汽車電源管理系統(tǒng)淺析

匡小軍，唐香蕉，李洪波，王 勇，常 盛

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

1 電源管理系統(tǒng)簡介

汽車電源管理系統(tǒng)可以通過對蓄電池狀態(tài)的監(jiān)控和負(fù)載的管理，對蓄電池的起動性能進(jìn)行計(jì)算評估，從而得出蓄電池當(dāng)前的狀態(tài)，并預(yù)測車輛可停放的時間。

由于汽車電源管理系統(tǒng)成本較高，一般多在高端車型上配備。圖1為某款車型的電源管理系統(tǒng)組成。它可以控制整車電能的分配供給，并由此提升蓄電池的性能，優(yōu)化發(fā)電機(jī)的輸出功率，并通過對蓄電池狀態(tài)監(jiān)控和負(fù)載的管理，從而使整車的性能得到提升。

2 電源管理系統(tǒng)功能說明

電源管理系統(tǒng)主要通過對蓄電池管理、整車靜態(tài)電流管理和整車動態(tài)電源管理3方面進(jìn)行管控。

電源管理系統(tǒng)包含以下功能。

1）監(jiān)控蓄電池的充電狀態(tài)，包含蓄電池的電壓、輸出電流等信息。

圖1 電源管理系統(tǒng)組成

2）在整車極端的用電工況下，限制和切斷電氣負(fù)載的用電。

3）調(diào)整發(fā)電機(jī)的電壓，使其保持最優(yōu)的輸出電壓。

2.1 蓄電池管理

蓄電池傳感器通過對蓄電池的電壓、電流和溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器進(jìn)行計(jì)算，得出蓄電池當(dāng)前的充電狀態(tài)和功率，并對后續(xù)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測。

蓄電池管理系統(tǒng)向電源管理系統(tǒng)提供蓄電池當(dāng)前的實(shí)時狀態(tài)和所預(yù)測的電性能信息。它不僅能更好地滿足用電設(shè)備的功率需求，還能提高整車電氣系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

蓄電池管理系統(tǒng)為電源管理系統(tǒng)提供蓄電池的相關(guān)參數(shù)，如荷電狀態(tài)、壽命狀態(tài)、功能狀態(tài)等信息。預(yù)測蓄電池對預(yù)先給出的加載工況將如何反應(yīng)，如蓄電池的當(dāng)前狀態(tài)下，預(yù)測發(fā)動機(jī)能否起動。用基于模型的算法，對監(jiān)測到的蓄電池電流、電壓和溫度信號用復(fù)雜的軟件算法計(jì)算，就可以得到上述的蓄電池參數(shù)。

2.2 整車靜態(tài)電源管理 （發(fā)動機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)）

整車靜態(tài)電源管理是指在發(fā)動機(jī)未運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，可以在汽車停放期間降低整車的電流消耗。在點(diǎn)火開關(guān)關(guān)斷的情況下，它控制對各種不同控制器的電流供給。根據(jù)對蓄電池的剩余電量狀態(tài)和電壓的監(jiān)控，會逐步關(guān)閉某些用電器，以避免蓄電池過量放電，由此保障汽車的起動性能，并延長蓄電池的使用壽命。

通過對整車用電負(fù)載進(jìn)行分級管理，蓄電池傳感器實(shí)時監(jiān)測蓄電池的狀態(tài)，在蓄電池不同狀態(tài)下，對整車用電負(fù)載依次關(guān)閉電源供給，從而降低電流的消耗，保障汽車的起動能力。當(dāng)發(fā)動機(jī)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，蓄電池傳感器監(jiān)測到蓄電池電壓低于某一值時，將會關(guān)閉某些不重要的用電器，以減少蓄電池電量的進(jìn)一步消耗。同時以總線信號發(fā)送給儀表進(jìn)行蓄電池電壓過低報警的提示信息，一般是限制或取消汽車中舒適相關(guān)的功能或?qū)ζ囆旭偀o影響的功能，而與車輛行車相關(guān)的功能則不能取消。

