汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)

田光輝

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川 遂寧 629000）

汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)

田光輝

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程系，四川 遂寧 629000）

發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接方式固定，輸出電壓只能根據(jù)蓄電池荷電量和負(fù)載功率大小被動(dòng)且有限調(diào)節(jié)，因而輸出電壓只能在一定范圍內(nèi)基本穩(wěn)定，難以使發(fā)電機(jī)到達(dá)最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.文章在深度剖析發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、工作模式、控制模塊基礎(chǔ)上，通過建立汽車電源系統(tǒng)控制策略，只需對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行適度的智能化改造，就能實(shí)現(xiàn)適時(shí)、在線、全工況條件下對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)，確保發(fā)電機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.

汽車電源；智能；控制系統(tǒng)；研發(fā)

隨著汽車電控和數(shù)據(jù)總線技術(shù)的快速發(fā)展，大量娛樂性、舒適性電器應(yīng)用到汽車上，在增加用電設(shè)備功率同時(shí)必然要求提高發(fā)電機(jī)的輸出功率否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)負(fù)荷過大.目前發(fā)電機(jī)多為勵(lì)磁式，作為汽車主電源，其輸出電壓由電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，而且發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)之間通過帶傳動(dòng)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行，發(fā)電機(jī)始終處于運(yùn)行狀態(tài)，這必然在消耗發(fā)動(dòng)機(jī)能源同時(shí)導(dǎo)致對(duì)蓄電池的過充電，必然縮短蓄電池的使用壽命.因此研發(fā)汽車電源智能控制系統(tǒng)既滿足發(fā)展、需求的需要，又具有節(jié)能、降耗的現(xiàn)實(shí)意義.

1 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

通過對(duì)汽車電源進(jìn)行智能控制系統(tǒng)的研發(fā)，可實(shí)現(xiàn)：

（1）穩(wěn)壓輸出電壓.汽車電子設(shè)備對(duì)電壓波動(dòng)很敏感.因此，為確保其正常工作就要求發(fā)電機(jī)的輸出電壓波動(dòng)幅值必需精準(zhǔn)控制在0.1V以內(nèi).

（2）調(diào)節(jié)輸出電壓.發(fā)電機(jī)的輸出電壓只能在一定范圍內(nèi)基本穩(wěn)定，不能確保全工況條件下獲得最優(yōu)性能.通過建立汽車電源智能控制系統(tǒng)策略，對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行適度的智能化改造，從而實(shí)現(xiàn)適時(shí)、在線、全工況對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的調(diào)節(jié)，確保發(fā)電機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.

（3）節(jié)約能源.在滿足汽車用電設(shè)備使用安全和負(fù)荷需求前提下，盡可能降低發(fā)動(dòng)機(jī)能耗；以蓄電池荷電量狀態(tài)參數(shù)和車輛運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)為控制基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)控制策略，使發(fā)電機(jī)獲得最優(yōu)工作性能，從而實(shí)現(xiàn)既有效保護(hù)蓄電池，又實(shí)現(xiàn)能量回收.

2 汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)

2.1 控制策略

汽車電源智能控制系統(tǒng)是根據(jù)蓄電池荷電量狀態(tài)和車輛運(yùn)行狀態(tài)，控制發(fā)電機(jī)以最適當(dāng)?shù)墓ぷ髂Ｊ竭\(yùn)行，以達(dá)到最優(yōu)性能.因此，蓄電池荷電量狀態(tài)和車輛運(yùn)行狀態(tài)是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)智能控制的基礎(chǔ).

2.1.1 蓄電池智能控制策略

蓄電池監(jiān)控與保護(hù)是汽車電源智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在分析處理蓄電池傳感器采集到的電壓、電流、溫度等信號(hào)基礎(chǔ)上，對(duì)蓄電池的荷電量進(jìn)行估算和能量狀態(tài)區(qū)間進(jìn)行劃分（通常按荷電狀態(tài)分為能量回收區(qū)、能量循環(huán)區(qū)、能量保留區(qū)、能量虧電區(qū)）.以此為基礎(chǔ)制定出不同的區(qū)間采取相應(yīng)的充放電策略，借助此策略對(duì)蓄電池進(jìn)行監(jiān)控與保護(hù)，蓄電池智能控制策略如表1所示.

