燃油經(jīng)濟(jì)模式的蓄電池電壓控制系統(tǒng)研究

祁文治，羅云鋼，宋健民

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 200129）

自1859年被普蘭特（G.Plante）發(fā)明以來(lái)，鉛酸蓄電池在種類和性能等方面都獲得了巨大的發(fā)展和進(jìn)步，逐漸成為了汽車必不可少的零部件，在汽車工業(yè)中有著舉足輕重的地位。而免維護(hù)鉛酸蓄電池由于不需要補(bǔ)充液體，并具有耐震、耐高溫、體積小和自放電小等特點(diǎn)，在現(xiàn)代汽車工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。目前汽車免維護(hù)鉛酸蓄電池（下文簡(jiǎn)稱蓄電池）主要包含3種，分別是液態(tài)鉛酸蓄電池（FLA）、增強(qiáng)型液態(tài)鉛酸蓄電池（EFB）和吸附式玻璃纖維鉛酸蓄電池（AGM），蓄電池內(nèi)部主要化學(xué)反應(yīng)如圖1所示。

圖1 蓄電池內(nèi)部主要化學(xué)反應(yīng)

蓄電池在汽車上與發(fā)電機(jī)并聯(lián)，通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓控制蓄電池工作電壓，實(shí)現(xiàn)蓄電池化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)化，即控制蓄電池充電或放電。蓄電池作為一種直流電源，主要作用有：為起動(dòng)機(jī)提供起動(dòng)電流，協(xié)助發(fā)電機(jī)為用電器供電，儲(chǔ)存電能，保護(hù)用電器。

本文通過(guò)對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)模式的原理和特點(diǎn)進(jìn)行分析，研究蓄電池在該模式下的電壓控制系統(tǒng)和最優(yōu)充電電壓的控制算法，并進(jìn)行車輛試驗(yàn)驗(yàn)證，為燃油經(jīng)濟(jì)模式的蓄電池電壓控制提供參考。

1 燃油經(jīng)濟(jì)模式

燃油經(jīng)濟(jì)模式是在蓄電池電量充足的情況下，降低發(fā)電機(jī)輸出電壓，使蓄電池在較低電壓下工作而放電，從而協(xié)助發(fā)電機(jī)為用電器供電，達(dá)到減少發(fā)電機(jī)負(fù)載和燃油消耗 的 一 種 工 作 模 式。

進(jìn)入燃油經(jīng)濟(jì)模式時(shí)需要對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行判斷，包括蓄電池和用電器的工作狀態(tài)等。常見的一些判斷條件如下：①蓄電池電量大于一定值；②蓄電池溫度或外部空氣溫度在一定范圍內(nèi)；③蓄電池電流在一定范圍內(nèi)；④蓄電池電壓大于一定值；⑤車輛里程數(shù)大于一定值；⑥車速不超過(guò)一定值；⑦發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇速度較小且冷卻液溫度較低；⑧空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)速度較小且液壓較低；⑨前照燈、除霜和后窗除霧等均未開啟。

只有當(dāng)上述所有條件均滿足時(shí)，才可以進(jìn)入燃油經(jīng)濟(jì)模式，降低蓄電池電壓，使其放電，協(xié)助發(fā)電機(jī)為用電器供電。同樣，為避免引起蓄電池過(guò)度放電，進(jìn)入燃油經(jīng)濟(jì)模式后需要實(shí)時(shí)對(duì)上述條件進(jìn)行判斷，當(dāng)某個(gè)或多個(gè)條件不再滿足時(shí)，應(yīng)控制退出燃油經(jīng)濟(jì)模式。

2 蓄電池電壓控制設(shè)計(jì)

2.1 蓄電池電壓控制系統(tǒng)

反饋控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。根據(jù)控制方式的不同，自動(dòng)控制系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)和復(fù)合控制系統(tǒng)。其中反饋控制系統(tǒng)也稱閉環(huán)控制系統(tǒng)，是按偏差進(jìn)行控制的，其特點(diǎn)是當(dāng)被控量偏離輸入量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的控制作用去不斷修正被控量和輸入量之間的偏差，使兩者趨于一致。反饋控制系統(tǒng)可以抑制擾動(dòng)對(duì)被控量產(chǎn)生的影響，有較高的控制精度，因此應(yīng)用較為廣泛，典型的反饋控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 典型反饋控制系統(tǒng)框圖

反饋控制系統(tǒng)有穩(wěn)、準(zhǔn)、快3大特性，即穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性。

