淺析汽車電源管理系統(tǒng)研究及運用

劉曉軍

（江淮汽車，安徽 合肥 230009）

汽車電源管理系統(tǒng)主要是由電源管理控制模塊通過蓄電池電量傳感器采集當(dāng)前的蓄電池狀態(tài)信息包括電壓值、電流值和溫度值等信息，管理汽車用電器負(fù)載，并協(xié)調(diào)各個用電器合理工作。同時使發(fā)電機發(fā)電效率最優(yōu)化，減少不必要的發(fā)動機能量損失。另外在車輛長時間停放時，如果車輛電源出現(xiàn)問題時，車聯(lián)網(wǎng)通信模塊通過網(wǎng)絡(luò)信號將信息傳輸給運營商短信平臺，運營商短息平臺發(fā)送短信給用戶手機，或者用戶自行登錄手機APP賬號進(jìn)行查詢。本文重點闡述電源管理系統(tǒng)有關(guān)的蓄電池電量傳感器、智能發(fā)電機工作原理以及整車電源管理系統(tǒng)控制策略、遠(yuǎn)程車聯(lián)網(wǎng)電量提醒等相關(guān)內(nèi)容。

1 蓄電池電量傳感器功能

蓄電池電量傳感器（IBS）安裝在蓄電池負(fù)極上，傳感器內(nèi)部帶有專用的微處理器，此微處理器由電子模塊組成。通過電子模塊測量蓄電池的電壓、電流和溫度等信息。同時經(jīng)過處理器內(nèi)部相關(guān)計算把蓄電池充電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）、功能狀態(tài)（SOF）、電壓、電流、溫度通過LIN通信發(fā)送給電源管理模塊。如圖1、圖2所示。

圖1 蓄電池電量傳感器原理圖1

圖2 蓄電池電量傳感器原理圖2

1）電壓測量：蓄電池電壓信號在電量傳感器內(nèi)部采用16位AD采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字比較轉(zhuǎn)換后，再通過微處理控制器運算處理后得到電壓值。

2）電流測量：電流經(jīng)過電量傳感器內(nèi)部分流器電阻后產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過傳感器內(nèi)部采樣輸入電路信號調(diào)理后，再經(jīng)過可編程增益放大器放大，然后輸入到16位AD采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)過數(shù)字信號處理芯片邏輯算法運算得到電流值。

3）溫度測量：溫度傳感器集成在電量傳感器電路中，電壓和溫度測量共享一個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，溫度信號測量路徑采用比較電路，運算電路和電壓測量通道相同。

4）充電狀態(tài)（SOC）：SOC表示蓄電池荷電狀態(tài)，其數(shù)值上定義為剩余容量占電池的比值，用百分?jǐn)?shù)表示。SOC=Q/Q。其中Q為電池剩余容量，Q為電流I放電時所具有的容量。充滿電的蓄電池SOC=100%，完全放電的蓄電池SOC=0%，一般用蓄電池標(biāo)稱容量來代替不同放電倍率的額定容量。但是在一些工況復(fù)雜，環(huán)境溫度變動范圍大，Q值會是不一樣的，需要通過蓄電池端電壓、充放電流及蓄電池內(nèi)阻、環(huán)境溫度來計算，一般都采用安時積分和開路電壓法結(jié)合計算更加精確。

5）健康狀態(tài)（SOH）：SOH表示當(dāng)前蓄電池相對于新電池可以儲存電荷的能力。通過百分比表示電池從壽命開始到壽命結(jié)束期間所處健康度和性能狀態(tài)等。SOH=C/C，其中C為滿充電狀態(tài)下可放電容量，C為標(biāo)稱蓄電池容量。

6）功能狀態(tài)（SOF）：SOF表示蓄電池的功能狀態(tài)。此值是由電池的內(nèi)阻、電壓、電流、溫度、充電狀態(tài)、起動機特性等決定。主要是體現(xiàn)車輛的啟動能力，用來作為汽車啟停禁止和使能的一個判斷條件，防止電池老化后啟停不穩(wěn)定。

