一種商用車鉛酸蓄電池狀態監控系統的開發

張文斌， 韓慶福， 范安軍， 馬永孝， 徐成竹， 張龍中

（北京福田戴姆勒汽車有限公司， 北京 101400）

1 前言

隨著汽車電子技術的發展， 越來越多的電子產品應用到重型卡車上， 同時隨著二氧化碳排放要求的提高以及能源的減少， 節能減排已經成為各主機廠面臨的嚴峻問題。不斷增加的用電器負載給蓄電池帶來了巨大的挑戰， 如獨立熱源、 駐車空調、 1000W逆變器等， 特殊工況或用戶操作不當情況下， 蓄電池壽命會嚴重衰減， 蓄電池虧電也會導致車輛無法起動等市場抱怨。 同時， 遇到冬季來臨， 蓄電池充放電性能下降， 各大主機廠蓄電池故障率明顯攀升，為了解決蓄電池故障及其用戶對蓄電池的合理應用， 因此，對蓄電池的參數進行監控成為行業需解決的一個重要問題，這也為后續的整車電能管理提供一個基礎條件。

本文提供了一種商用車鉛酸蓄電池狀態監控系統， 對蓄電池的狀態情況進行監控， 及數據存儲與展示， 以及對虧電情況的報警， 以引起用戶的注意， 蓄電池參數狀態信息的監控及其相關控制將為實現整車的電源能量分級管理提供前期條件。

2 詳細的技術內容

2.1 系統總體思路

一種商用車鉛酸蓄電池狀態監控系統的開發 （圖1），系統由蓄電池傳感器、 網關控制器、 車身控制器、 儀表、車聯網系統組成。 蓄電池傳感器采集并計算蓄電池的SOC、SOF、 SOH等參數信息； 網關控制器負責路由蓄電池參數LIN報文信息到PCAN線路， 以供系統中其它部件使用， 同時從PCAN接收BCU發送的蓄電池更換的參數配置信息路由到LIN線， 以供蓄電池傳感器匹配使用； 車身控制器負責配置蓄電池變更的參數信息， 并將其發送到PCAN 線路； 儀表負責蓄電池監控的相關報警及蓄電池的SOC值的顯示； 車聯網系統由TBOX、 車聯網平臺、 手機客戶端組成， TBOX負責將蓄電池的參數信息傳送給車聯網平臺，車聯網平臺進行蓄電池的參數信息的存儲、 展示及判斷SOC值， 進行報警， 將報警信息傳送給手機客戶端， 以提醒用戶注意。

圖1 蓄電池監控系統

系統總體的功能實現蓄電池SOC、 SOF、 SOH等數據存儲及電量低報警信息推送， 并進行電磁開關的控制， 以保證車輛的正常起動。 同時， 實現對蓄電池全生命周期的運行狀態的監控。

2.2 技術方案

2.2.1 蓄電池傳感器的開發

蓄電池傳感器可實時監控蓄電池狀態并對客戶進行有效提醒， 通過連接在CAN/LIN節點上的車聯網終端和后臺網絡系統， 對蓄電池的實時信息進行分析、 反饋， 也會為市場索賠提供數據支撐。 可幫助車輛最大限度地解決因蓄電池意外故障而導致的汽車故障， 實現最長電池壽命和最大化電池能效管理， 是整車電源管理功能實現的基礎。

蓄電池傳感器一般由極夾、 主體、 接線片等構成， 見圖2。 其中主體構成包括： 上蓋、 PCB、 殼體、 膠、 分流器電阻、 針腳； 其中電壓傳感器測量電路和溫度傳感器集成在PCB板上， 經過特定的電路排布， 再通過復雜的邏輯算法運算， 計算出蓄電池的工作溫度、 輸出電流和輸出電壓；其中的連接器有3個端子， 分別為24V、 12V、 LIN線。

圖2 蓄電池傳感器組成

蓄電池傳感器通過極夾與蓄電池負極柱相連， 接線片搭鐵， 通過CAN/LIN線與整車控制器相連 （連接方式見圖3）， 并發送SOC、 SOF、 SOH等蓄電池相關參數， 詳見下述功能。