1）穩(wěn)定性是保證控制系統(tǒng)正常工作的先決條件。穩(wěn)定的控制系統(tǒng)應(yīng)使被控量與輸入量的初始偏差隨著時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸減小并趨近于零，即被控量能夠始終跟蹤輸入量的變化。若初始偏差隨著時(shí)間增長(zhǎng)而振蕩或發(fā)散，則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。

2）準(zhǔn)確性是指穩(wěn)態(tài)時(shí)被控量與輸入量之間的偏差。理想情況下，過(guò)渡過(guò)程結(jié)束后，被控量達(dá)到的穩(wěn)態(tài)值應(yīng)與輸入量一致。但考慮實(shí)際情況，兩者之間總存在著一定誤差，稱為穩(wěn)態(tài)誤差。穩(wěn)態(tài)誤差是衡量控制系統(tǒng)精度的重要指標(biāo)。

3）快速性表征的是控制系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的快慢，也稱為動(dòng)態(tài)性能。不同的控制系統(tǒng)對(duì)快速性要求各異，過(guò)快或過(guò)慢的過(guò)渡過(guò)程都是不適宜的，而應(yīng)根據(jù)被控對(duì)象的特點(diǎn)分配合理的快速性指標(biāo)。

穩(wěn)、準(zhǔn)、快3大特性是反饋控制系統(tǒng)的基本要求，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)被控對(duì)象的具體特點(diǎn)和工作場(chǎng)景的具體要求進(jìn)行綜合考慮和設(shè)計(jì)，并根據(jù)試驗(yàn)情況不斷優(yōu)化和迭代，最終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求，并滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

蓄電池電壓控制系統(tǒng)

蓄電池電壓控制系統(tǒng)采用反饋控制系統(tǒng)，主要由蓄電池、車身控制模塊BCM、發(fā)電機(jī)和蓄電池傳感器IBS等組成，如圖3所示。

圖3 蓄電池電壓控制系統(tǒng)組成

蓄電池的充放電狀態(tài)由其兩端的電壓值決定，該電壓值通過(guò)BCM調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓控制。為實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能的能量轉(zhuǎn)換最優(yōu)化，同時(shí)使蓄電池的使用壽命最大化，車輛在不同狀態(tài)下的蓄電池電壓有不同的期望值，即最優(yōu)充電電壓。

最優(yōu)充電電壓是BCM根據(jù)車輛狀態(tài)（主要是蓄電池、發(fā)電機(jī)和用電器等的狀態(tài)）進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的。BCM將最優(yōu)充電電壓轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)占空比請(qǐng)求信號(hào)，發(fā)電機(jī)根據(jù)占空比請(qǐng)求信號(hào)調(diào)節(jié)輸出電壓，從而控制蓄電池電壓。IBS將采集到的蓄電池電壓信號(hào)回傳給BCM，BCM將其與最優(yōu)充電電壓比較，根據(jù)比較后的電壓偏差值調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)占空比請(qǐng)求信號(hào)，再通過(guò)發(fā)電機(jī)修正蓄電池電壓，減小與最優(yōu)充電電壓的偏差。通過(guò)電壓控制系統(tǒng)不斷減小該偏差，最終使蓄電池電壓穩(wěn)定跟蹤最優(yōu)充電電壓，蓄電池更加合理地充放電。蓄電池電壓控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 蓄電池電壓控制系統(tǒng)框圖

蓄電池電壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性直接影響著蓄電池的工作電壓，進(jìn)而對(duì)蓄電池的能量轉(zhuǎn)換和使用壽命造成影響。

1）對(duì)于電壓控制系統(tǒng)，負(fù)反饋保證了其穩(wěn)定性，即當(dāng)蓄電池電壓高于最優(yōu)充電電壓時(shí)，則減小發(fā)電機(jī)占空比請(qǐng)求信號(hào)，使發(fā)電機(jī)降低輸出電壓；若蓄電池電壓低于最優(yōu)充電電壓時(shí)，則增大發(fā)電機(jī)占空比請(qǐng)求信號(hào)，使發(fā)電機(jī)提高輸出電壓。

2）準(zhǔn)確性通過(guò)設(shè)置蓄電池電壓的穩(wěn)態(tài)誤差實(shí)現(xiàn)，當(dāng)蓄電池電壓落在穩(wěn)態(tài)誤差范圍內(nèi)時(shí)，無(wú)需再繼續(xù)減小/增大發(fā)電機(jī)占空比請(qǐng)求信號(hào)，即認(rèn)為此時(shí)的蓄電池電壓已經(jīng)達(dá)到期望值，即最優(yōu)充電電壓。

3）發(fā)電機(jī)占空比請(qǐng)求信號(hào)減小/增大的步長(zhǎng)形式和大小決定了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速性。

