一种商用车铅酸蓄电池状态监控系统的开发

张文斌， 韩庆福， 范安军， 马永孝， 徐成竹， 张龙中

（北京福田戴姆勒汽车有限公司， 北京 101400）

1 前言

随着汽车电子技术的发展， 越来越多的电子产品应用到重型卡车上， 同时随着二氧化碳排放要求的提高以及能源的减少， 节能减排已经成为各主机厂面临的严峻问题。不断增加的用电器负载给蓄电池带来了巨大的挑战， 如独立热源、 驻车空调、 1000W逆变器等， 特殊工况或用户操作不当情况下， 蓄电池寿命会严重衰减， 蓄电池亏电也会导致车辆无法起动等市场抱怨。 同时， 遇到冬季来临， 蓄电池充放电性能下降， 各大主机厂蓄电池故障率明显攀升，为了解决蓄电池故障及其用户对蓄电池的合理应用， 因此，对蓄电池的参数进行监控成为行业需解决的一个重要问题，这也为后续的整车电能管理提供一个基础条件。

本文提供了一种商用车铅酸蓄电池状态监控系统， 对蓄电池的状态情况进行监控， 及数据存储与展示， 以及对亏电情况的报警， 以引起用户的注意， 蓄电池参数状态信息的监控及其相关控制将为实现整车的电源能量分级管理提供前期条件。

2 详细的技术内容

2.1 系统总体思路

一种商用车铅酸蓄电池状态监控系统的开发 （图1），系统由蓄电池传感器、 网关控制器、 车身控制器、 仪表、车联网系统组成。 蓄电池传感器采集并计算蓄电池的SOC、SOF、 SOH等参数信息； 网关控制器负责路由蓄电池参数LIN报文信息到PCAN线路， 以供系统中其它部件使用， 同时从PCAN接收BCU发送的蓄电池更换的参数配置信息路由到LIN线， 以供蓄电池传感器匹配使用； 车身控制器负责配置蓄电池变更的参数信息， 并将其发送到PCAN 线路； 仪表负责蓄电池监控的相关报警及蓄电池的SOC值的显示； 车联网系统由TBOX、 车联网平台、 手机客户端组成， TBOX负责将蓄电池的参数信息传送给车联网平台，车联网平台进行蓄电池的参数信息的存储、 展示及判断SOC值， 进行报警， 将报警信息传送给手机客户端， 以提醒用户注意。

图1 蓄电池监控系统

系统总体的功能实现蓄电池SOC、 SOF、 SOH等数据存储及电量低报警信息推送， 并进行电磁开关的控制， 以保证车辆的正常起动。 同时， 实现对蓄电池全生命周期的运行状态的监控。

2.2 技术方案

2.2.1 蓄电池传感器的开发

蓄电池传感器可实时监控蓄电池状态并对客户进行有效提醒， 通过连接在CAN/LIN节点上的车联网终端和后台网络系统， 对蓄电池的实时信息进行分析、 反馈， 也会为市场索赔提供数据支撑。 可帮助车辆最大限度地解决因蓄电池意外故障而导致的汽车故障， 实现最长电池寿命和最大化电池能效管理， 是整车电源管理功能实现的基础。

蓄电池传感器一般由极夹、 主体、 接线片等构成， 见图2。 其中主体构成包括： 上盖、 PCB、 壳体、 胶、 分流器电阻、 针脚； 其中电压传感器测量电路和温度传感器集成在PCB板上， 经过特定的电路排布， 再通过复杂的逻辑算法运算， 计算出蓄电池的工作温度、 输出电流和输出电压；其中的连接器有3个端子， 分别为24V、 12V、 LIN线。

图2 蓄电池传感器组成

蓄电池传感器通过极夹与蓄电池负极柱相连， 接线片搭铁， 通过CAN/LIN线与整车控制器相连 （连接方式见图3）， 并发送SOC、 SOF、 SOH等蓄电池相关参数， 详见下述功能。