表1 蓄電池智能控制策略

2.1.2 發(fā)電機(jī)智能控制策略

發(fā)電機(jī)是汽車電源智能控制系統(tǒng)的核心，由于發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接方式是固定的，輸出電壓只能根據(jù)蓄電池荷電量和負(fù)載情況被動(dòng)調(diào)節(jié)，其值在一定范圍基本穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.汽車電源智能控制系統(tǒng)是以蓄電池智能控制策略為基礎(chǔ)，結(jié)合汽車運(yùn)行狀態(tài)等多種參數(shù)檢測(cè)、處理，運(yùn)用信息反饋原理，針對(duì)蓄電池電量狀態(tài)和汽車運(yùn)行狀態(tài)組合得到若干個(gè)二維狀態(tài)空間，發(fā)電機(jī)智能控制策略以每個(gè)二維狀態(tài)空間為基礎(chǔ)，通過實(shí)時(shí)、在線、全工況控制發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)至最優(yōu)的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)準(zhǔn)控制和能量回收，發(fā)電機(jī)智能控制策略如表2所示.

表2 發(fā)電機(jī)智能控制策略

2.2 汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)

結(jié)合蓄電池和發(fā)電機(jī)控制策略，研發(fā)出汽車電源智能化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示的.

圖1 汽車電源智能控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.2.1 主要特點(diǎn)：

（1）以智能電源控制系統(tǒng)為控制核心，經(jīng)過改造后的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈控制電路直接連接到智能電源控制系統(tǒng)中的勵(lì)磁線圈智能控制模塊上.

（2）智能供電模塊采用分通道獨(dú)立供電管理方式，將各用電負(fù)載按重要性、功能、功率劃分為多個(gè)不同的用電設(shè)備，從而對(duì)整車電器進(jìn)行有效監(jiān)控和分配，每個(gè)供電通道由1個(gè)智能斷電器模塊進(jìn)行監(jiān)控和過載保護(hù)，以確保整車用電安全.

（3）蓄電池智能傳感器連接在智能蓄電池和智能電源控制系統(tǒng)的負(fù)極柱上，可準(zhǔn)確測(cè)定蓄電池的荷電狀態(tài)（簡(jiǎn)稱SOC）和技術(shù)狀態(tài)（簡(jiǎn)稱SO H）；車輛運(yùn)行狀態(tài)傳感器與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元ECU等車輛控制器之間建立信息中心，獲取車輛的適時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù).

（4）智能電源控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線（CAN、L I N）與發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元（ECU）等進(jìn)行信息通訊，獲取車輛狀態(tài)參數(shù).

2.2.2 智能蓄電池結(jié)構(gòu)及傳感器

智能蓄電池是在普通鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)上增加了安全蓄電池接線柱（簡(jiǎn)稱SB K）、智能傳感器組簡(jiǎn)稱I BS、觸發(fā)模塊、蓄電池電纜監(jiān)控系統(tǒng)等組成，在實(shí)際應(yīng)用中還需要通過其它傳感器獲取相應(yīng)參數(shù)，并通過串行數(shù)據(jù)線（簡(jiǎn)稱BSD）進(jìn)行通訊聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.SB K柱通過專用連接器直接與蓄電池正極連接在一起，若出現(xiàn)事故，瞬間引爆SB K柱，斷開啟動(dòng)機(jī)、蓄電池、發(fā)電機(jī)三者之間的連接電路，將可能發(fā)生燃燒爆炸的危險(xiǎn)降至最低；若出現(xiàn)事故，觸發(fā)模塊給SB K柱一個(gè)引爆信號(hào)；蓄電池電纜監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)控蓄電池電纜不正常的狀態(tài)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)傳輸線將其狀態(tài)參數(shù)傳輸給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，確保車輛更加安全可靠；智能蓄電池傳感器是在普通傳感器基礎(chǔ)上增加智能芯片，它是智能電源控制系統(tǒng)中最重要部件之一，安裝在蓄電池負(fù)極，通常由機(jī)械元件、智能芯片和軟件等組成，其內(nèi)部含有微控制器（簡(jiǎn)稱μC，一種機(jī)電式部件），主要用于連續(xù)測(cè)量蓄電池電壓、蓄電池充電/放電電流和蓄電池電解液溫度等參數(shù).