圖3 蓄電池傳感器連接方式

1） 蓄電池傳感器的監控功能。 監控SOC、 SOF及SOH等相關參數： ①蓄電池的充放電狀態 （SOC）： SOC的定義非常直觀， 通常以百分數的形式表示。 完全充電的電池SOC為100%， 完全放電的電池SOC為0%， 實際使用過程中是不允許蓄電池的SOC為0%的。 SOC值隨電池的充電和放電時間而改變， 是一個由充放電引起的蓄電池充電狀態的改變值。 ②蓄電池的功能狀態 （SOF）： SOF是一個預測值，它預測了當前蓄電池能提供的最低起動電壓。 功能狀態考慮了蓄電池的老化程度、 溫度、 內阻以及發動機起動所需的電流。 SOF對于啟停系統而言非常關鍵， 直接關系到了相關控制策略。 ③蓄電池的健康狀態 （SOH）： SOH直接反映電池的預期壽命， 是一個相對量， SOH用于判定電池老化過程， 可區分可逆和不可逆的老化過程。

2） 蓄電池監控的指標： 蓄電池的溫度、 蓄電池的電壓、 靜態電流、 蓄電池的內阻等。

3） 支持休眠喚醒， 支持LIN喚醒。

2.2.2 網關控制器的開發

系統方案中的網關控制器主要負責將蓄電池的參數信息傳送到整車CAN線路上， 以供整車蓄電池監控系統中各器件的應用； 同時， 將系統配置的蓄電池變更信息參數傳送到LIN線路， 以供蓄電池傳感器配置。 具體功能如下所述。

1） 網關的CAN 網絡和LIN 網絡間相互轉換的功能：網關能夠正確接收CAN和LIN網絡協議格式的報文， 能夠解析收到的報文數據； 能夠根據各網段參數的需要， 按另外一種網絡協議的格式將所需數據封裝打包， 并按照該網絡協議的要求發送到相應的線路上。

2） 網關CAN總線 （報文/信號） 路由功能： 網關能夠根據預先編制的路由規則自動實現CAN總線上報文級別和信號級別的路由功能。 網關可以根據路由規則選擇CAN報文直接轉發， 或者拆分為信號和其它信號組合然后重新封裝后轉發， 或者根據特定的邏輯運算后轉發， 包括對報文丟失、 超時等故障模式的處理。 網關在轉發報文前應能夠檢測該報文是否已正常接收到最近周期報文， 如沒有， 則不轉發該報文。 路由表要可配置， 且有配套的軟件工具進行配置。

3） 網關滿足不同配置車輛網絡需求： 網關應具有根據配置字來確定車輛的配置信息， 并根據車輛的配置信息確定車輛的CAN 網絡架構， 自動調整相關的網絡管理信息以及網絡路由表， 且網關應具有長期存貯配置字的能力， 外置EEPROM存儲配置字。

2.2.3 車身控制器的開發

車身控制器負責配置蓄電池參數變更信息， 并將其發送到整車CAN線路上； 同時， 在鑰匙開關處在ON擋時， 車身控制器根據從CAN線路上接收到的蓄電池的SOC值及環境溫度值， 判斷蓄電池的狀態， 并向CAN線發送蓄電池的狀態報警信息。 具體功能如下所述。

1） 更換蓄電池參數配置信息： 當安裝蓄電池傳感器的車輛， 更換不同型號的蓄電池時， 蓄電池傳感器內部需要重新配置蓄電池參數， 因此， 可通過診斷儀對車身控制器進行更換蓄電池的參數配置， 配置完成后，車身控制器向CAN線發送更換的蓄電池參數信息，以供網關路由給蓄電池傳感器使用。 更換蓄電池時， 蓄電池傳感器需配置參數見表1。

表1 更換蓄電池配置參數

2） 蓄電池電量低報警功能： 當鑰匙開關處于ON擋時， 車身控制器根據接收到的整車不同環境溫度下對應的蓄電池SOC值的大小與設定的SOC閾值進行比較。 若蓄電池電量偏低時， 車身控制器激活蓄電池電量偏低報警狀態； 若蓄電池電量過低時， 車身控制器激活蓄電池電量過低報警狀態， 并將報警狀態發送到CAN線上， 以供儀表和車聯網系統使用。

