如何解决电动车电池亏电及车辆故障的运输问题

朱玉龙

第一电动网】(特约作者 朱玉龙)纯电动汽车想要卖好是很不容易的,需要考虑私人用户使用的方方面面,这里继续把纯电动汽车使用过程中发生的问题进行梳理,这篇文章主要谈两点,12V电池亏电和故障/没电车辆的运输。

第一部分 12V电池亏电

12V电池是汽车里面重要的组成部分,也是整个电子控制系统的主要电源之一。当电池亏电的时候,对纯电动汽车会带来一些意想不到的问题。我们先来看看传统内燃机车辆的12V系统

1)传统内燃机汽车12V系统

传统汽车的供电系统是由汽车发电机和12V蓄电池两部分组成,发电机在发动机工作的时候提供电能同时给蓄电池充电,蓄电池呢提供启动引擎的能量,也是所有的电子模块常态的供电。

12V蓄电池在汽车启动时为起动机提供较高的启动功率,起动机转起来之后拖动发动机旋转,帮助发动机正常启动;在发动机启动以后起动机与发动机脱开,并与供电系统脱离。发动机运转带动发电机运行,对蓄电池进行补充充 电,与蓄电池一起对车载的所有电子电气模块供电;当汽车引擎不工作时,由蓄电池对整个系统供电。 发电机部分由交流发电机和调节器两部分组成。由于汽车发动机转速是在变化的,导致发电机的速度也在变化,在通常情况下的充电电压一般在14V左右,因此需要调节发电机内部磁场电流大小,转速低时调节的电流就大,转速高时调节的电流就小,使发电机输出较为稳定的电压。

传统车的常见问题,是电池老化、电池跑电或者天气较冷的时候之后,起动机启动不了,而一般需要通过外接12V电池启动的方式,然后就可以操作了。


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图1 传统汽车12V电源系统架构

2)纯电动汽车的12V系统

新能源车,不管是强混,插电/增程式混合动力,纯电动汽车,整个系统架构上都用DC-DC来取代原有的发电机,用高压的电机直接驱动车辆。整个12V电气架构的改变,使得原有12V蓄电池的使用特性产生了改变,它的作用就只变成了一个辅助能量单元,而不需要提供瞬时的高功率了。在较早的普锐斯HEV上面,12V电池就已经转换为AGM的铅酸电池,如图2所示。

DC-DC由于本身是电力电子控制部件,对电流和电压均可进行较精确的控制,所以可以实现对12V电池的能量管理,在这样的条件下,某些整车企业已经用12V锂电池代替原有的铅酸电池。

注:12V电源网络的常态工作电压是13.5V,所以一般也可称作14V。

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图2 新能源车12V系统概览

3)12V电池亏电对纯电动车辆的影响

实际上,正是由于新能源整个系统结构,特别是控制结构如图3所示,相对传统车要复杂一些,使得12V总线上的模块较多。我们可以预见到的情况是,由于几方面因素:

a)电子控制模块较多,假定传统的模块设定为1mA~5mA,总体的静态电流较大。

b)电子控制模块较多,CAN网络的睡眠唤醒机制较为复杂,特别是充电(快充和满冲)的时候,导致12V的蓄电池在传统停置的时候,需要给电较多。

c)模块的控制逻辑,特别是因为接入车联网的监控需求,使得车辆电子系统的逻辑跳转变得相对脆弱,可能在某些状态下没办法完全让车“休眠”。

所以根据这些判断以及国外车辆在使用过程中的一些投诉,比较高的可能性出现问题,就是在车不用一段时间(几天或者一周以上),这车可能在高压电池满电的情况下,就启动不了了。

细究里面的原因,主要是因为,虽然我们设定的模块正常工作电压通常是9~16V,亏电的铅酸/AGM电池一旦输出电流,电压就会继续持续往下掉,而使得DC-DC给电池补电的通路本身就需要12V电池来吸合控制继电器的线圈来维持触点闭合。所以按照老的经验,我们可能拿个电池上去Jump Start(并联或者串联均可),等到车辆启动起来,电池一拿走,车辆控制系统全部继续掉电关闭,如图3所示,高压电池维持输出需要保证接触器有足够的保持电压和电流供给,一旦电池不给力,这个系统还是会掉下去。

