汽車智能電源控制系統(tǒng)研究＊

李兵楊殿閣孔偉偉連小珉

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室）

汽車智能電源控制系統(tǒng)研究＊

李兵楊殿閣孔偉偉連小珉

（清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室）

為解決汽車電器數(shù)量和功率的增加對汽車電源系統(tǒng)的影響，提出利用蓄電池電量分區(qū)來實現(xiàn)蓄電池保護方法，通過電器分通道獨立供電進行供電管理和短路保護，利用發(fā)電機智能控制和制動能量回收節(jié)約系統(tǒng)能耗。針對某款轎車開發(fā)了智能電源系統(tǒng)，試驗結(jié)果表明，該智能電源控制系統(tǒng)起到了蓄電池虧電保護、供電短路保護及制動回收等功能，可節(jié)約燃油約3.7%。

1 前言

近年來，隨著汽車電子和通訊技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子設(shè)備被應(yīng)用于汽車上，使得汽車總電氣功率越來越大，因此對汽車電源系統(tǒng)的性能要求也逐漸提高。汽車電氣系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗和排放隨功率的增大而增加，在節(jié)能和環(huán)保日益受到關(guān)注的今天，提高電源系統(tǒng)能量利用效率具有重要意義。另外，保證越來越大的電器功率供應(yīng)，提高供電安全，也是目前需要解決的主要問題。而蓄電池作為汽車供電系統(tǒng)中的主要儲能部件，也要對其啟動能力和健康狀態(tài)進行保護。

為解決上述汽車電源系統(tǒng)問題，目前已開發(fā)了蓄電池管理技術(shù)[1，2]、供電安全監(jiān)控與保護技術(shù)[3，4]、發(fā)電機智能控制技術(shù)[5]以及汽車能量管理系統(tǒng)[6，7]等相關(guān)技術(shù)。本文基于汽車電源管理技術(shù)，研究開發(fā)一種汽車智能電源控制系統(tǒng)，包括發(fā)電機智能控制、制動能量回收、通道獨立監(jiān)控和自動保護的汽車電器供電，以及蓄電池監(jiān)控和保護等功能，以實現(xiàn)提高汽車電源系統(tǒng)供電能力和安全性及降低能耗的目標。

2 汽車智能電源控制技術(shù)

燃油汽車的電源系統(tǒng)主要由發(fā)電機和蓄電池構(gòu)成，對電源系統(tǒng)的智能控制技術(shù)主要包括蓄電池監(jiān)控與保護、供電安全管理、發(fā)電機智能控制等3個方面。

2.1 蓄電池監(jiān)控與保護

電量估計是蓄電池管理的基礎(chǔ)，可通過蓄電池傳感器采集電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，結(jié)合汽車使用條件實現(xiàn)蓄電池的電量估計，其計算方法為：

式中，SoC為蓄電池荷電狀態(tài)，即相對電量值；U、I分別為蓄電池電壓與電流，其中電流以放電為正，充電為負；UF、IF分別為蓄電池充滿條件參數(shù)；IS為放電電流閾值；tS為時間閾值。

式（1）中，蓄電池電量根據(jù)不同條件按3種方式計算，第1種方式（式（1）中第1行）為充滿條件計算，當蓄電池充電電壓U高于UF、充電電流I小于IF時，即可認為充滿（本試驗中取UF=13.8 V，IF= 1 A），充滿時得到SoC=1；第2種方式（式（1）中第2行）為開路條件計算，當鎖車靜置時，蓄電池放電電流較小，可近似為開路條件，當放電電流I保持在IS以下的持續(xù)時長達到tS時（本試驗采用IS=0.1 A，tS=2 h）認為滿足靜置條件，則利用已標定的開路電壓公式FOCV（U）計算得到SoC；在上述2種條件均不滿足時，利用安時積分方法FAH迭代計算SoC，即利用第k次計算的SoC值和第k+1次測量的電流值計算新的SoC值（式（1）中第3行）。

圖1為蓄電池電量狀態(tài)區(qū)間劃分，式（2）為區(qū)間的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

