车辆蓄电池防亏电系统设计方法分析

王大丽 程 琳 刘孔祥 郑阿东

(奇瑞汽车股份有限公司，安徽 芜湖 241006)

0 前言

如何在汽车使用过程中防亏电是整车设计的一项重要性能指标之一。汽车亏电会使车辆部分功能出现异常，严重亏电还将导致汽车不能正常启动。随着车辆智能化和网联化相关设备大幅增加，车辆产生亏电的原因越来越复杂。针对该现象，在整车设计阶段采用原有方法已较难实现控制。本文研究并优化了车辆防亏电的设计方法，以解决车辆亏电问题。

1 车辆亏电的原因

在整车设计阶段，车辆供电系统的设计目标是满足车载电气负载正常的用电需求，其核心部件包括蓄电池和发电机。蓄电池为车辆启动提供电能，并在车辆行驶过程中储存电能，保证车辆在驻车和启动时的用电。发电机是车辆的主要电力来源，满足车辆在启动后车载电器的用电需求，给蓄电池补充电能。车载电气负载异常耗电、功能实现策略设计不合理及供电系统设计不合理或异常，都会导致蓄电池过放电，从而引起车辆亏电[1]。

1.1 供电系统设计不合理

整车供电系统与车载电气负载用电系统设计的不合理，会使车辆在行驶过程中发生主电源发电机发电量不足的情况。在某些行驶工况下，需要蓄电池协助发电机为电气系统供电，当蓄电池长时间得不到充分补电时，蓄电池寿命将缩短，增加了车辆亏电发生的概率。车辆蓄电池亏损型供电场景如图1所示。

图1 车辆蓄电池亏损型供电场景

1.2 整车静态电流耗电

整车静态电流是指车辆在熄火后，所有车载电气负载设备在关闭状态下，车辆部分系统仍在工作产生的电流。因静态电流耗电导致车辆亏电的原因有：①在设计阶段，静态电流设定目标与蓄电池选型不匹配，整车静态电流目标值过大或电池容量过小。解决措施是降低整车静态电流或选择电池容量更大的蓄电池。②车载控制模块功能设计逻辑存在缺陷，在特殊使用场景下产生异常耗电。例如，在某车型音响开机动画即将结束时关闭车门并锁车，可测试出音响系统静态电流约1.6 A，在1 h后静态电流恢复到2 mA的设计目标，因此该车型存在过耗电现象。解决措施是对音响主机的功能软件进行优化，消除该异常耗电现象。

1.3 用户用电异常或整车网络休眠异常

车辆在未启动时，用户过度使用车上的电器设备，或者车辆的外接用电设备在车辆熄火后仍在持续使用，车辆都会出现亏电现象。此外，车载电气负载故障、车载网络不能正常休眠和车载网络异常唤醒，也会产生异常耗电，从而导致车辆出现亏电现象。

2 整车电源系统设计

根据车辆亏电原因分析，在设计阶段，应对供电量及用电量平衡策略进行设计，防止出现供电不足或用电异常所导致的车辆亏电。车辆电源系统设计包括车辆供需电量平衡设计、静态电流控制、各智能化控制系统功能模式化管理、蓄电池低电量提醒、高级电源控制和网络休眠策略等。其中，高级电源控制要求系统能够根据蓄电池电量，适当限制舒适性车载电器的使用权限。在车辆设计阶段进行车辆智能管控，采用新的和系统的设计方法，可以减少车辆在实际使用过程中发生亏电现象。

2.1 车辆供需电量平衡设计

在发电机供电系统设计中，寻找蓄电池充放电和电器负载用电平衡是供电平衡的核心内容。在车辆行驶过程中，蓄电池电量要维持在一定的荷电状态(SOC)区间内，在车辆怠速、城市行驶和高速行驶等工况下蓄电池不允许放电，该设计被称为“富余型供电系统设计”(图2)。富余型供电系统设计可以延长蓄电池寿命，防止车辆亏电，满足车辆正常启动要求，并具备一定程度的整车智能化功能，确保了车辆用电的安全和稳定。

图2 富余型供电系统设计

在富余型供电系统的设计过程中，电平衡值Qbatt为重要的设计参数，其量化值可借助蓄电池电流(包括充电和放电电流)进行计算，其表达式为：

式中，t为采样时间，单位s；Ibatt为蓄电池的电流大小，单位A。为了确保整车电网的稳定性，满足车载智能化功能的需要，Qbatt要求为正值，即要求各工况测试结束后蓄电池处于充电状态。

2.2 静态电流的控制

根据汽车行业相关标准要求，车辆在驻车45天后仍应具备正常启动功能。车辆的部分电气化功能，如无钥匙进入及启动系统(PEPS)、电子仪表、车身控制器(BCM)和控制器类部件必须具备记忆、监控或其他功能。在车辆设计时，需要在车机芯片内设置相关回路，并考虑整车静态电流。如果各控制器的静态电流过大，蓄电池电量在短时间内消耗过大，容易引起车辆亏电。如果静态电流设计过小，又会导致控制器的成本上升。因此，静态电流的设计目标值需要与蓄电池的容量进行匹配。静态电流目标值I静的计算公式为：