2.2 最優(yōu)充電電壓控制算法

一般情況下，進(jìn)入燃油經(jīng)濟(jì)模式時(shí)最優(yōu)充電電壓值比較高，需要調(diào)節(jié)到最優(yōu)充電電壓的期望值。

燃油經(jīng)濟(jì)模式的最優(yōu)充電電壓控制也采用反饋控制的思想，以最優(yōu)充電電壓的期望值為輸入量，最優(yōu)充電電壓作為被控量，其控制系統(tǒng)如圖5所示。進(jìn)入燃油經(jīng)濟(jì)模式后，通過(guò)每次比較實(shí)際值與期望值的偏差量，逐步減小或增大最優(yōu)充電電壓，使其逐漸落在期望值的誤差帶內(nèi)。

圖5 最優(yōu)充電電壓控制系統(tǒng)

考慮到反饋控制的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性，設(shè)計(jì)最優(yōu)充電電壓控制算法的流程圖如圖6所示。

圖6 最優(yōu)充電電壓控制流程圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 系統(tǒng)參數(shù)選取

根據(jù)大數(shù)據(jù)采集到的信息和蓄電池壽命實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取燃油經(jīng)濟(jì)模式的最優(yōu)充電電壓期望值為OptiCharVolt_FE，取蓄電池電壓控制和最優(yōu)充電電壓控制的軟件執(zhí)行周期為0.5s。系統(tǒng)控制參數(shù)選取如表1所示。

表1 控制參數(shù)選取

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按上述系統(tǒng)參數(shù)選取配置軟件，進(jìn)行車輛在燃油經(jīng)濟(jì)模式的試驗(yàn)，試驗(yàn)中采集總線數(shù)據(jù)，繪制蓄電池電量、發(fā)電機(jī)占空比請(qǐng)求信號(hào)、最優(yōu)充電電壓、蓄電池電壓和電流的曲線，如圖7所示。

由圖7可知，進(jìn)入燃油經(jīng)濟(jì)模式后，最優(yōu)充電電壓未控制在期望值，而是在期望值附近波動(dòng)，發(fā)電機(jī)占空比請(qǐng)求信號(hào)波動(dòng)，蓄電池的電壓和電流也都出現(xiàn)波動(dòng)。分析可知，最優(yōu)充電電壓的波動(dòng)引起蓄電池電壓控制系統(tǒng)的輸入量波動(dòng)，導(dǎo)致被控量跟蹤輸入量的波動(dòng)，即蓄電池電壓波動(dòng)，進(jìn)而引起放電電流的波動(dòng)。

圖7 試驗(yàn)結(jié)果曲線

3.3 參數(shù)優(yōu)化驗(yàn)證

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和控制算法分析可知，最優(yōu)充電電壓在期望值附近波動(dòng)的原因是調(diào)節(jié)步長(zhǎng)和誤差帶不匹配，即調(diào)節(jié)步長(zhǎng)大于誤差帶導(dǎo)致了最優(yōu)充電電壓的波動(dòng)。

綜合考慮燃油經(jīng)濟(jì)模式下最優(yōu)充電電壓控制的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性要求，保持調(diào)節(jié)步長(zhǎng)不變，誤差帶參數(shù)優(yōu)化為[-0.150V，0.150V]。再次進(jìn)行車輛在燃油經(jīng)濟(jì)模式的試驗(yàn)，試驗(yàn)中采集總線數(shù)據(jù)，繪制數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖8 誤差帶優(yōu)化后的試驗(yàn)結(jié)果曲線

由圖8可知，優(yōu)化誤差帶參數(shù)后，最優(yōu)充電電壓在進(jìn)入燃油經(jīng)濟(jì)模式后最終控制在期望值的誤差帶內(nèi)，發(fā)電機(jī)占空比請(qǐng)求信號(hào)穩(wěn)定、蓄電池電壓控制穩(wěn)定、放電電流控制穩(wěn)定，即最優(yōu)充電電壓控制滿足穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求，蓄電池電壓控制系統(tǒng)也滿足穩(wěn)、準(zhǔn)、快的要求。

4 結(jié)論

本文分析了蓄電池的工作原理和在汽車上的主要應(yīng)用，介紹了燃油經(jīng)濟(jì)模式降低車輛燃油消耗的原理和特點(diǎn)，考慮能量轉(zhuǎn)換和電池壽命提出最優(yōu)充電電壓概念，研究了基于反饋控制的蓄電池電壓控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了最優(yōu)充電電壓控制算法，并通過(guò)車輛在燃油經(jīng)濟(jì)模式的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)和算法更加合理和穩(wěn)健。