新能源电动车的低压电源管理策略分析

董晓玲，董超，付金勇，刘震，李函,任昂

(北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 101300)

0 引言

近年来随着新能源汽车的快速发展，随之而来的是在用户使用过程中出现了各种由于低压系统亏电导致整车高压部分无法上电的问题。为了保证用户正常使用，同时做到节省能源。本文作者对新能源电动车低压电源管理进行了分析，并提出相应的优化策略。

1 新能源电动车低压电源管理系统构成

新能源电动车低压电源管理系统包含车载相关零部件和控制策略软件。低压电源管理系统拓扑如图1所示，主要由车辆控制单元(VCU)、BMS(高压电池管理系统)及高压电池、DC/DC控制器、低压12 V铅酸蓄电池、LIN接口蓄电池状态传感器(EBS)、BCM控制器、TBOX模块及低压负载系统共同构成[1]。控制算法软件功能包括：静态电流监控与管理策略、负载分级管理控制策略、DC/DC管理控制策略和跛行控制策略。

图1 低压电源管理系统拓扑

新能源电动车整车电源状态可以分为OFF、ON、HVON、RUNNING。OFF状态为点火开关OFF挡位，ON状态为点火开关ON挡电源但高压未上电，HVON状态为点火开关ON挡并且高压上电，RUNNING状态为车辆运行。新能源电动车低压电源管理策略相互跳转机制如图2所示。

图2 低压电源管理策略跳转图

2 新能源电动车低压电源管理策略的工作原理及流程

2.1 静态电流监控与管理策略

车辆静止时，电源模式为OFF，开始启动静态电流监控与管理策略软件模块。静态电流监控与管理策略软件会首先监控车辆低压蓄电池的实际SOC1状态，对比下次车辆上电需要的低压蓄电池的SOC2数值(各OEM根据车辆的实际情况设定)，当SOC1/SOC2>2时，BCM会按照每3 d(72 h)检测一下当前车辆的低压电池SOC1值。当1

图3 车辆静态电流监控与管理流程

2.2 负载分级管理控制策略

电源模式处于ON状态，此时如果整车的部分低压用电设备在运行，当发现低压蓄电池的电量低于设定阈值SOC3时，仪表会进行相应的声音和文字提示，车辆低压电源电量低，请求接通DC/DC。如果驾驶员未进行任何进一步操作，低压电源管理系统将按预先设计关断顺序进行用电设备切断措施，通过CAN网络发送相应的禁用等级和功能，各控制器收到CAN信号后执行相应的关闭策略。切断的负载主要设定为与安全无关的大功率舒适型负载，对舒适型大功率负载功能进行分等级限用。可以根据低压蓄电池不同的SOC等级，对应切断不同负载，一直到所有可禁用功能都禁用为止，这样可以更加有效地利用电源的能量。当DC/DC接通给低压电池充电或低压蓄电池电量超过设定SOC4阈值时，关闭分级切断负载功能。

舒适型负载分级可以根据低压蓄电池不同SOC等级，设定不同的负载切断要求，如鼓风机挡位由高到低，座椅加热通风由高到低，后视镜加热，方向盘加热由高到低，风扇的速度由高到低。部分与安全无关的灯光负载等进行分级管理控制，负载分级管理控制策略流程图如图4所示。

图4 负载分级控制策略流程

2.3 DC/DC管理控制策略

当车辆处于HV ON状态时，高压系统已经开始运行，DC/DC可以开始工作，将高压电池的电能转化为低压电能。此时需要结合DC/DC的输出效率特性，尽量让DC/DC工作在最佳效率范围内，提高电能转换效率。当整车用电负荷较低，且低压蓄电池的SOC储备充足时，控制DC/DC不输出，由低压蓄电池给低压用电设备供电;当整车用电量升高到I1或低压蓄电池的SOC5低于设定阈值时，DC/DC开始工作，并且给用电设备供电同时给蓄电池充电。DC/DC控制流程图如图5所示。整车在运行时，如果负载设备用电量过高，DC/DC全功率和低压蓄电池同时给低压用的设备供电，当检测到低压蓄电池的SOC低于设定阈值时，将启动负载分级管理控制策略[2]。

图5 DC/DC管理控制流程

2.4 跛行控制模式

系统检测到DC/DC系统出现故障时，如过压、欠压、不输出等故障形式，VCU系统会根据DC/DC功能安全等级对DC/DC采取不同的控制措施。一旦出现危害功能安全等级较高的故障出现，系统会切断DC/DC输出，并发出警告。此时低压电源管理系统将会直接切断与行驶及安全无关的所有低压电器系统。保障车辆的跛行模式，坚持将车辆停靠到安全地带。有些OEM会要求低压电源能满足2 h的跛行行驶的能量。有些OEM会要求低压电源提供满足5 min行驶能量，可以使车辆靠边停车。这个数值也根据不同OEM有不同的定义，这些不同的要求会导致低压蓄电池电量选型及整个过程中充电SOC设定的不同。

3 新能源电动车低压电源管理策略分析

在应用过程中需要结合电动车低压电池容量、整车的低压用电情况、DC/DC控制器的输出特性等方面，制定相应的各点阈值。

如某电动车的低压电池采用容量为45 Ah的铅酸蓄电池，在静态电流监控与管理时，为了保证车辆下次高压系统能够上电，需要设定SOC2的阈值。如果是普通的铅酸蓄电池，不宜深度放电，SOC2可以设定为40%～50%，如果是锂离子电池深度放电特性较好，可以将SOC2设定为20%～25%[3]。由于这个车型采用的是铅酸蓄电池，设定SOC2为40%。

负载分级管理控制策略需要设定实施负载分级切断的蓄电池电量SOC3，这个车型可以设定SOC3值60%。当蓄电池电量低于60%时，开始以顺序停用Level1级的用电设备;低于50%时，开始停用Level2级的用电设备;低于40%时，开始停用Level3级的用电设备。如果DC/DC开始给低压蓄电池充电，当蓄电池SOC>SOC4时，SOC4设定为65%，停止负载分级管理断开策略。

DC/DC控制策略需要设定负载电流I1，可以根据车辆选用的DC/DC输出效率情况如图6所示。

图6 常温下DC/DC(360 V/13.5 V)输出效率曲线

可以看出在常温下DC/DC输出电流在30 A左右时输出效率可以达到约95%，DC/DC输出效率还与温度等因素有关，综合考虑得出一个合理数字。这里A1阈值设为30 A。蓄电池是需要有比较多的剩余电量才能给低压用电设备供电，所以此车设置SOC5为80%。即当低压蓄电池SOC>80%时，且用电器的电流小于30 A时，在VCU允许的情况下，DC/DC可以不工作，达到节省能量的目的。这里选用的DC/DC最大发电电流IMAX为150 A。当整车低压用电量高于DC/DC以最大工作电流，DC/DC和蓄电池共同给用电器供电，且蓄电池电量低于60%时，会启动负载分级管理控制策略。

当车辆出现DC/DC系统出现故障进入跛行控制模式，系统会发出LIMP HOME的信号，各系统收到信号会自行切断与行驶和安全无关的其他用电设备，仅保留行驶和安全相关的低压用电设备。

4 结束语

文中对新能源电动车的低压电源管理系统控制进行了分析，介绍了相应的控制策略，为后续车型开发提供参考。文中还存在有待完善的地方，如何通过电源管理控制策略在蓄电池选时减小蓄电池容量，以及在静态情况下高压充电的安全管理机制还需要完善。