电池电量低”报警信息至后台服务器，再由服务器推送至移动终端设备通知车主。12V电源控制单元结束本次请求上高压电程序，然后由CAN网络主控制器控制整网休眠。

当TBOX从CAN网络上接收到BCM和电动控制器的肯定应答信号后，通过3G/4G网络发送低电量报警信息，以及请求上高压信号，这些信息将传递至后台服务器，由服务器推送信息至车主移动端APP，请求车主是否立即执行上高压电操作。由于上高压电操作涉及车辆安全问题，车辆与车主的双向通信是经过后台服务器合法认证后执行。当车主通过移动终端APP返回确认信息后，TBOX通过CAN网络发送允许上高压电信号，电动控制单元接收到信号后，立即控制高压DC/DC给12V蓄电池进行充电操作。

充电中止可采用以下两种条件判断：一是定时中止，充电过程中限定电压和电流，当达到设定时间后停止充电；二是SOC阈值判断，在充电过程中12V电源控制单元实时监控12V蓄电池的电量状态，当12V蓄电池SOC达到预设阈值，即满足停止条件。由12V电源控制单元发送CAN网络信号给电动控制单元，请求停止充电，由电动控制单元执行整车高压断电操作，并且向CAN网络发送信号。

充电程序结束后，通过移动终端APP发送信息，通知车主蓄电池充电已完成，并显示当前车辆及高低压系统状态信息。以上操作全部完成后，整车CAN网络恢复休眠状态，12 V电源控制单元再次进入周期性监测模式。

3 实车测试与理论计算

基于一款纯电动汽车进行实车驻车电流测试。该车型全系标配车联网系统，具备车载主机与云端通信能力，具有手机客户端APP交互功能。有单独12 V电源管理控制系统和高压充电控制系统。

3.1 实车测试驻车电流消耗情况

图4 实测静态电流曲线

驻车时间为整车性能技术指标中一项重要指标，是指从车辆锁车休眠开始停放，直到蓄电池放电至最低起动电量，所能持续的天数。反映的是车主长时间不使用车辆，车辆网络系统和供电系统的可靠性。各车型的驻车目标时间由主机厂定义，实际表现取决于驻车时车辆的电量消耗，图4为实车测试静态电流曲线。

基础静态电流消耗C，是指车辆休眠后各用电器休眠电流总消耗，本车型基础静态电流值为15mA；

蓄电池自放电消耗C，本车型蓄电池每月电量损耗为6%；

短时消耗C，如锁车后部分用电器延时休眠，仍然在一定时间内消耗蓄电池电量。本车型TBOX及娱乐系统延时休眠时间10分钟，消耗电流值为750 mA；

周期性唤醒功能消耗C,如防盗与钥匙检测时BCM唤醒，主动迎宾功能，锂电池离线均衡等。

驻车状态下其他功能消耗C，如互联网功能手机APP操作，远程刷新功能等。本车型开放客户APP手机远程操作，远程操作时整车网络唤醒响应客户请求，产生相应的电流消耗。

3.2 理论计算可支持驻车时间

根据实测电流情况，分别计算各耗电项目每天的耗电量,如表1所示。

表1 各项静态电流每天消耗

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

车辆休眠时每天电量消耗总和可用下述公式估算，单位Ah。

C=0第二天开始电量消耗；

表2 理论计算车辆可停放天数

Tab.2 The calculated available parking days

若配置55 Ah蓄电池，则通过以下公式估算，常温条件下车辆理论可支持驻车天数：

从表2计算结果可以看出，如果驻车时没有补充电策略，车辆可支持最大停放天数有限，不能满足用户长时间停放需求，很可能会导致蓄电池亏电引起车辆无法上高压电的问题。

4 策略有效性验证

为了验证主动上高压充电策略的有效性，下面针对应用本策略前后的车辆最大可支持驻车时间，通过测试台架模拟数据进行对比分析。（CAN网络通信与手机APP交互通过软件联调确认可行性，本文不作详细讨论。）

4.1 无主动充电策略的台架模拟测试

在蓄电池测试台架上进行模拟测试，使用容量为55 Ah的蓄电池，初始SOC为85%，终止条件为45% SOC，模拟驻车电流消耗曲线如图5所示，其中模拟手机端APP操作为每24小时执行8次。

图5 模拟驻车电流曲线

图6 模拟无充电策略驻车放电曲线

模拟测试中，蓄电池初始SOC设定为85%，由测试台架放电测出，静置后开路电压12.6V，作为起始放电电压，定义最低安全电量为45%，用近似等效电压12V判断，模拟长时间驻车放电曲线如图6所示。放电至安全电量阀点12V，蓄电池持续放电接近14天，与理论计算14.2天基本符合，如继续驻车放电则有蓄电池亏电引起车辆无法启动（高压上电）的风险。

4.2 采取主动充电策略台架模拟测试

策略中由12V电源控制器从蓄电池传感器获取蓄电池实时状态参数，设定主动充电开启阈值SOC为50%，台架测试中取近似电压值12.2V，即蓄电池端电压放至12.2V时启动充电程序，以14.8V，限流25A充电。中止条件采取计时，本次测试充电1小时。模拟曲线如图7所示，蓄电池经过1小时补充电后电压恢复至12.6V以上，中止充电后，模拟车辆再次进入驻车休眠放电状态。根据策略设定和台架模拟结果推测，只要动力电池电量充足，采用此策略后可以保证车辆12 V蓄电池电量始终维持在安全水平，可以支持用户车辆长时间停放。

图7 模拟驻车电压电流曲线

5 总结

笔者曾与多家铅酸蓄电池供应商进行过交流，相比于传统燃油汽车，电动车和互联网汽车的售后蓄电池索赔比例明显上升了几倍，为了降低索赔成本，供应商也迫切希望主机厂在电源管理方面有所对策。本文所提出的系统性解决方案能够有效地解决这一问题，大大提高电动汽车低压电源系统可靠性。而且该方案基于现有互联网电动车电气架构，不增加硬件成本；通过人机交互与主动策略提醒，减小由于蓄电池亏电造成客户车辆救援的风险，提高客户满意度。

如能在互联网电动汽车上实施本策略，则在低压供电安全方面起到很好的保障作用。不管是对广大车主，还是对于主机厂或蓄电池供应商来说，都将会从中受益。

[1] 罗云钢,董敏.起动型蓄电池使用寿命预测与整车静态电量管理分析[J].上海汽车,2017(04): 32-36.

[2] 王文扬,陈正,陈祥威.新能源汽车远程监控终端的设计[J].汽车电器,2015 (6):5-9.

[3] 包寿红,余才光,马智涛等.混合动力汽车低压蓄电池充放电管理[J].汽车电器,2012(10):25-28.

[4] 孔伟伟,杨殿,李兵等.汽车蓄电池管理方法的研究[J].汽车工程, 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

A

1671-7988(2019)05-49-04

U469.7

A

1671-7988(2019)05-49-04

U469.7

李军，男，硕士，就职于上海汽车集团股份有限公司技术中心电子电器部，电源管理系统主管工程师，主要研究方向为整车低压电源管理系统和策略开发，基于互联网技术的电源系统HMI交互技术与预测模型等。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.014