柴油機系統(tǒng)智能發(fā)電機應用簡介

孫佳玥 趙紅莎 于江濤 王盈旭 王騰

【摘? 要】發(fā)電機作為商用車的主要供電來源，是柴油發(fā)動機的重要零件之一。近年來，隨著油耗要求不斷提高，以及商用車智能化、一體化的架構需求，智能發(fā)電機成為當前研究的重點。LIN調節(jié)器借助成熟的LIN通信網絡，具備成本低、適配性強的優(yōu)勢。通過智能發(fā)電機與電子控制單元ECU的雙向通信，發(fā)電機與發(fā)動機的工況可以形成最佳匹配，ECU依據(jù)車輛工況發(fā)出指令，調整發(fā)電機參數(shù)，并要求調節(jié)器反饋其狀態(tài)參數(shù)，可以依據(jù)SOC、坡度變化等參數(shù)優(yōu)化整車控制策略，防止蓄電池過充，節(jié)約整車油耗。

【關鍵詞】柴油機;智能發(fā)電機;LIN通信;應用

中圖分類號：U463.631? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2024 ）05-0029-02

Application Introduction of Intelligent Generator Used in Diesel Engine System

SUN Jiayue，ZHAO Hongsha，YU Jiangtao，WANG Yingxu，WANG Teng

（China National Heavy Duty Truck Group Automotive Research Institute，Jinan 250101，China）

【Abstract】As the main source of power supply for commercial vehicles，generator is one of the important parts of diesel engine. In recent years，with the continuous improvement of fuel consumption requirements，as well as the intelligent and integrated architecture needs of commercial vehicles，intelligent generators have become the focus of current research. With the help of LIN communication network，LIN regulator has the advantages of low cost and strong adaptability. By the communication between the intelligent generator and the engine control unit（ECU），the working conditions of the generator and the engine can form the best match. The ECU adjusts the parameters of the generator by sending messages according to the working conditions of the vehicle，and requires the regulator to feedback its state parameters. The vehicle control strategy can be optimized according to SOC，slope gradient and other parameters.This can prevent battery overcharging and save the fuel consumption of the vehicle.

【Key words】diesel engine;intelligent generator;LIN communication;application

作者簡介

孫佳玥（1990—），女，工程師，碩士，主要從事柴油機、新能源汽車電控系統(tǒng)開發(fā)等工作。

智能發(fā)電機已經在乘用車領域逐步推廣，在商用車柴油機領域目前還未得到廣泛應用。傳統(tǒng)柴油機發(fā)電機升級為LIN調節(jié)器后，通過發(fā)電機、電量傳感器構成的閉環(huán)電量監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)發(fā)電機的發(fā)電量控制、發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)控等基礎功能，借助實際駕駛工況的判斷，如起動、停機、制動等請求，可進一步實現(xiàn)能量回收、過充保護等復雜功能，節(jié)約行駛油耗，提升整車動力性。

1? LIN2.1協(xié)議

LIN總線支持單主多從節(jié)點，最大傳輸速率可達20kb/s。由于LIN總線可以基于普通UART/SCI硬件接口實現(xiàn)，總線僅需要一根單線電纜，因其具有功能簡單、成本低的優(yōu)點而被廣泛使用[1]。LIN2.1協(xié)議于2006年11月發(fā)布，與LIN2.2協(xié)議幾乎沒有差異，卻比其前身LIN2.0協(xié)議有著顯著改善，主要體現(xiàn)在參加了事情觸發(fā)幀的競賽處理，完善了節(jié)點裝備功用和進行了確診分級3個方面。

LIN總線通信幀的格式分為主任務和從任務。主任務負責調度總線上幀的傳輸次序，作為標準時鐘參考，以及接收從機節(jié)點發(fā)出的總線喚醒命令。從任務需要接收主任務發(fā)送的幀頭，根據(jù)幀頭包含的信息判斷是否發(fā)送應答。幀包含幀頭和應答兩部分，幀的傳輸如圖1所示。

幀的結構如圖2所示。其中，幀頭主要由同步間隔段、同步段、PID段（受保護ID段）3部分組成，而同步間隔段的數(shù)據(jù)格式是唯一不遵循字節(jié)域格式的。同步段是固定的0x55數(shù)值，作用是保持幀的同步性。應答部分由數(shù)據(jù)段和校驗和段組成。