由圖1和式（2）可知，蓄電池狀態(tài)sB按電量SoC大小劃分為虧電區(qū)SL、保留區(qū)SP、循環(huán)區(qū)SC和回收區(qū)SR等4個分區(qū)，其中SoCL、SoCP、SoCC為各電量區(qū)間的分界。當?shù)玫叫铍姵氐碾娏糠謪^(qū)后，就可以此為基礎(chǔ)進行蓄電池的分區(qū)保護，在不同的區(qū)間內(nèi)采取不同的充放電策略。

如表1所列，當蓄電池電量較充足位于回收區(qū)時，使蓄電池放電以保留制動能量回收的空間；當蓄電池位于循環(huán)區(qū)時，蓄電池處于充、放電循環(huán)狀態(tài)，即當充電達到循環(huán)區(qū)電量上限時切換為放電狀態(tài)，當放電達到循環(huán)區(qū)下限時切換為充電狀態(tài)，使蓄電池電量保持在循環(huán)區(qū)；當蓄電池位于保留區(qū)時，在發(fā)動機運行狀態(tài)下進行正常充電，當發(fā)動機關(guān)閉時進行1級放電保護，即關(guān)閉娛樂、舒適性負載；當蓄電池位于虧電區(qū)時，在發(fā)動機運行狀態(tài)下進行快速充電，當發(fā)動機關(guān)閉時進行2級放電保護，即關(guān)閉所有非必要的負載，盡量減少蓄電池放電量。

表1 蓄電池分區(qū)控制策略

2.2 供電安全管理

如圖2所示，汽車供電采用分通道獨立供電管理方式，將各用電負載按重要性、功能、功率劃分為D1、D2、…、Dm共m個不同的供電區(qū)域，各區(qū)域分別由C1、C2、…、Cm共m個獨立的供電通道進行供電，每一供電通道由1個智能繼電器模塊進行監(jiān)控和過載保護管理，以提高整車用電安全。

供電區(qū)域劃分主要原則為：首先將對于行駛安全影響差別較大的電器劃分入不同的通道，防止次要區(qū)域的供電故障對重要電器的供電發(fā)生影響；其次是功能和位置相近的電器盡量劃分到同一通道；另外，每一區(qū)域的電器總功率不能超出單通道的供電能力；最后，在滿足上述條件的情況下盡量采用較少的通道數(shù)量。

每個供電區(qū)域由1個獨立通道進行供電，各通道分別由1個通道管理模塊進行控制。通道管理模塊的功能主要是通道電流監(jiān)控和自動過載保護，管理模塊對電流的監(jiān)控可實現(xiàn)不同級別的過載保護，即：式中，Ai=0時表示第i通道供電關(guān)閉，即保護機制啟動，Ai=1為正常供電；Ii為第i通道的電流，由通道管理模塊進行監(jiān)控；Iˉi為第i通道的電流保護閾值，可根據(jù)該通道連接電器總功率預(yù)先設(shè)定。

通過上述方式進行分通道獨立供電，可以對整車電器進行有效監(jiān)控和分配，當電力不足時可以關(guān)閉部分電器供電以保證主要電器的使用，當有電器發(fā)生過流故障時也可即時關(guān)閉以保證電源系統(tǒng)的安全，且不影響其它通道的供電。

2.3 發(fā)電機控制

發(fā)電機是汽車電源系統(tǒng)中的能量來源，也是汽車電氣系統(tǒng)油耗產(chǎn)生的直接來源，因此是控制電源系統(tǒng)中能量流動的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的汽車發(fā)電機由于工作方式和輸出電壓固定，只能根據(jù)電池和負載情況被動調(diào)節(jié)，難以達到能量的優(yōu)化分配。智能電源系統(tǒng)中的發(fā)電機控制技術(shù)是根據(jù)對蓄電池分區(qū)和汽車運動狀態(tài)的識別，通過勵磁電流控制來動態(tài)調(diào)節(jié)發(fā)電機的工作模式，實現(xiàn)制動能量回收、能量的優(yōu)化分配以及蓄電池的電量控制。

