內(nèi)燃機(jī)車輛電源管理系統(tǒng)及其維護(hù)

高照亮

(浙江水利水電?？茖W(xué)校,浙江 杭州 310018)

隨著內(nèi)燃機(jī)汽車上的電氣設(shè)備及電子裝置越來(lái)越多,高級(jí)轎車的平均總電功率從20世紀(jì)70年代不到500 W上升到2005年的3000 W,且還在不斷增加[1],因此汽車的用電安全越來(lái)越受重視,車載電源的管理問(wèn)題也越來(lái)越重要.本文以?shī)W迪A8D3轎車為例,介紹車載電源管理系統(tǒng)的主要管理功能、結(jié)構(gòu)組成、工作原理,探討電源及電源管理系統(tǒng)的維護(hù)方法.

1 電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路分析

奧迪A8D3轎車有70個(gè)電子控制單元,它們是通過(guò)一個(gè)網(wǎng)關(guān)J533和5條數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行彼此通訊的,見圖1.電源管理系統(tǒng)在車載電源和車載電力負(fù)載之間,對(duì)車載電源起到管理作用,通常由電源、電流傳感器、蓄電池溫度傳感器、能源管理控制單元、車載網(wǎng)絡(luò)、用電器及其控制器等組成[2].奧迪A8D3轎車的電源管理系統(tǒng)沒(méi)有電流傳感器和蓄電池溫度傳感器,其核心部件是能源管理控制單元J644,它接在舒適CAN總線系統(tǒng)上,基本電路見圖2.能源管理控制單元J644能夠持續(xù)地對(duì)蓄電池進(jìn)行監(jiān)控,它檢測(cè)蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)和啟動(dòng)能力;在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)控制單元J644調(diào)節(jié)著發(fā)電機(jī)輸出充電電壓,它還可進(jìn)行卸載及提升怠速;為了降低發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)靜態(tài)電流的消耗,能源管理控制器在特殊情況下通過(guò)CAN總線將用電器切斷,以此避免蓄電池過(guò)度放電.蓄電池切斷繼電器是蓄電池分離元件,它的任務(wù)是在發(fā)生撞車事故時(shí),切斷起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī).蓄電池切斷元件經(jīng)導(dǎo)線接收來(lái)自安全氣囊控制單元J234的觸發(fā)信息.

2 電源管理系統(tǒng)的功能及原理

能源管理控制單元J644有3個(gè)功能模塊,即蓄電池管理模塊、靜態(tài)電流管理模塊和動(dòng)態(tài)管理模塊.這些功能模塊在不同的車輛狀態(tài)下被激活.

蓄電池管理功能模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)蓄電池的診斷,它一直處于激活狀態(tài);靜態(tài)電流管理功能模塊的作用是在某些情況下將某些正在使用的用電設(shè)備關(guān)閉,它在發(fā)動(dòng)機(jī)靜止時(shí)處于激活狀態(tài);動(dòng)態(tài)管理功能模塊負(fù)責(zé)充電電壓調(diào)節(jié)以及卸載,它在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)處于激活狀態(tài).

圖1 奧迪A8 D3轎車的總線與網(wǎng)關(guān)

圖2 奧迪A8 D3轎車的電源管理系統(tǒng)基本電路

2.1 蓄電池管理

蓄電池電流和蓄電池工作時(shí)間是在控制單元里檢測(cè)的,蓄電池電壓是控制單元在蓄電池正極上測(cè)量得到的,蓄電池的溫度是采用一種數(shù)學(xué)算法計(jì)算出來(lái)的[3-4].

蓄電池啟動(dòng)能力以及當(dāng)前的充電狀態(tài)是在組合儀表里顯示的,這兩大部分的信息是靜態(tài)電流管理和動(dòng)態(tài)管理的基本數(shù)據(jù).當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),如果用電設(shè)備處于工作狀態(tài),則蓄電池就會(huì)放電.如果發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)能力因此受到影響,則多媒體界面MMI就會(huì)顯示啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求,以避免在之后的3 min內(nèi)系統(tǒng)被自動(dòng)切斷.

充電指示燈安裝在組合儀表的轉(zhuǎn)速表內(nèi),與以往Audi汽車不同,它受控于能源管理控制單元.

2.2 靜態(tài)電流管理

能源管理控制單元J644內(nèi)的靜態(tài)電流管理功能是在需要時(shí)促使用電器關(guān)閉.它是在15號(hào)線切斷或15號(hào)線接通、但發(fā)動(dòng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)被激活.

