車輛蓄電池防虧電系統設計方法分析

王大麗 程 琳 劉孔祥 鄭阿東

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽 蕪湖 241006)

0 前言

如何在汽車使用過程中防虧電是整車設計的一項重要性能指標之一。汽車虧電會使車輛部分功能出現異常，嚴重虧電還將導致汽車不能正常啟動。隨著車輛智能化和網聯化相關設備大幅增加，車輛產生虧電的原因越來越復雜。針對該現象，在整車設計階段采用原有方法已較難實現控制。本文研究并優化了車輛防虧電的設計方法，以解決車輛虧電問題。

1 車輛虧電的原因

在整車設計階段，車輛供電系統的設計目標是滿足車載電氣負載正常的用電需求，其核心部件包括蓄電池和發電機。蓄電池為車輛啟動提供電能，并在車輛行駛過程中儲存電能，保證車輛在駐車和啟動時的用電。發電機是車輛的主要電力來源，滿足車輛在啟動后車載電器的用電需求，給蓄電池補充電能。車載電氣負載異常耗電、功能實現策略設計不合理及供電系統設計不合理或異常，都會導致蓄電池過放電，從而引起車輛虧電[1]。

1.1 供電系統設計不合理

整車供電系統與車載電氣負載用電系統設計的不合理，會使車輛在行駛過程中發生主電源發電機發電量不足的情況。在某些行駛工況下，需要蓄電池協助發電機為電氣系統供電，當蓄電池長時間得不到充分補電時，蓄電池壽命將縮短，增加了車輛虧電發生的概率。車輛蓄電池虧損型供電場景如圖1所示。

圖1 車輛蓄電池虧損型供電場景

1.2 整車靜態電流耗電

整車靜態電流是指車輛在熄火后，所有車載電氣負載設備在關閉狀態下，車輛部分系統仍在工作產生的電流。因靜態電流耗電導致車輛虧電的原因有：①在設計階段，靜態電流設定目標與蓄電池選型不匹配，整車靜態電流目標值過大或電池容量過小。解決措施是降低整車靜態電流或選擇電池容量更大的蓄電池。②車載控制模塊功能設計邏輯存在缺陷，在特殊使用場景下產生異常耗電。例如，在某車型音響開機動畫即將結束時關閉車門并鎖車，可測試出音響系統靜態電流約1.6 A，在1 h后靜態電流恢復到2 mA的設計目標，因此該車型存在過耗電現象。解決措施是對音響主機的功能軟件進行優化，消除該異常耗電現象。

1.3 用戶用電異常或整車網絡休眠異常

車輛在未啟動時，用戶過度使用車上的電器設備，或者車輛的外接用電設備在車輛熄火后仍在持續使用，車輛都會出現虧電現象。此外，車載電氣負載故障、車載網絡不能正常休眠和車載網絡異常喚醒，也會產生異常耗電，從而導致車輛出現虧電現象。

2 整車電源系統設計

根據車輛虧電原因分析，在設計階段，應對供電量及用電量平衡策略進行設計，防止出現供電不足或用電異常所導致的車輛虧電。車輛電源系統設計包括車輛供需電量平衡設計、靜態電流控制、各智能化控制系統功能模式化管理、蓄電池低電量提醒、高級電源控制和網絡休眠策略等。其中，高級電源控制要求系統能夠根據蓄電池電量，適當限制舒適性車載電器的使用權限。在車輛設計階段進行車輛智能管控，采用新的和系統的設計方法，可以減少車輛在實際使用過程中發生虧電現象。

2.1 車輛供需電量平衡設計

在發電機供電系統設計中，尋找蓄電池充放電和電器負載用電平衡是供電平衡的核心內容。在車輛行駛過程中，蓄電池電量要維持在一定的荷電狀態(SOC)區間內，在車輛怠速、城市行駛和高速行駛等工況下蓄電池不允許放電，該設計被稱為“富余型供電系統設計”(圖2)。富余型供電系統設計可以延長蓄電池壽命，防止車輛虧電，滿足車輛正常啟動要求，并具備一定程度的整車智能化功能，確保了車輛用電的安全和穩定。

圖2 富余型供電系統設計

在富余型供電系統的設計過程中，電平衡值Qbatt為重要的設計參數，其量化值可借助蓄電池電流(包括充電和放電電流)進行計算，其表達式為：

式中，t為采樣時間，單位s；Ibatt為蓄電池的電流大小，單位A。為了確保整車電網的穩定性，滿足車載智能化功能的需要，Qbatt要求為正值，即要求各工況測試結束后蓄電池處于充電狀態。

2.2 靜態電流的控制

根據汽車行業相關標準要求，車輛在駐車45天后仍應具備正常啟動功能。車輛的部分電氣化功能，如無鑰匙進入及啟動系統(PEPS)、電子儀表、車身控制器(BCM)和控制器類部件必須具備記憶、監控或其他功能。在車輛設計時，需要在車機芯片內設置相關回路，并考慮整車靜態電流。如果各控制器的靜態電流過大，蓄電池電量在短時間內消耗過大，容易引起車輛虧電。如果靜態電流設計過小，又會導致控制器的成本上升。因此，靜態電流的設計目標值需要與蓄電池的容量進行匹配。靜態電流目標值I靜的計算公式為：