3） 電磁開關的控制功能： 當車身控制器接收到系統的蓄電池SOC值低于對應的閾值時， 車身控制器控制斷開電磁開關， 以保證蓄電池電量消耗降低。

2.2.4 儀表的開發

儀表接收到車身控制器發送到CAN線上的蓄電池相關的報警狀態時， 進行相關的文字報警與顯示， 見表2。

表2 蓄電池故障報警

2.2.5 車聯網系統的開發

車聯網系統由TBOX、 車聯網平臺、 手機客戶端組成。TBOX負責從整車采集相應的蓄電池參數信息傳送給車聯網平臺； 車聯網平臺負責進行蓄電池參數的數據存儲與展示，并對SOC值進行判斷比較， 當發生蓄電池電量低狀態時，向手機客戶端推送報警信息， 同時儲存報警信息； 手機客戶端負責將接收到的蓄電池電量低報警信息以短信的方式推送給車輛用戶， 并在手機客戶端實時顯示整車蓄電池電量SOC值及蓄電池健康狀態SOH值。 車聯網系統功能如下所述。

1） 整車蓄電池參數信息終端設備TBOX的采集與傳送。

車輛在未上電狀態時， 網關具備自喚醒功能， 可周期性地自喚醒將蓄電池參數信息從LIN線路由到CAN線， 以喚醒TBOX。 TBOX在車輛的未上電狀態下可周期性地采集蓄電池的參數信息， 并傳送給車聯網平臺。

車輛在ACC、 ON狀態時， TBOX處于喚醒狀態， 持續向車聯網平臺傳送蓄電池參數信息。

2） 車聯網平臺蓄電池參數的存儲、 展示及SOC電量低報警判斷。

車聯網平臺收到蓄電池的參數信息， 進行數據存儲，并對SOC、 SOF、 SOH等參數進行數據展示， 以便主機廠查看車輛蓄電池的全生命周期的使用情況， 便于掌握用戶的操作習慣， 制定并優化整車電能使用的策略。

車聯網平臺通過采集的蓄電池SOC值及系統的環境溫度， 進行蓄電池電量低的邏輯判斷。 目前方案車聯網平臺對蓄電池電量低進行分級判斷， 若蓄電池電量SOC值低于一級報警閾值時， 進行一級報警信息； 若蓄電池電量SOC值低于二級報警閾值時， 進行二級報警信息。 系統將報警信息存儲， 并推送給手機客戶端。

3） 手機客戶端的報警與SOC、 SOH值顯示。

手機客戶端收到車聯網平臺推送的報警信息時， 車聯網系統立即向車輛用戶推送報警信息， 以提醒用戶進行下一步對蓄電池的操作處理。 同時， 手機客戶端顯示蓄電池的SOC值、 SOH值， 以給用戶一個直觀的顯示， 告知用戶當前蓄電池電量值。

3 蓄電池監控的意義

1） 蓄電池監控系統： 面向車主， 通過手機客戶端顯示蓄電池SOC、 SOH信息及電量低報警提醒； 面向品質人員，通過后臺數據存儲與展示， 可對蓄電池的實時信息進行分析、 反饋， 也會為市場索賠提供數據支撐； 面向服務人員，通過報警提醒， 可快速找到相關問題的源頭， 快速響應修理故障； 面向研發人員， 為后續的整車電能管理， 提供數據經驗。

2） 預期效果： 降低客戶操作不當引起車輛無法起動風險； 減少故障蓄電池責任判定糾紛； 降低客戶抱怨； 延長蓄電池使用壽命， 降低蓄電池故障率。

4 總結

本項目基于企業平臺車型的資源， 增加了蓄電池傳感器， 借助平臺車型現有資源， 制定了鉛酸蓄電池監控系統的解決方案， 可以滿足企業產品線上各類產品對蓄電池狀態監控的功能實現。 該方案實現了對蓄電池全生命周期狀態參數的監控， 及車聯網平臺對蓄電池參數的數據存儲與展示， 同時對蓄電池電量低進行報警提醒， 以提醒用戶注意。 該項目為后續整車電能的分級管控提供了基礎， 為節能降耗、 節能減排起到了積極的作用， 具有重大的社會影響和意義。