一種電動汽車車載鉛酸蓄電池補電方案及其軟件設計

尚小輝

(廈門金龍旅行車有限公司, 福建 廈門 361022)

隨著電動汽車智能化的不斷提高,車輛加裝的電子設備數量不斷增多,這些設備在車輛下鑰匙電后,維持其所需的靜態待機都需要傳統的車載低壓鉛酸蓄電池供電[1-3]。但是現階段鉛酸蓄電池的蓄電容量并未有明顯突破,在車輛長時間停運情況下,經常出現車輛無法啟動的問題。根據現有市場主流品牌和型號規格情況,選擇大容量的鉛酸蓄電池的改善效果并不明顯;如果增加鉛酸蓄電池數量,又存在增加車輛整備質量和成本、占用車輛布置空間等問題。

針對以上情況,本文給出一種開源的解決方案[4-12]?；谠撍悸返能浖验_發完成,并已實際應用。從近兩年的運行情況來看,系統運行穩定,達到預期設計要求。

1 鉛酸蓄電池補電功能架構及其軟件設計思路

1.1 功能架構

純電動汽車傳統的鉛酸蓄電池補電只能在車輛正常啟動后進行,在車輛下高壓電后只能靠鉛酸蓄電池自身的電量維持車輛低壓部件待機電耗。如果車輛長時間未使用,鉛酸蓄電池就會出現虧電問題。本方案根據電動汽車自身特點,依靠動力電池能量密度大、儲能高的優勢,將動力電池作為鉛酸蓄電池補電能量來源。配置方面需要在原有基礎上增加鉛酸蓄電池虧電檢測設備。該檢測設備由鉛酸蓄電池供常電,在車輛下高壓電后且非動力電池充電狀態時,自動啟動鉛酸蓄電池虧電檢測功能,同時通過硬線發送整車控制器進入補電狀態所需的喚醒、補電請求信號。整車控制器輸入端口需增加一路硬線數字信號通道,用于對補電請求信號的檢測。喚醒整車控制器的信號是通過鑰匙ON擋電實現,無需新增其他喚醒硬線信號端口;整車控制器在鑰匙ON擋信號和補電請求信號同時為高電平時,控制相關部件進入鉛酸蓄電池補電模式。涉及的高壓部件有動力電池、高壓配電柜、DC/DC模塊,整車控制器和這些部件通過CAN總線實現相關控制及信息交互。鉛酸蓄電池補電功能架構如圖1所示。

圖1 鉛酸蓄電池補電功能架構示意圖

1.2 軟件設計思路

本方案是基于整車控制器現有功能擴展實現的,因此首先要確保新功能不影響整車控制器的原有功能,從而在其軟件開發中要盡量減少軟件模塊的共用。新增補電功能后,整車控制器要實現車輛動力電池充電、正常使用、鉛酸蓄電池補電三種狀態的控制。這三種狀態屬于非共存狀態,所以在軟件控制流程中需要各自獨立,自成體系,同時要兼顧狀態優先級,以做好這三種狀態互相切換的安全策略。另外,為了確保鉛酸蓄電池補電過程安全,在此過程中整車控制器需實時關注動力電池及相關部件的運行狀態和故障情況,發現影響或者無法補電的情況時,要及時退出補電控制,并確保最終斷開動力電池高壓輸出。對于補電功能未涉及的其他車輛設備,在進入補電功能時,整車控制器要禁止發送與此類設備相關的高壓指令及低壓使能、喚醒、工作信號,如果是通過報文控制,在不影響補電功能的前提下,停發相關報文,確保不產生額外電耗及補電過程的絕對安全。

2 軟件實現方案及驗證

2.1 相關硬線輸入信號處理

整車控制器端被喚醒后,需要確定喚醒源及相關硬線信號,以確定要進入哪種狀態。如果被充電樁信號喚醒,即可進入充電控制模式。如果是被鑰匙ON擋信號喚醒,需要進一步確定是否有補電請求信號,如果沒有補電請求信號,即可進入車輛正常上電模式;如果有補電請求信號,需要進入鉛酸蓄電池補電控制流程。這三種狀態的優先級為:充電模式>車輛正常模式>鉛酸蓄電池補電模式。硬線信號處理流程如圖2所示。