智能電源控制系統(tǒng)中發(fā)電機的工作模式為：

a.關(guān)閉：關(guān)閉發(fā)電機的勵磁，發(fā)電機處于停止或空轉(zhuǎn)狀態(tài)，可以節(jié)約能耗；

b.正常：發(fā)電機處于正常工作狀態(tài)，輸出電壓為其額定電壓；

c.浮充：發(fā)電機輸出電壓降為電池浮充電壓，在保證電池電量的條件下降低能耗；

d.快充：提高發(fā)電機輸出電壓，對電池快速充電，制動時提高發(fā)電機能量回收功率。

智能電源系統(tǒng)通過與動力系統(tǒng)的通訊識別車輛狀態(tài)為起動、怠速/勻速、制動、加速或停轉(zhuǎn)（即發(fā)動機關(guān)閉時）等。

根據(jù)上述車輛狀態(tài)與蓄電池電量分區(qū)，發(fā)電機的工作模式按表2所示的策略進行控制。在制動時使用快充模式回收制動能量，若已充滿則改為浮充以減少能耗；而加速時在電量允許情況下關(guān)閉發(fā)電機，利用蓄電池供電以減少能耗，正常行駛時通過對發(fā)電機模式的調(diào)節(jié)使電量保持在循環(huán)區(qū)，既留出制動能量回收的空間，也保留足夠的電量供靜態(tài)條件下使用。圖3為應(yīng)用上述智能發(fā)電機控制策略時，發(fā)電機的電壓在不同行駛條件下的變化情況。

表2 發(fā)電機控制策略

3 汽車智能電源控制系統(tǒng)開發(fā)與試驗

3.1 智能電源控制系統(tǒng)開發(fā)

針對某國產(chǎn)轎車，按照上述方法開發(fā)了智能電源控制系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 中，智能電源控制器為核心控制部分，經(jīng)過改造的發(fā)電機的勵磁回路直接連接到控制器中的勵磁控制模塊；發(fā)電機和蓄電池的輸出端連接到智能電源的供電控制模塊，其輸出分5個通道連接到改造的保險盒，分別供給各電器，通道電器的分配如表3所列，其中第4通道和第5通道為舒適性和娛樂性電器的供電通道，在蓄電池虧電時可切斷其供電；在蓄電池負接線柱上安裝1個蓄電池傳感器進行蓄電池參數(shù)測量；控制器通過CAN總線與發(fā)動機ECU等進行通訊，獲取車輛狀態(tài)。

表3 供電通道劃分

3.2 試驗

完成上述系統(tǒng)的安裝后，對智能電源系統(tǒng)的功能進行了實車測試。圖5為供電管理功能試驗的1個實例，圖5a為5個通道的負載電流，圖5b為蓄電池電量變化情況。試驗中，在0～500 s時間段內(nèi)發(fā)動機不起動，打開各通道用電器，蓄電池電量逐漸下降；在時間約為500 s時，SoC下降到50%以下，進入虧電狀態(tài)，此時系統(tǒng)自動關(guān)閉了第4通道和第5通道的供電，第4通道和第5通道的電流為零，電量下降趨勢變緩；在600 s左右時，測試人員發(fā)動汽車，此時蓄電池開始充電，系統(tǒng)自動恢復(fù)了第4通道和第5通道的供電。試驗結(jié)果表明，安裝智能電源系統(tǒng)后可以實現(xiàn)不同供電區(qū)域電器的分通道獨立供電，并根據(jù)蓄電池的電量控制電器的供電通斷，避免了蓄電池的虧電現(xiàn)象。

圖6 為供電過載保護功能測試實例。本系統(tǒng)第5通道的過載電流設(shè)計為30 A，測試人員人為地增加該通道的電流，當電流增加到30 A以上并達到0.2 s時，系統(tǒng)過載保護功能啟動，自動切斷該通道的供電，電流降為零。試驗表明，智能電源系統(tǒng)的過載保護功能可以實現(xiàn)電路的過載和短路情況的保護，過載時間設(shè)置為0.2 s可以保留單個電器保險絲的熔斷時間的情況下盡量提高供電安全，同時其它通道的供電不受影響。

