纯电动汽车低压蓄电池亏电故障分析及其优化策略

黄祖朋 覃俊桦 邱鹏 鲍莹 戴永强

关键词：纯电动汽车;低压蓄电池;亏电;智能充电

0 引言

近年来，随着汽车电子电力技术快速向智能化发展， 大量的新型低压电子器件应用到了汽车当中，使得汽车低压电气系统的用电量大为增加。当前电动汽车上的低压电气系统通常都是由低压蓄电池（12V）供电驱动的，而因低压蓄电池亏电故障导致用户无法使用车辆的问题却频繁发生[1]， 用户抱怨非常严重。低压蓄电池亏电故障在给用户造成麻烦的同时， 也严重损坏了电动汽车企业的品牌形象。因此，找到解决这一问题的方法对于电动汽车生产企业具有重要意义。

1 纯电动汽车铅酸蓄电池亏电故障分析

1.1 纯电动汽车电气分析

纯电动汽车的电气系统由高压和低压两套电气系统组成（图1）[2]，高压电气系统主要用来给驱动电机以及PTC、压缩机等大功率器件供电，能量来源为高压动力蓄电池;低压电气系统则主要用于给汽车的小功率器件（比如娱乐系统、各种控制器等）进行供电，能量来源为低压蓄电池[3]。高压电气系统和低压电气系统的桥连点为DC/DC，在纯电动汽车整车处于起动（Ready）或者充电的状态下，低压蓄电池由高压电气系统通过DC/DC 转换器降压来实现充电补电。

1.2 纯电动汽车亏电故障及整车无法起动故障原因分析

纯電动汽车的低压电气模块比传统燃油车要多得多，由此可推断12V低压蓄电池亏电故障的主要原因可能为以下2点。

①纯电动汽车低压电子控制单元较多，总体的静态电流较大。

②纯电动汽车低压电子控制单元各节点的睡眠唤醒机制相对比较复杂，导致其很容易在OFF挡时，整车网络处于唤醒状态，持续消耗低压蓄电池电量，导致整车亏电。

当低压蓄电池处于亏电状态时， 其电压比较低， 通常低于9V，而车载器件/ 控制单元的正常工作电压范围通常在9～16V。因此低压蓄电池的低电压无法唤醒车载器件/ 控制单元，故不能让车载器件/ 控制单元正常工作，也无法起动车辆。

低压蓄电池亏电后，无法利用动力电池为其进行补电。因为动力电池通过DC/DC给12V低压蓄电池充电（补电）的前提是动力电池的电池管理系统（BMS）处于工作状态，主正、主负继电器吸合[4]。低压蓄电池亏电后无法唤醒BMS且无法提供足够的电压使继电器吸合，故而动力电池不能形成高压闭合回路，无法为低压蓄电池进行充电。

通过以上分析， 如果对低压蓄电池的电压进行实时监控，并在其电压降低到一定限值时及时唤醒高压电气回路对其进行补电，即可有效降低纯电动汽车低压蓄电池的亏电故障。

2 铅酸蓄电池智能补电策略设计

2.1 功能要求

①在整车OFF状态下对低压蓄电池的电压进行实时监控， 当电压低于一定限值时进入补电程序，避免对驾驶员的正常用车造成干扰。

②在给低压蓄电池补电前，通过APP、短信或微信小程序等媒介征得用户授权，让用户知晓整个补电过程的状况。防止在补电过程中用户或者其他人员（如维修人员）接触电气系统，造成人员触电风险。

2.2 设计方案

智能补电功能涉及到的零件包括远程终端（VT）、整车控制器（VCU）、电池管理系统（BMS）和直流/ 直流（DC/DC）转换器等，可在不增加或变更硬件设计的基础上，通过直接升级软件程序来实现智能补电功能。

2.2.1 智能补电流程

整车下电并且锁车后， VCU实时监控低压蓄电池的电压值，并通过VT上传到售后服务平台。当VCU监控到低压蓄电池的电压低于某一设定的限值时，售后服务平台通过APP、短信或微信小程序等媒介提醒用户车辆即将亏电，并请求进入智能补电程序。在获得用户授权后，VCU控制动力电池继电器吸合，并通过DC/DC将动力电池进行降压给低压蓄电池充电。低压蓄电池充满电后，VCU控制动力电池的继电器断开，补电结束，整车恢复正常OFF状态。

2.2.2 智能补电控制策略

（1）进入补电

整车下电、钥匙处于OFF挡时，VT定时唤醒网络，VCU监控低压蓄电池的电压情况。当低压蓄电池的电压低于某设定值时，通过APP、短信或微信小程序告知用户当前车辆有亏电风险，请求授权对蓄电池进行补电。在用户授权后，VCU对整车当前的状态参数，如挡位、驻车状态、电池SOC、DC/DC状态及动力电池温度等进行判断，确认符合蓄电池补电条件后发送补电命令给BMS和DC/DC。BMS控制继电器吸合，输出高压并经DC/DC转换后，以恒压充电方式给蓄电池进行充电。同时，整车进入智能补电状态后，通过APP实时告知用户车辆状态。

（2）退出补电

当智能补电达到既定的补电时间或者低压蓄电池的电压达到某一设定值后，VCU发送停止补电指令。这时BMS断开继电器，DC/DC停止工作，整车网络进入正常休眠状态，并通过APP提醒用户补电完成。

（3）异常处理

在补电启动时刻或者补电正在进行时刻，VCU对当前的整车和各参与节点的状态进行实时故障监控及诊断。当出现影响整车补电的故障或者操作时，VCU立刻发送停止补电指令，整车所有节点进入休眠状态，并通过APP通知用户整车状态并提供维修指导。

此外，由于整车在处于上电或者充电状态时，DC/DC会自动给蓄电池进行补电。因而当整车处于智能补电状态时，如果用户突然进行上电、充电等操作，车辆会立即退出补电程序，使车辆能够优先按照用户的意图进行上电和充电。

3 结束语

本文通过分析纯电动汽车低压蓄电池亏电的关键因素和故障原理，针对性地提出了一种为低压蓄电池进行智能补电的策略。即通过VCU实时检测低压蓄电池的电压，自动控制动力电池的通断来及时为低压蓄电池进行充电，将低压蓄电池的电压稳定在特定的安全区间内。

本文提出的策略可有效地防止或减少因低压蓄电池亏电故障造成的整车不能起动的问题。整车是在OFF条件下进行补电的，对用户正常用车不会造成影响，既提升了车辆的稳定性和可靠性、又保证了整车的安全性。此外，在智能补电的过程中，售后服务平台与用户进行了深度交互，让用户了解车辆的实时状态，给予用户良好的体验，这对于纯电动汽车的推广也大有帮助。