汽車熄火后必須減少靜態(tài)電流,這是為了讓蓄電池較少放電以保證汽車長(zhǎng)時(shí)間停放后還能正常啟動(dòng).當(dāng)蓄電池顯露出已處于極低的充電狀態(tài)時(shí),為了能向所有停止使用的用電器提供電能,就得關(guān)閉舒適系統(tǒng)和信息娛樂(lè)系統(tǒng)的用電器.一個(gè)控制單元控制下的哪些用電設(shè)備被切斷,是由切斷等級(jí)確定的.能源管理控制單元J644切斷用電設(shè)備有6個(gè)等級(jí).蓄電池的充電狀態(tài)越低,關(guān)閉的等級(jí)就越高.能源管理控制器通過(guò)CAN總線調(diào)整所需切斷等級(jí),并經(jīng)組合儀表告之司機(jī).在故障診斷時(shí)要注意,一個(gè)被激活的切斷等級(jí)可能成為功能受限制的原因.在能源管理控制單元的故障存儲(chǔ)器中,切斷等級(jí)的激活信息被作為故障保存,可以用診斷儀的“引導(dǎo)性故障查尋”功能在存儲(chǔ)器里找到.

根據(jù)車內(nèi)蓄電池的充電狀態(tài),能源管理控制單元將進(jìn)行切斷等級(jí)操作.切斷等級(jí)有如下作用:

切斷等級(jí)1:在舒適系統(tǒng)CAN總線上的用電器被關(guān)閉.

切斷等級(jí)2:除關(guān)閉舒適系統(tǒng)CAN總線上的用電器以外,對(duì)信息娛樂(lè)系統(tǒng)也將會(huì)進(jìn)行一些限制.當(dāng)靜態(tài)放電電流＞50 mA且停車時(shí)間超過(guò)3 h,切斷等級(jí)2會(huì)立即被激活.

切斷等級(jí)3:進(jìn)行降低靜態(tài)電流的操作.

在切斷等級(jí)1～3內(nèi),用電器會(huì)由車內(nèi)控制單元關(guān)閉,以避免蓄電池進(jìn)一步地放電.

切斷等級(jí)4:即運(yùn)輸模式,它是通過(guò)故障診斷儀來(lái)實(shí)施的.在運(yùn)輸模式下,汽車在長(zhǎng)時(shí)間停放以及運(yùn)輸過(guò)程中能夠極大地降低蓄電池的放電.在能源管理控制單元J644里有一個(gè)匹配通道來(lái)激活此功能.在通道1“運(yùn)輸模式”里,可選擇“0=正常方式”或者“1=運(yùn)輸模式”.在運(yùn)輸模式下,所有的舒適功能幾乎都會(huì)被關(guān)閉,以保證蓄電池在最長(zhǎng)的停留時(shí)間里不會(huì)放電.

切斷等級(jí)5:停車加熱系統(tǒng)會(huì)關(guān)斷.

切斷等級(jí)6:在此切斷等級(jí)下,蓄電池的電能僅夠啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)用,為了節(jié)省電流,控制單元不再以任何其它理由被喚醒.

能源管理控制單元J644在需要時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)總線發(fā)送必要的關(guān)斷等級(jí)信息,總線系統(tǒng)上接通的控制單元會(huì)根據(jù)所讀取的信息使各個(gè)切斷等級(jí)下所確定應(yīng)關(guān)斷的用電器停止工作.在相應(yīng)的切斷等級(jí)下哪些用設(shè)備被關(guān)斷,在控制單元里已被確定[3].

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后,除切斷等級(jí)4之外所有激活的切斷等級(jí)都會(huì)被撤消.當(dāng)充電器被連接到車內(nèi)蓄電池上時(shí),所有的切斷等級(jí)也同樣會(huì)被關(guān)閉.切斷等級(jí)的優(yōu)先級(jí)是按1-2-5-3-6的順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

2.3 動(dòng)態(tài)管理

動(dòng)態(tài)管理的作用是將能源合理地分配到各獨(dú)立的系統(tǒng)上,同時(shí)向蓄電池提供足夠的充電電流.它在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)起作用,其功能是蓄電池電壓調(diào)節(jié)、卸載、大功率加熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)、怠速提升、接入發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié).