另外，進行了行駛油耗的對比試驗，試驗?zāi)M城市行駛工況進行，平均行駛車速約為20 km/h，最高車速約為50 km/h。采用智能電源控制和傳統(tǒng)供電方式的實時油耗對比結(jié)果如圖7所示，可見在相同的行駛里程內(nèi)，應(yīng)用智能電源控制的油耗較低，百公里油耗由傳統(tǒng)方式的11.07 L降低到10.66 L，節(jié)約燃油約3.7%。

試驗工況中有約9%的制動時段，在制動時智能電源系統(tǒng)控制發(fā)電機提高電壓到14.5 V，蓄電池充電電流可達55 A左右，同時并未產(chǎn)生額外的油耗，即系統(tǒng)回收制動能量的功率約為800 W?；厥盏哪芰績Υ嬖谛铍姵刂?，在其它工況下為電器供電，進而減少對發(fā)電機的使用，降低油耗。

4 結(jié)束語

針對燃油汽車的供電問題，綜合應(yīng)用蓄電池管理、供電監(jiān)控與保護、發(fā)電機智能控制等技術(shù)，開發(fā)了一種智能電源控制系統(tǒng)。試驗表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多通道獨立供電、蓄電池虧電保護、制動能量回收等功能，能夠有效地提高汽車供電安全性并降低油耗，且系統(tǒng)成本較低，因此具有一定的應(yīng)用價值。

1Meissner E，Richer G.Battery Monitoring and Electrical EnergyManagementPreconditionforFutureVehicle Electric Power Systems.Journal of Power Sources，2003，116:79～98.

2Meissner E，Richer G.The Challenge to the Automotive Battery Industry:the Battery Has to Become an Increasingly Integrated Component within the Vehicle Electric Power System.Journal of Power Sources，2005，144:438～460.

3張新豐，楊殿閣，薛雯，等.車載電源管理系統(tǒng)設(shè)計.電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（5）:209～214.

4張新豐，連小珉.全電子汽車系統(tǒng).汽車工程，2012，34（6）: 535～539.

5王忠，魏長河，王宇成，等.基于集成起動機/發(fā)電機的整車控制策略仿真研究.汽車工程，2010，32（4）:288～292.

6梁立學(xué).一汽奧迪A6L轎車蓄電池電源管理控制（上）.汽車維修技師，2006（4）:15～19.

7徐群群，宋珂，洪先建，等.基于自適應(yīng)遺傳算法的增程式電動汽車能量管理策略優(yōu)化.汽車技術(shù)，2012（10）:19～23.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2013年7月18日。

Research on Intelligent Automotive Electrical Power Control System

Li Bing，Yang Diange，Kong Weiwei，Lian Xiaomin
（State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation，Tsinghua University）

To protect the automotive power supply system from the adverse effect of addition of automotive electric appliance and power，a battery electricity partition method is proposed for battery protection is proposed，in which power supply is provided to electric appliance separately by different channels for power supply management and short-circuit protection，and intelligent generator control and braking energy recovery are applied to reduce system energy consumption. A car intelligent electrical power system is developed.Test results indicate that this system has functions of battery insufficient voltage protection，short-circuit protection and braking energy recovery，etc.，in addition this system can reduce fuel consumption of approx.3.7%.

Automobile Power Source,Battery Management,Power Supply Management,Alternator Control,Brake Energy Regeneration

智能電源控制系統(tǒng)蓄電池保護制動能量回收

U463.63

：A文獻標識碼：1000-3703（2014）02-0044-04

工信部電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金項目《汽車智能網(wǎng)絡(luò)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化》，國家863科技攻關(guān)項目《基于車聯(lián)網(wǎng)的車輛智能化技術(shù)研究》（編號：2012AA111901）。