由于不同廠家的蓄電池的特性不同，具體的蓄電池低電壓閾值需根據(jù)蓄電池的類型和供應(yīng)商來確定，但需保證蓄電池電壓達(dá)到低電壓閾值時，仍能正常啟動發(fā)動機(jī)。

2.3 動態(tài)電源管理系統(tǒng) （發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)）

在汽車行駛期間，通過對整車的動態(tài)電源管理，將發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流按不同負(fù)載的需求分配給不同的用電器。當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出電流超過整車負(fù)載的消耗需求時，它會進(jìn)行調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，向蓄電池供電，使其達(dá)到最佳充電狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)動機(jī)處于長時間怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時，如果由于負(fù)載電流消耗較大而導(dǎo)致蓄電池電壓低于某一電壓U1，蓄電池傳感器將發(fā)送發(fā)動機(jī)怠速提升信號給EMS，請求發(fā)動機(jī)提高怠速轉(zhuǎn)速到一定值，從而提高發(fā)電機(jī)的輸出電流，以保證電氣負(fù)載的電流消耗和蓄電池的充電需求。

借助于蓄電池的相關(guān)參數(shù)，電源管理系統(tǒng)能夠優(yōu)化充電電壓，并在蓄電池性能退化時采取減少整車電氣系統(tǒng)的負(fù)載或增加發(fā)電機(jī)輸出功率 （如提高發(fā)動機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速）的措施，或者同時采用以上兩種措施。

采取相應(yīng)的措施后，若蓄電池的性能狀態(tài)仍低于規(guī)定的閾值，電源管理系統(tǒng)就會發(fā)送相關(guān)報警信息給儀表進(jìn)行顯示，以提示駕駛員進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 國內(nèi)車型常見電源管理方案簡介

隨著汽車電氣化程度越來越高，車輛配備的電氣負(fù)載越來越多，一些中高端車型開始配備電源管理系統(tǒng)。常見的電源管理方案如下。

3.1 無蓄電池傳感器，僅通過檢測蓄電池電壓進(jìn)行負(fù)載管理

此方案僅通過控制器監(jiān)測蓄電池電壓狀態(tài)，對負(fù)載進(jìn)行管理。當(dāng)蓄電池電壓過高或過低時，則限制或關(guān)閉相關(guān)功能。如圖2所示。

圖2 通過監(jiān)測蓄電池電壓進(jìn)行負(fù)載管理

這種方案的優(yōu)勢為充分利用整車現(xiàn)有資源，無需增加硬件成本，可以對整車負(fù)載進(jìn)行管理，避免蓄電池過度放電。但是，由于沒有蓄電池傳感器對蓄電池狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，不能精確判斷蓄電池電量。

3.2 獨(dú)立的電源管理模塊

此方案由蓄電池狀態(tài)監(jiān)測傳感器和電源管理模塊組成，兩者之間通過LIN總線連接。電源管理模塊通過CAN總線和總線上其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。如圖3所示。

圖3 獨(dú)立的電源管理模塊

此方案由于有獨(dú)立的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測傳感器和控制器，可以對蓄電池進(jìn)行精準(zhǔn)、高效的管理。但是此方案新增了控制器和傳感器，成本較高。

3.3 BCM集成電源管理模塊

此方案由BCM和蓄電池傳感器組成，將電源管理模塊集成在車身控制模塊中，BCM和蓄電池傳感器通過LIN總線連接，BCM通過CAN總線與總線上的其他控制模塊進(jìn)行通信。如圖4所示。

圖4 BCM集成電源管理模塊

此方案由于沒有獨(dú)立的電源管理模塊，成本較低。但是對車身控制模塊廠家開發(fā)能力要求較高，且對主機(jī)廠的系統(tǒng)集成能力要求較高。

3種方案各有優(yōu)劣，需要根據(jù)車型定位、成本預(yù)算、主機(jī)廠和供應(yīng)商的開發(fā)能力進(jìn)行綜合考慮選擇。