(1)蓄電池電壓調(diào)節(jié)

在控制單元J644中,蓄電池管理器由蓄電池溫度及充電狀態(tài)獲得合適的發(fā)電機(jī)額定電壓值,這個(gè)額定電壓值被傳給動(dòng)態(tài)管理功能模塊,然后再通過(guò)數(shù)據(jù)電纜傳給發(fā)電機(jī),最后由發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器模塊進(jìn)行調(diào)節(jié).

在“引導(dǎo)性故障查尋”里,有數(shù)據(jù)閱讀塊用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)額定電壓,并由數(shù)據(jù)電纜檢測(cè)通訊情況.在診斷儀中,可以為達(dá)到診斷目的而改變發(fā)電機(jī)額定電壓.

(2)卸載

在發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程中,能源管理控制單元可按照發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的要求減少發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷.當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元提出卸載要求時(shí),為了降低發(fā)電機(jī)消耗的功率,能源管理控制第一步減少大功率用電器,第二步降低發(fā)電機(jī)電壓.為此,能源管理控制單元通過(guò)舒適系統(tǒng)CAN總線向自動(dòng)空調(diào)裝置控制單元J255發(fā)送要求,對(duì)諸如前窗玻璃加熱,座椅加熱,后窗玻璃加熱及PTC加熱等各種加熱系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié).

(3)怠轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提升

工程實(shí)踐中，裂紋的3種形式可單獨(dú)出現(xiàn)，同時(shí)可組合出現(xiàn)。由于張開型裂紋KI是工程實(shí)踐中引起結(jié)構(gòu)失效最為首要的形式，且最為普遍，故成為本文討論的重點(diǎn)。

為了優(yōu)化電網(wǎng)供電以及蓄電池的充電,能量控制單元J644可以要求發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元分步提升怠速轉(zhuǎn)速.

(4)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)

為了優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)的啟動(dòng)持性,在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中,能量控制單元J644將發(fā)電機(jī)消耗的功率降到最低.

(5)發(fā)電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

當(dāng)駕駛員打開后窗加熱系統(tǒng)時(shí),發(fā)電機(jī)電壓不會(huì)馬上升高,而是根據(jù)轉(zhuǎn)速及溫度在數(shù)秒鐘的時(shí)間內(nèi)延遲提高,以使發(fā)動(dòng)機(jī)被均勻加載.

3 電源及電源管理系統(tǒng)維修方法

故障診斷儀與汽車各控制單元之間的數(shù)據(jù)交換是通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的,這樣各控制單元的診斷數(shù)據(jù)通過(guò)各自的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)里,然后再由網(wǎng)關(guān)經(jīng)診斷插頭傳送到故障診斷儀中.

3.1 電源管理系統(tǒng)故障診斷

使用V.A.S5051或V.A.S5052診斷電源及其管理系統(tǒng)的方法如下:

首先接好診斷儀,接通點(diǎn)火開關(guān),選擇“引導(dǎo)型功能查尋”,再選擇“車輛系統(tǒng)或功能選擇”界面,繼而選擇“61-蓄電池控制”,進(jìn)入后,J644菜單見圖3,根據(jù)需要再選擇有關(guān)菜單.

圖3 進(jìn)入“61-蓄電池控制”后J644的菜單

(1)蓄電池診斷

在奧迪A8 D3轎車上借助能源管理控制單元對(duì)蓄電池進(jìn)行檢驗(yàn),不必對(duì)蓄電池進(jìn)行帶負(fù)荷檢驗(yàn).使用“引導(dǎo)性故障查詢”能夠激活“功能與部件選擇”菜單,選擇下拉菜單“蓄電池,電量檢查”,就可以進(jìn)行蓄電池測(cè)試.控制單元報(bào)告蓄電池的充電狀態(tài)、蓄電池內(nèi)電阻、電流流動(dòng)情況,同時(shí)計(jì)算出蓄電池是否正常、是否需要充電或是否需要更換.

(2)讀取歷史數(shù)據(jù)

使用V.A.S5051/2診斷儀可以從J644中讀出數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)對(duì)于分析車上供電狀態(tài)和蓄電池是否老化等有很大幫助.