式中，C20為蓄電池的20 h額定容量，單位A·h；Q0為車輛下線時蓄電池的實際容量與額定容量的比值，可取值90%；Q1為車輛正常啟動時蓄電池最低實際容量與額定容量的比值，汽油車型和混合動力車型可取值65%，純電動車型可取值50%；t為儲運時間，單位d，汽油車型和混合動力車型可取值45 d；蓄電池在1 d內的自放電率設定為1‰。

車輛在駐車期間，允許消耗的蓄電池電量值為車輛蓄電池初始容量值減去確保車輛正常啟動時蓄電池的最低容量值，同時該數值也可以表示為車輛靜態電流消耗電量與蓄電池的自放電電量的總和。因此，在設計階段，靜態電流設計必須滿足車輛在駐車期間的電量總消耗，以避免過耗電引起車輛虧電。

2.3 車輛用電智能化控制

隨著智能化和網聯化信息技術在汽車上的廣泛應用，整車電源系統的安全等級要求越來越高。遠程啟動、空間下載(OTA)及后臺推送等新興車載互聯系統功能的實現，也增加了車輛在駐車情況下的耗電需求。網聯化汽車異常耗電的潛在因素較為復雜，電源管理系統除了要延長蓄電池的壽命和滿足車輛正常啟動功能外，還要保證整車智能化功能用電環境的穩定與安全。因此，加強對網絡異常喚醒產生的虧電隱患的監控和管理和思考用戶場景科技體驗的用電管理已成為電源管理系統設計發展的新趨勢。新型防虧電控制系統的設計方法可以通過軟件控制策略實現對車輛的用電管理。

2.3.1 模式化管理

使用軟件進行車載電器功能的模式管理通常分為以下3種：①工廠模式管理。車輛在出廠前，須避免車輛有虧電情況的發生。工廠模式管理的主要功能包含自動下電、部分功能限制等。②運輸模式管理。車輛在運輸期間，須確保車輛的蓄電池電量滿足啟動需求。其主要功能包括自動下電、主動關閉迎賓功能和智能鑰匙監測功能，以及禁用與物流無關的功能等。③客戶模式管理。車輛在交付后，應能通過設備與整車管理系統的通信，開啟或關閉相關功能，確保用戶正常使用車輛。

在車輛交付給終端用戶前，通過軟件轉換不同模式可以實現車輛在各階段的功能用電需求測試，達到整車用電可控和整車電源系統可靠的目標。

2.3.2 整車網絡喚醒時間管理

隨著整車智能化技術的快速發展，車輛電氣系統越來越復雜，傳統的用電控制設計已無法滿足車輛用電的環境要求，需要通過采用新型的軟件來解決整車靜態耗電的監控和管理問題。

整車網絡喚醒時間管理的功能定義為：各模塊在整車設防后設置強制休眠時間上限，如設置某模塊強制休眠時間為5 min，除設防、解防、迎賓、報警和遠程啟動等有特殊功能需求的模塊外，整車在關閉狀態下不能開啟網絡喚醒功能，以防止整車網絡存在偶發的未休眠問題，引發蓄電池發生虧電，導致車輛啟動困難。

2.3.3 蓄電池用電提醒管理

針對車輛在使用過程中異常耗電及蓄電池健康狀態不佳的情況，需要通過整車防虧電設計策略進行有效管控，并通過儀表顯示或通過遠程信息處理器(T-BOX)向手機應用程序(APP)客戶端發送預警提醒，延長蓄電池的使用壽命，提高用戶的感知度。

蓄電池用電提醒管理的功能定義為：在自適應巡航控制系統(ACC)和車內所有電器處于供電狀態時，在車速為零的情況下，通過必要的控制策略，將蓄電池的儲存電荷能力(SOH)狀態在儀表上進行顯示，或通過T-BOX 在APP客戶端進行顯示。在SOH 狀態較差的情況下，在儀表上或APP 客戶端上顯示“蓄電池電量不足，請啟動發動機”等信息，提醒用戶車輛的蓄電池狀態不佳，避免蓄電池過度放電，甚至發生蓄電池嚴重虧電和車輛啟動困難的情況。蓄電池用電提醒管理策略如圖3所示。

圖3 蓄電池用電提醒管理策略

3 結語

本文從車輛設計和車輛使用兩個方面對車輛虧電的原因進行了分析，提出在設計源頭加強對車輛虧電原因進行合理有效的控制。在車輛設計階段，針對整車控制模塊采用模式化管理、網絡喚醒時間管理、用電提醒管理等優化策略，可以實現車輛電源系統的智能化管理，提高車輛電氣系統的穩定性，確保車輛始終處于可控的用電狀態，減少因車輛虧電引起的用戶用車體驗差的情況。