2 智能發(fā)電機能量管理

汽車上普通發(fā)電機不能進(jìn)行電壓的調(diào)節(jié)，這就會導(dǎo)致發(fā)動機功率損失和油耗增加以及過多的尾氣污染物排放。在汽車電源管理中增加智能發(fā)電機控制系統(tǒng)，智能發(fā)電機帶有LIN通信的智能可控發(fā)電機。汽車在行駛情況下，發(fā)動機控制模塊根據(jù)車輛運行狀態(tài)并結(jié)合當(dāng)前蓄電池SOC值、電壓和溫度等信息，計算出車輛所需發(fā)電電壓，并通過LIN線通信發(fā)送發(fā)電目標(biāo)值到發(fā)電機控制模塊。發(fā)電機控制模塊根據(jù)接收到的信息，確定發(fā)電機發(fā)電電壓和電量輸出。在汽車蓄電池出現(xiàn)虧電情況下，需提高發(fā)電機對外輸出電量，對蓄電池進(jìn)行補充電。在蓄電池電量充足情況下，降低發(fā)電機對外輸出電量，防止蓄電池出現(xiàn)過度充電的情況，減少發(fā)動機功率損失，使蓄電池維持在合理的發(fā)電量。車輛在不同的工作狀態(tài)下，智能發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)策略也不同。在車輛起步和加速工況過程中，通過減小發(fā)動機的輸出扭矩來減少發(fā)電機的發(fā)電量，達(dá)到降低油耗的目的。在車輛勻速行駛工況下，根據(jù)收到的蓄電池狀信息，輸出合適的電量。在制動減速工況下，發(fā)電機輸出最大的充電電量。通過對蓄電池電量進(jìn)行調(diào)節(jié)和車輛狀態(tài)這兩種方法控制，實施智能發(fā)電機的電源管理策略能有效提高蓄電池的使用壽命和發(fā)動機能量的利用率。如圖3所示。

圖3 智能發(fā)電機能量管理原理圖

3 整車能量管理系統(tǒng)

3.1 動態(tài)電源管理系統(tǒng)

汽車動態(tài)電源管理（表1）是協(xié)調(diào)用電設(shè)備的正常工作，將電量按需分配給不同的用電設(shè)備，并監(jiān)測和控制充電系統(tǒng)的狀態(tài)，當(dāng)發(fā)電機產(chǎn)生電量超過用電器消耗的電量時，便會進(jìn)行調(diào)節(jié)，向蓄電池充電，使車輛達(dá)到最佳用電狀態(tài)。電源管理模塊通過蓄電池電量傳感器（IBS）監(jiān)測蓄電池的電量（SOC）和電量狀態(tài)（SOC_STATE）這兩個變量。蓄電池電量傳感器通過LIN通信把SOC和SOC_STATE變量值發(fā)給電源管理模塊。電源管理模塊通過監(jiān)控SOC和SOC_STATE變量值，對發(fā)動機輸出扭矩進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)電壓不足時，組合儀表顯示界面或是娛樂系統(tǒng)界面顯示低電量，提示駕駛?cè)藛T。電源管理模塊用來調(diào)節(jié)發(fā)電機的發(fā)電量，使其輸出最大發(fā)電量；若電壓依舊不足時，電源管理模塊調(diào)整發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速補償來提升發(fā)電量。另外通過CAN通信信號發(fā)送當(dāng)前的電源管理信號給用電控制器，用電控制器收到信號時，根據(jù)電量狀態(tài)值降低用電器負(fù)荷等級。例如車輛電源過低時，電源管理模塊發(fā)送電量管理CAN網(wǎng)絡(luò)信號狀態(tài)信號PowerManage為0x1給音響娛樂控制器時，音響娛樂系統(tǒng)收到信號時，將音量自行調(diào)低?？照{(diào)控制器接收到網(wǎng)絡(luò)信號時，將空調(diào)鼓風(fēng)機風(fēng)量擋位調(diào)到最低擋位。另外在儀表顯示屏幕彈出低電量提醒：“蓄電池電量不足”用來提示駕駛員。

表1 汽車動態(tài)電池管理

電源管理系統(tǒng)根據(jù)蓄電池的SOC值劃分為兩種狀態(tài)，見表2。在狀態(tài)1的工況下，蓄電池SOC值處于合理的范圍，車輛電源管理系統(tǒng)處于關(guān)閉工作狀態(tài)。在狀態(tài)2的工況下，由于蓄電池SOC值出現(xiàn)設(shè)定值以下的情況，電源管理系統(tǒng)就處于工作狀態(tài)。在音響顯示屏上顯示“12V蓄電池電量低”，低電量提醒1min之后，電源管理模塊主動切斷IGN和ACC繼電器，并關(guān)閉部分車輛用電器負(fù)載，用來降低整車用電器用電量，以確保蓄電池電量能滿足下次車輛能正常啟動。