(3)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)塊

在數(shù)據(jù)塊里能夠通過(guò)“引導(dǎo)性故障查詢”調(diào)出如下測(cè)量值,為分析電源管理系統(tǒng)的故障提供依據(jù):

①發(fā)電機(jī)額定電壓

②蓄電池電壓

③流入或流出蓄電池的電流

④蓄電池溫度

⑤充電狀態(tài)

⑥靜態(tài)電流平均值

⑦發(fā)電機(jī)通訊狀態(tài)

⑧應(yīng)急切斷

⑨靜態(tài)電流切斷

⑩蓄電池內(nèi)電阻

(4)查詢故障代碼存儲(chǔ)器

當(dāng)選取“J644-能量管理,查詢故障代碼存儲(chǔ)器”菜單后,能源管理控制單元里就會(huì)報(bào)告故障記錄,例如發(fā)電機(jī)機(jī)械故障、發(fā)電機(jī)電力故障等.在相應(yīng)故障記錄的數(shù)據(jù)里有更詳明的信息可供使用,如故障存儲(chǔ)時(shí)的里程狀態(tài)及發(fā)生日期.

(5)更換控制單元

更換控制單元時(shí),由于新的控制單元設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值為:充電狀態(tài)(SOC)為80%,老化引起的容量損失為0Ah,所以原車上的蓄電池的編碼和歷史數(shù)據(jù)必須覆蓋到新的控制單元EEPROM內(nèi)部,否則會(huì)引起靜電流管理系統(tǒng)中的電氣設(shè)備調(diào)節(jié)回饋滯后或延遲接通,控制單元在工作時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差.

(6)發(fā)電機(jī)電壓控制元件測(cè)試

該菜單功能是測(cè)試發(fā)電機(jī)與J644之間通訊是否正常.使用元件測(cè)試可以將發(fā)電機(jī)給定電壓調(diào)整為兩種:發(fā)電機(jī)給定電壓15.OV和發(fā)電機(jī)給定電壓13.5V.用元件調(diào)整的發(fā)電機(jī)給定電壓可以在發(fā)電機(jī)或蓄電池上測(cè)量.

(7)能量管理控制單元測(cè)量空載電流

菜單“能量管理控制單元測(cè)得的空載電流”的功能是測(cè)試車輛在進(jìn)入睡眠模式時(shí)空載電流的多少,正常值應(yīng)在50 mA以下[5].

3.2 奧迪A8 D3轎車蓄電池的維護(hù)

(1)蓄電池充電

利用外部充電設(shè)備給蓄電池充電時(shí),充電設(shè)備的輸出端正極電極鉗必須正確地夾在蓄電池正極上,輸出端負(fù)極電極鉗應(yīng)跨接在能源管理控制單元外部啟動(dòng)接頭上,切勿直接接到蓄電池的負(fù)極上.原則上蓄電池應(yīng)在車上充電,這樣能源管理控制單元就可以在計(jì)算蓄電池充電值時(shí)計(jì)入這部分流入的電流.

為了避免使用外部充電設(shè)備充電時(shí)損壞車內(nèi)車載網(wǎng)絡(luò),原則上禁止對(duì)車內(nèi)蓄電池進(jìn)行快速充電,如充電電壓高于14.8 V.因?yàn)槟茉垂芾砥鳠o(wú)法記錄快速充電的數(shù)值,也就無(wú)法確定蓄電池充電狀態(tài)和預(yù)測(cè)啟動(dòng)性能.

(2)更換蓄電池

由于在更換蓄電池前,儲(chǔ)存在電源管理器的EEPROM中的數(shù)值是舊蓄電池的充電狀態(tài)和舊蓄電池的老化引起的容量損失,所以在更換蓄電池時(shí),必須對(duì)能源管理控制單元進(jìn)行編碼.新蓄電池必須經(jīng)過(guò)診斷儀的檢測(cè).在引導(dǎo)性故障查詢系統(tǒng)里,由蓄電池管理器的自診斷系統(tǒng)提供了“蓄電池編碼”菜單供使用.編碼時(shí)須提供蓄電池的序列號(hào).序列號(hào)就標(biāo)在蓄電池上.

(3)外部啟動(dòng)

利用外部電源啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)線的地線接在能源管理控制單元外部啟動(dòng)接頭上,正極線接在外部啟動(dòng)夾鉗上.

[1]張新豐.車載電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009,24(5):209-213.

[2]廖曉軍,何莉萍.電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車工程,2006,28(10):961-965.

[3]汪學(xué)森,汪學(xué)慧.電源管理系統(tǒng)及故障診斷[J].汽車維護(hù)與修理,2008,68(5):66-67.

[4]李成學(xué),丁 磊.電動(dòng)汽車蓄電池組管理系統(tǒng)及其狀態(tài)檢測(cè)[J].蓄電池,2009,46(4):80-83.

[5]上海研華公司.車載電源控制和電源設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2009,22(8):104-105.