这个时候,其他的办法我们拿着外部的交流充电插头给车上高压电,就根本不会接收;如果上的是直流充电插头,这事情可能微妙一些,如图3所示,比如Combo和Chademo都是不给12V电给车辆,所以90%的车辆还是会继续趴窝;中国国标这块是设计有一个辅助电源,可是传统的国标乘用车一般不会用这路电源给车辆进行补电。

这个问题,随着车辆年岁上去,使用者不注意,问题会逐渐增多的。这里提一些可能的解决的办法:

I)当发生这个事情的时候,用额外的电池需要给车辆供一段时间的电,将车辆的Power Button,也就是高压系统启动起来,让DC-DC对电池进行一段时间的补电。

II) 车联网系统,在这个角色里面是很微妙的,当它工作给后台发送信息的时候,可以加入12V信息,如果出现苗头不对可以通知消费者。一般传统车可以停放的时候,新电池设计的时候考虑是90天以上,纯电动汽车这个时间可能达不到。

III)在车辆设计的时候,还是需要做静态电流控制和系统验证,当然12V电池的布置也很讲究,放在太难处理的地方也不好操作了;这个问题在德国的几家厂家给48V系统配置的时候,也注入了一个强制充电模式,很值得我们在这里考虑进去。

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图3 某纯电动车示意图和框图

小结:

1)满电趴窝这事情太郁闷了,消费者首先会莫名其妙,然后会抓狂的。推广大量之后,大家可能都会遇到的。

2)电池连多久,根据亏电的情况而定,操作起来也不方便,这事情另外一种做法就是配置12V充电机,成本花费也不低。

3)要是遇到要求换12V的蓄电池的情况,由于VCU一般有对12V电池的精确控制和检测,一般是没必要的。

第二部分 车辆故障状态的运输问题

2015年初,关于特斯拉Model S在中国拖车的事情闹得沸沸扬扬,最终是以特斯拉中国说明使用拖钩和牵引模式设置结束的。

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图4 特斯拉Model S的牵引模式拖车

我们深入挖掘这个事情,从参考文件1来看,其实是要求只能用平板车帮助,

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图5 特斯拉Model S的运输模式要求

假定如果我们像传统车的那样,将系统挂空挡,离合器断开,车辆空拖的时候,其实变速箱端是没有阻力的。当纯电动汽车拖车的时候,由于一般的设计,一般通常是采用单减速器直连,轮子的传动到电机之间没有离合器断开,拖车的过程中,电机就给拖拽起来了。纯电动汽车的空档只是通过控制电机驱动器不输出给电机扭矩,系统下电也只是将电池的输出禁止,而电机本身还和轮子永久连接的。

所以这事情可以分成几种不同的情况:

1)逆变器紧急拖车系统不工作,也就是说逆变器没有控制和供电

如图6所示,在这个状态下,IGBT的驱动电源撤掉以后,本身的工作就只有寄生的反向二极管,在这个情况下,我们可以看到电机转动发的电就会在逆变器上面进行整流,扩展到它能接触的总线上去。在速度较高的情况下,别的不说,逆变器的发热比原有更集中,特别某些峰值情况下,离开了液冷系统的情况下。

2)如果我们设计了紧急拖拽系统

如果想要把这个系统做好,之前是需要对所有牵涉相关的系统做诊断,我们要知道逆变器、液冷系统是否处在可工作的状态下。然后给系统上电,告诉系统进入特殊的拖拽模式下,并告知拖车的最高速度。在整车层面需要设计一个应急模式,限制在一定的拖车速度下,让整个散热系统工作,系统能量最好从散热系统和12V DC-DC走,这个功率通过控制可以限制在一定的范围之内。实际在开发过程中,是需要重新测量在这种被动模式下的流道的实际情况,往往热量都集中在了一起了。如果我们让高压电池去回收这些能量,有很多潜在的风险是需要去担的,特别是某些速度较高和变化区间。

未来这种模式的设计,会在越来越多的车上实现,毕竟限制拖车模式对推广量来说有一定的限制作用的。

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图6 电机反拖,逆变器关闭状态下的情况

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图7 Tesla Model S的P85D双电机配置

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图8 普锐斯的紧急拖车模式

本文小结

纯电动汽车推向私人客户的时候,会遇到很多的问题,面对不太会看用户手册的私家车主,加强教育和科普也是一项任重而道远的事情。

参考文件:

1.Tesla User manual https://www.teslamotors.com/sites/default/files/blog_attachments/ms_owners_guide.pdf

2.Tesla Emergency Guide

3.Prius User manual

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