图3 蓄电池传感器连接方式

1） 蓄电池传感器的监控功能。 监控SOC、 SOF及SOH等相关参数： ①蓄电池的充放电状态 （SOC）： SOC的定义非常直观， 通常以百分数的形式表示。 完全充电的电池SOC为100%， 完全放电的电池SOC为0%， 实际使用过程中是不允许蓄电池的SOC为0%的。 SOC值随电池的充电和放电时间而改变， 是一个由充放电引起的蓄电池充电状态的改变值。 ②蓄电池的功能状态 （SOF）： SOF是一个预测值，它预测了当前蓄电池能提供的最低起动电压。 功能状态考虑了蓄电池的老化程度、 温度、 内阻以及发动机起动所需的电流。 SOF对于启停系统而言非常关键， 直接关系到了相关控制策略。 ③蓄电池的健康状态 （SOH）： SOH直接反映电池的预期寿命， 是一个相对量， SOH用于判定电池老化过程， 可区分可逆和不可逆的老化过程。

2） 蓄电池监控的指标： 蓄电池的温度、 蓄电池的电压、 静态电流、 蓄电池的内阻等。

3） 支持休眠唤醒， 支持LIN唤醒。

2.2.2 网关控制器的开发

系统方案中的网关控制器主要负责将蓄电池的参数信息传送到整车CAN线路上， 以供整车蓄电池监控系统中各器件的应用； 同时， 将系统配置的蓄电池变更信息参数传送到LIN线路， 以供蓄电池传感器配置。 具体功能如下所述。

1） 网关的CAN 网络和LIN 网络间相互转换的功能：网关能够正确接收CAN和LIN网络协议格式的报文， 能够解析收到的报文数据； 能够根据各网段参数的需要， 按另外一种网络协议的格式将所需数据封装打包， 并按照该网络协议的要求发送到相应的线路上。

2） 网关CAN总线 （报文/信号） 路由功能： 网关能够根据预先编制的路由规则自动实现CAN总线上报文级别和信号级别的路由功能。 网关可以根据路由规则选择CAN报文直接转发， 或者拆分为信号和其它信号组合然后重新封装后转发， 或者根据特定的逻辑运算后转发， 包括对报文丢失、 超时等故障模式的处理。 网关在转发报文前应能够检测该报文是否已正常接收到最近周期报文， 如没有， 则不转发该报文。 路由表要可配置， 且有配套的软件工具进行配置。

3） 网关满足不同配置车辆网络需求： 网关应具有根据配置字来确定车辆的配置信息， 并根据车辆的配置信息确定车辆的CAN 网络架构， 自动调整相关的网络管理信息以及网络路由表， 且网关应具有长期存贮配置字的能力， 外置EEPROM存储配置字。

2.2.3 车身控制器的开发

车身控制器负责配置蓄电池参数变更信息， 并将其发送到整车CAN线路上； 同时， 在钥匙开关处在ON挡时， 车身控制器根据从CAN线路上接收到的蓄电池的SOC值及环境温度值， 判断蓄电池的状态， 并向CAN线发送蓄电池的状态报警信息。 具体功能如下所述。

1） 更换蓄电池参数配置信息： 当安装蓄电池传感器的车辆， 更换不同型号的蓄电池时， 蓄电池传感器内部需要重新配置蓄电池参数， 因此， 可通过诊断仪对车身控制器进行更换蓄电池的参数配置， 配置完成后，车身控制器向CAN线发送更换的蓄电池参数信息，以供网关路由给蓄电池传感器使用。 更换蓄电池时， 蓄电池传感器需配置参数见表1。

表1 更换蓄电池配置参数

2） 蓄电池电量低报警功能： 当钥匙开关处于ON挡时， 车身控制器根据接收到的整车不同环境温度下对应的蓄电池SOC值的大小与设定的SOC阈值进行比较。 若蓄电池电量偏低时， 车身控制器激活蓄电池电量偏低报警状态； 若蓄电池电量过低时， 车身控制器激活蓄电池电量过低报警状态， 并将报警状态发送到CAN线上， 以供仪表和车联网系统使用。