式中，C20为蓄电池的20 h额定容量，单位A·h；Q0为车辆下线时蓄电池的实际容量与额定容量的比值，可取值90%；Q1为车辆正常启动时蓄电池最低实际容量与额定容量的比值，汽油车型和混合动力车型可取值65%，纯电动车型可取值50%；t为储运时间，单位d，汽油车型和混合动力车型可取值45 d；蓄电池在1 d内的自放电率设定为1‰。

车辆在驻车期间，允许消耗的蓄电池电量值为车辆蓄电池初始容量值减去确保车辆正常启动时蓄电池的最低容量值，同时该数值也可以表示为车辆静态电流消耗电量与蓄电池的自放电电量的总和。因此，在设计阶段，静态电流设计必须满足车辆在驻车期间的电量总消耗，以避免过耗电引起车辆亏电。

2.3 车辆用电智能化控制

随着智能化和网联化信息技术在汽车上的广泛应用，整车电源系统的安全等级要求越来越高。远程启动、空间下载(OTA)及后台推送等新兴车载互联系统功能的实现，也增加了车辆在驻车情况下的耗电需求。网联化汽车异常耗电的潜在因素较为复杂，电源管理系统除了要延长蓄电池的寿命和满足车辆正常启动功能外，还要保证整车智能化功能用电环境的稳定与安全。因此，加强对网络异常唤醒产生的亏电隐患的监控和管理和思考用户场景科技体验的用电管理已成为电源管理系统设计发展的新趋势。新型防亏电控制系统的设计方法可以通过软件控制策略实现对车辆的用电管理。

2.3.1 模式化管理

使用软件进行车载电器功能的模式管理通常分为以下3种：①工厂模式管理。车辆在出厂前，须避免车辆有亏电情况的发生。工厂模式管理的主要功能包含自动下电、部分功能限制等。②运输模式管理。车辆在运输期间，须确保车辆的蓄电池电量满足启动需求。其主要功能包括自动下电、主动关闭迎宾功能和智能钥匙监测功能，以及禁用与物流无关的功能等。③客户模式管理。车辆在交付后，应能通过设备与整车管理系统的通信，开启或关闭相关功能，确保用户正常使用车辆。

在车辆交付给终端用户前，通过软件转换不同模式可以实现车辆在各阶段的功能用电需求测试，达到整车用电可控和整车电源系统可靠的目标。

2.3.2 整车网络唤醒时间管理

随着整车智能化技术的快速发展，车辆电气系统越来越复杂，传统的用电控制设计已无法满足车辆用电的环境要求，需要通过采用新型的软件来解决整车静态耗电的监控和管理问题。

整车网络唤醒时间管理的功能定义为：各模块在整车设防后设置强制休眠时间上限，如设置某模块强制休眠时间为5 min，除设防、解防、迎宾、报警和远程启动等有特殊功能需求的模块外，整车在关闭状态下不能开启网络唤醒功能，以防止整车网络存在偶发的未休眠问题，引发蓄电池发生亏电，导致车辆启动困难。

2.3.3 蓄电池用电提醒管理

针对车辆在使用过程中异常耗电及蓄电池健康状态不佳的情况，需要通过整车防亏电设计策略进行有效管控，并通过仪表显示或通过远程信息处理器(T-BOX)向手机应用程序(APP)客户端发送预警提醒，延长蓄电池的使用寿命，提高用户的感知度。

蓄电池用电提醒管理的功能定义为：在自适应巡航控制系统(ACC)和车内所有电器处于供电状态时，在车速为零的情况下，通过必要的控制策略，将蓄电池的储存电荷能力(SOH)状态在仪表上进行显示，或通过T-BOX 在APP客户端进行显示。在SOH 状态较差的情况下，在仪表上或APP 客户端上显示“蓄电池电量不足，请启动发动机”等信息，提醒用户车辆的蓄电池状态不佳，避免蓄电池过度放电，甚至发生蓄电池严重亏电和车辆启动困难的情况。蓄电池用电提醒管理策略如图3所示。

图3 蓄电池用电提醒管理策略

3 结语

本文从车辆设计和车辆使用两个方面对车辆亏电的原因进行了分析，提出在设计源头加强对车辆亏电原因进行合理有效的控制。在车辆设计阶段，针对整车控制模块采用模式化管理、网络唤醒时间管理、用电提醒管理等优化策略，可以实现车辆电源系统的智能化管理，提高车辆电气系统的稳定性，确保车辆始终处于可控的用电状态，减少因车辆亏电引起的用户用车体验差的情况。