圖2 整車控制器喚醒后相關硬線信號處理流程

2.2 上電策略

在控制上電前,需要先判斷車輛狀態、充電狀態是否滿足上電條件,同時動力電池必須滿足未報嚴重故障或者無下高壓請求。滿足條件即可控制動力電池高壓繼電器閉合,如果動力電池繼電器反饋吸合,就可以閉合DC/DC高壓繼電器,同時發送允許DC/DC工作的CAN報文指令,至此上電控制完成。需要注意,如果不滿足上電條件或者上電過程中存在相關繼電器超過等待閾值時間還未正確反饋時,需要及時終止此次上電,斷開動力電池高壓輸出,同時報故障。上電控制流程如圖3所示。

圖3 上電控制流程圖

2.3 下電策略

如果補電完成或者補電過程中出現故障就需要控制系統進入下電流程。下電時,先通過CAN報文發送禁止DC/DC工作指令,然后按照時序依次控制斷開DC/DC高壓繼電器和動力電池高壓繼電器,待鑰匙ON擋電斷開時即可進入休眠狀態。下電控制流程如圖4所示。

圖4 下電控制流程圖

2.4 故障響應策略

在故障檢測方面,除了要關注與補電功能相關的動力電池及相關設備故障情況,同時也要關注車輛的絕緣故障和煙霧檢測系統是否有報警。在本方案中,當發現有影響補電功能、動力電池故障或者車輛安全的報警時,整車控制器會控制參與蓄電池補電的相關部件進入下電流程,同時報故障,并通過儀表端進行提示。故障檢測處理流程如圖5所示。

圖5 故障檢測處理軟件流程圖

2.5 控制狀態轉換策略

按照圖6所示的方式控制補電過程的軟件走向和狀態之間的切換,在滿足相關跳轉條件時,只允許按照箭頭指向進行狀態切換。執行 “補電請求”時,除了被相關信號喚醒請求之外,在車輛“正常下ON擋電完成”,還未進入休眠時收到相關信號喚醒請求時,也可以進入補電狀態。在執行補電相關流程時,如果在補電過程中出現“正常上ON擋電”情況,要先進入“補電請求下高壓”狀態,待“補電請求下高壓完成”后,方可進入車輛正常上電流程。

圖6 控制狀態轉換示意圖

如果補電功能進入上高壓進程中還未完成相關控制操作,此時出現需要下高壓請求,必須待流程完成相關上高壓操作,進入“補電請求上高壓完成”后,方可開始響應下高壓請求。同樣,下高壓過程中如果出現上高壓請求,處理機制相同。通過此種處理方式,可以有效避免喚醒或者請求充電信號線束接觸不良,或者鉛酸蓄電池虧電檢測設備控制異常引起的相關信號頻繁切換導致的上下電混亂無序,及由此引發的高壓設備損壞風險。

如果補電過程出現故障引起下電,在“補電故障請求下高壓完成”后,整車控制器需維持當前狀態,不允許進入休眠狀態,避免控制進入休眠喚醒循環狀態。

2.6 實車采集數據驗證

傳統的上鑰匙ON擋電時的關鍵信號處理如圖7所示,處于此狀態時,鉛酸蓄電池補電請求信號為低電平,為無補電需求狀態。整個上高壓過程,除了給DC/DC上高壓,同時也需要給氣泵系統和電轉向系統上高壓,以滿足車輛運行需求。

圖7 傳統的上電過程關鍵信號曲線

本方案蓄電池補電過程的關鍵信號處理如圖8所示。處于此狀態時,鉛酸蓄電池補電請求信號為高電平,為補電需求狀態。與正常上鑰匙ON擋電不同的是,此模式下只需接通DC/DC的高壓,滿足補電需求即可,無需控制其他電附件上高壓。圖8左側上升沿部分顯示的是上電過程,中間為DC/DC在工作狀態給鉛酸蓄電池補電過程,右側的下降沿部分顯示的是下電過程。從圖8可以看出,整個鉛酸蓄電池補電過程控制完全按照設計預期進行。

圖8 本方案補電過程關鍵信號曲線

3 結束語

本方案的優點是依托現有車輛配置資源,以動力電池作為補電能量來源,通過整車控制器控制,在車輛停車或者閑置時對鉛酸蓄電池電量情況自動監測、自動控制補電、補滿電后或者遇到故障時自動斷電。實現了全程自動化控制、無人化操作,既解決了虧電問題,又未明顯增加車輛購買和使用成本,現已成為車輛的配置選項之一。