3） 电磁开关的控制功能： 当车身控制器接收到系统的蓄电池SOC值低于对应的阈值时， 车身控制器控制断开电磁开关， 以保证蓄电池电量消耗降低。

2.2.4 仪表的开发

仪表接收到车身控制器发送到CAN线上的蓄电池相关的报警状态时， 进行相关的文字报警与显示， 见表2。

表2 蓄电池故障报警

2.2.5 车联网系统的开发

车联网系统由TBOX、 车联网平台、 手机客户端组成。TBOX负责从整车采集相应的蓄电池参数信息传送给车联网平台； 车联网平台负责进行蓄电池参数的数据存储与展示，并对SOC值进行判断比较， 当发生蓄电池电量低状态时，向手机客户端推送报警信息， 同时储存报警信息； 手机客户端负责将接收到的蓄电池电量低报警信息以短信的方式推送给车辆用户， 并在手机客户端实时显示整车蓄电池电量SOC值及蓄电池健康状态SOH值。 车联网系统功能如下所述。

1） 整车蓄电池参数信息终端设备TBOX的采集与传送。

车辆在未上电状态时， 网关具备自唤醒功能， 可周期性地自唤醒将蓄电池参数信息从LIN线路由到CAN线， 以唤醒TBOX。 TBOX在车辆的未上电状态下可周期性地采集蓄电池的参数信息， 并传送给车联网平台。

车辆在ACC、 ON状态时， TBOX处于唤醒状态， 持续向车联网平台传送蓄电池参数信息。

2） 车联网平台蓄电池参数的存储、 展示及SOC电量低报警判断。

车联网平台收到蓄电池的参数信息， 进行数据存储，并对SOC、 SOF、 SOH等参数进行数据展示， 以便主机厂查看车辆蓄电池的全生命周期的使用情况， 便于掌握用户的操作习惯， 制定并优化整车电能使用的策略。

车联网平台通过采集的蓄电池SOC值及系统的环境温度， 进行蓄电池电量低的逻辑判断。 目前方案车联网平台对蓄电池电量低进行分级判断， 若蓄电池电量SOC值低于一级报警阈值时， 进行一级报警信息； 若蓄电池电量SOC值低于二级报警阈值时， 进行二级报警信息。 系统将报警信息存储， 并推送给手机客户端。

3） 手机客户端的报警与SOC、 SOH值显示。

手机客户端收到车联网平台推送的报警信息时， 车联网系统立即向车辆用户推送报警信息， 以提醒用户进行下一步对蓄电池的操作处理。 同时， 手机客户端显示蓄电池的SOC值、 SOH值， 以给用户一个直观的显示， 告知用户当前蓄电池电量值。

3 蓄电池监控的意义

1） 蓄电池监控系统： 面向车主， 通过手机客户端显示蓄电池SOC、 SOH信息及电量低报警提醒； 面向品质人员，通过后台数据存储与展示， 可对蓄电池的实时信息进行分析、 反馈， 也会为市场索赔提供数据支撑； 面向服务人员，通过报警提醒， 可快速找到相关问题的源头， 快速响应修理故障； 面向研发人员， 为后续的整车电能管理， 提供数据经验。

2） 预期效果： 降低客户操作不当引起车辆无法起动风险； 减少故障蓄电池责任判定纠纷； 降低客户抱怨； 延长蓄电池使用寿命， 降低蓄电池故障率。

4 总结

本项目基于企业平台车型的资源， 增加了蓄电池传感器， 借助平台车型现有资源， 制定了铅酸蓄电池监控系统的解决方案， 可以满足企业产品线上各类产品对蓄电池状态监控的功能实现。 该方案实现了对蓄电池全生命周期状态参数的监控， 及车联网平台对蓄电池参数的数据存储与展示， 同时对蓄电池电量低进行报警提醒， 以提醒用户注意。 该项目为后续整车电能的分级管控提供了基础， 为节能降耗、 节能减排起到了积极的作用， 具有重大的社会影响和意义。