表2 蓄電池SOC的兩種狀態(tài)

3.2 遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)

遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)是車輛在長時間不使用停放期間，車輛控制模塊處于休眠狀態(tài)下，電源管理模塊通過蓄電池電量傳感器讀取整車電壓和電流值。當(dāng)采集到車輛電壓值低于設(shè)定的閾值，系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況，電源管理模塊會將相關(guān)的電量狀態(tài)信息發(fā)送給車聯(lián)網(wǎng)通信模塊，車聯(lián)網(wǎng)通信模塊上報給車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺，車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺通過5G網(wǎng)絡(luò)信號將信息傳輸給運營商短信平臺，運營商短息平臺推送短信信息給車主，提醒車主盡快去檢查車輛。同時汽車生產(chǎn)廠家技術(shù)人員將主動電話與車主聯(lián)系。另外車主也可用手機客戶端自行下載汽車生產(chǎn)廠家的應(yīng)用軟件程序，通過登錄APP賬號可以隨時查詢車輛當(dāng)前狀態(tài)。

某公司一款SUV遠(yuǎn)程電源管理系統(tǒng)策略包括低壓提醒功能和控制器休眠異常網(wǎng)絡(luò)報文記錄。

低壓提醒策略指的是車聯(lián)網(wǎng)通信模塊在休眠模式下，不主動查詢上報整車相關(guān)信息狀態(tài)，只有車主通過手機遠(yuǎn)程操作時才能查詢整車電壓信息。整車休眠后，車聯(lián)網(wǎng)通信模塊如接收遠(yuǎn)程指令被喚醒執(zhí)行如下工作模式轉(zhuǎn)換和電壓低預(yù)警。

1）上報一次蓄電池預(yù)警信息到汽車制造廠家數(shù)據(jù)管理后臺，預(yù)警類型：蓄電池電壓上報。

2）當(dāng)電壓U≤12V，持續(xù)2s，車聯(lián)網(wǎng)通信模塊直接進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3）當(dāng)電壓U≤11.5V，持續(xù)2s，車聯(lián)網(wǎng)通信模塊直接進(jìn)入休眠狀態(tài)，并向數(shù)據(jù)管理后臺上報蓄電池預(yù)警信息，預(yù)警類型：蓄電池電壓低，并在客戶端提醒客戶整車電量低。

4）當(dāng)電壓U≤9V，持續(xù)2s，車聯(lián)網(wǎng)通信模塊進(jìn)入斷電模式。

控制器休眠異常網(wǎng)絡(luò)報文記錄指的是車聯(lián)網(wǎng)通信模塊檢測到車輛設(shè)防后，則啟動網(wǎng)絡(luò)總線不休眠計數(shù)器；若總線不休眠計數(shù)器計時超過15min，則啟動CAN網(wǎng)絡(luò)報文記錄，存儲不少于2min的各總線網(wǎng)絡(luò)報文。同時向汽車生產(chǎn)廠家數(shù)據(jù)后臺上報休眠異常信息，預(yù)警類型：15min不休眠預(yù)警。保存的CAN數(shù)據(jù)信息需要在車聯(lián)網(wǎng)通信模塊遠(yuǎn)程日志提取時同步打包上傳。

4 總結(jié)

結(jié)合某公司開發(fā)一款SUV車型項目，通過本文所述內(nèi)容介紹了蓄電池電量傳感器、智能發(fā)電機工作原理以及整車電源管理模塊對車輛用電器負(fù)載的控制策略。汽車電源管理系統(tǒng)已然成為了汽車發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，未來將會隨著高級輔助駕駛、信息娛樂和車身電氣功能的發(fā)展，整車的電氣集成化程度越來越高。電源管理系統(tǒng)也隨之迅猛發(fā)展，汽車生產(chǎn)廠家將會通過車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺實時獲取汽車上每個用電器工作狀態(tài)信息，并具備遠(yuǎn)程診斷和自動修復(fù)故障功能。汽車電源管理系統(tǒng)也將向著數(shù)字化和網(wǎng)聯(lián)化方向不斷發(fā)展。