圖2 智能蓄電池架構(gòu)示意圖

2.2.3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈控制電路的設(shè)計(jì)

在借鑒國(guó)內(nèi)外汽車發(fā)電機(jī)智能控制原理基礎(chǔ)上，剖析發(fā)電機(jī)控制現(xiàn)狀，結(jié)合汽車電源智能化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，本著實(shí)用、簡(jiǎn)化原則，對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈控制電路進(jìn)行了適度的設(shè)計(jì).（1）不改變發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與連接方式，只對(duì)其勵(lì)磁線圈電路進(jìn)行電控，（2）對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆分：保留三相交流發(fā)電機(jī)和整流器作為發(fā)電部分不變；而將勵(lì)磁線圈作為用電器進(jìn)行智能化改造，確保發(fā)電機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.（3）取消原發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器，增加勵(lì)磁線圈智能控制模塊，用勵(lì)磁線圈智能控制模塊對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)全工況模式下工作模式的自動(dòng)切換.發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈智能控制模塊如圖3所示.

圖3 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈智能控制原理圖

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈智能控制原理圖主要由交流發(fā)電機(jī)、電壓采集模塊和電壓比較模塊和功率三極管等組成，以勵(lì)磁線圈智能控制模塊為核心，以參考電壓原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將功率三極管串聯(lián)在勵(lì)磁線圈搭鐵端從而控制勵(lì)磁線圈電路的接通與斷開.電壓采集模塊適時(shí)采集發(fā)電機(jī)的輸出電壓并將該電壓反饋至控制模塊，同時(shí)將發(fā)電機(jī)輸出電壓送至電壓比較模塊；電壓比較模塊將反饋電壓與參考電壓進(jìn)行比較、分析，控制三極管基極電壓，進(jìn)而控制三極管通斷，從而控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈電路的接通與斷開.只要合理設(shè)定參考電壓原始數(shù)據(jù)，就可以適時(shí)、在線、全工況下對(duì)發(fā)電機(jī)工作模式及其輸出電壓進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，確保發(fā)電機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.

4 驗(yàn)證

針對(duì)以上設(shè)計(jì)，需要在仿真試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行汽車發(fā)電機(jī)工作模式轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)、汽車發(fā)電機(jī)穩(wěn)定輸出電壓調(diào)節(jié)測(cè)試和汽車燃油消耗測(cè)試等工作，通過系列仿真測(cè)試一方面獲取動(dòng)態(tài)狀態(tài)參數(shù)來驗(yàn)證設(shè)計(jì)、制作效果，另一方面發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制作過程中的不足.以便后期不斷改進(jìn)、完善，這項(xiàng)工作目前仍在進(jìn)行中.

5 結(jié)論

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)空白，在消化吸收國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果，結(jié)合目前車用發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，提出了汽車電源智能控制系統(tǒng)的研究思路，盡管仍處于理論研究階段，還有待于一系列的仿真測(cè)試，還有待于進(jìn)一步完善.但我相信該項(xiàng)研究對(duì)汽車電源能量管理與控制、對(duì)供電安全管理、確保發(fā)電機(jī)始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能等都具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值，值得后期進(jìn)一步深化研究與完善.

[1]李兵，楊殿閣．汽車智能電源控制系統(tǒng)研究[J]．汽車技術(shù)，2014，（2）．

[2]孔偉偉，楊殿閣．傳統(tǒng)汽車發(fā)電機(jī)的智能化控制及改造[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，（6）．

[3]張宗榮．寶馬智能蓄電池[J]．汽車電器，2013，（7）．

[4]潘潘惠，豐邱洪亮．傳統(tǒng)汽車電機(jī)的智能化控制及改造研究[J]．中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2016，（1）．

Research and Development of Intelligent Control System for Automobile Power Supply

TIAN Guanghui
(Sichuan Vocational and Technical College,Suining Sichuan629000)

Generator and engine connection is fixed,the output voltage can only be passively and limited regulated based on battery load and load power.So the output voltage can only be basically stable within a certain range,it is difficult to make the generator to reach the best working condition and optimal work performance.Based on the deep analysis of the generator structure,working mode and control module,this paper establishes the control strategy of the automobile power supply system,to ensure that the generator is always in the best working condition and optimal performance.

Automotive Power Supply;Intelligence;Control System;Research and Development

U46

A

1672-2094(2016)05-0176-03

責(zé)任編輯：張隆輝

2016-03-15

四川省教育廳自然科學(xué)一般項(xiàng)目階段性研究成果（編號(hào)：15Z B0355）。

田光輝（1967-），男，四川大英人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授。研究方向：汽車電子及控制技術(shù)。