同步間隔段由同步間隔和同步間隔段間隔符構成，同步間隔是至少持續(xù)13位的顯性電平。當總線空閑時，它總是保持隱性電平形式，因此除了同步間隔段外，不會出現(xiàn)任意大于9個顯性電平的字段，故13個顯性電平的同步間隔段，可視為幀的開始標志。同步間隔段的間隔符為至少1位的隱性電平。

在完整的LIN幀數(shù)據(jù)傳輸過程中，除了同步間隔段外，其余段均通過字節(jié)域的格式進行傳輸。字節(jié)域是一種標準UART數(shù)據(jù)傳輸格式，由1位顯性起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位隱性停止位組成。LIN的同步段是以下降沿為判斷標志，采用固定格式0x55作為字節(jié)域。

受保護的ID段共含8位，前6個位為幀ID，后2個位為前6位的奇偶校驗位。從任務根據(jù)接收到的幀ID作出反饋，因此需要根據(jù)奇偶校驗位驗證幀ID是否正確。

數(shù)據(jù)段為1～8個字節(jié)長度的數(shù)據(jù)，包含了信號和診斷消息兩種數(shù)據(jù)類型。信號由信號攜帶幀傳遞，一個幀ID對應的數(shù)據(jù)段可能包含一個或多個信號，發(fā)送信號的節(jié)點稱為發(fā)布節(jié)點，接收信號的節(jié)點稱為收聽節(jié)點。診斷消息由診斷幀傳遞，對消息內容的解析由數(shù)據(jù)自身和節(jié)點狀態(tài)決定。

校驗和分為校準型和增強型兩大類，采用何種校驗和由主節(jié)點管理，發(fā)布節(jié)點和收聽節(jié)點根據(jù)幀ID來判斷采用哪種校驗和[2]。

2? 智能發(fā)電機原理

智能發(fā)電機為柴油機系統(tǒng)新一代發(fā)電機，借助車載LIN網絡，可以實現(xiàn)與電子控制單元的雙向通信，使發(fā)電機與發(fā)動機的工況形成最佳匹配。電子控制單元通過發(fā)送報文來調整發(fā)電機工作模式，并要求發(fā)電機調節(jié)器反饋實時狀態(tài)，進而實現(xiàn)整車控制策略的優(yōu)化。智能發(fā)電機可與蓄電池電量傳感器形成閉環(huán)系統(tǒng)，通過識別不同駕駛工況，并對智能發(fā)電機進行指令控制，可實現(xiàn)能量回收、起動節(jié)能、蓄電池保護等功能，降低發(fā)電機能耗，實現(xiàn)節(jié)油目的。

智能發(fā)電機與傳統(tǒng)發(fā)電機安裝方式相同，通過發(fā)動機的皮帶連接，帶動發(fā)電機轉子旋轉發(fā)電，不同的是，傳統(tǒng)發(fā)電機的勵磁信號是由整車電氣系統(tǒng)直接提供的，而LIN發(fā)電機是由調節(jié)器接收的電控單元指令進行勵磁的。通過PID字段，電控單元可以識別車上不同的LIN設備，調節(jié)器作為發(fā)電機的控制單元，可以接收電控單元發(fā)來的指令并執(zhí)行，同時反饋信息給電控單元。

通常，智能發(fā)電機的控制還會搭配智能蓄電池傳感器配合使用，如圖3所示，智能蓄電池傳感器同樣通過LIN通信與電控單元進行交互，可回傳蓄電池電流、內阻、電壓、溫度、SOC、SOH等數(shù)據(jù)，用以監(jiān)控蓄電池的健康狀態(tài)，對發(fā)電機的控制邏輯也可起到輔助判斷作用，從而形成控制閉環(huán)。

如電控單元控制調節(jié)器的幀ID為0x29，調節(jié)器回饋電控單元的幀ID為0x11，以控制智能發(fā)電機勵磁電流為例，如圖4所示，發(fā)電機信號傳輸過程為：①電控單元輸出ID=0x11，調節(jié)器檢測同步信號ID=0x11后，調節(jié)器反饋發(fā)電機目前的勵磁電流信號;②電控單元輸出ID=0x29信號，同時數(shù)據(jù)段輸出改變發(fā)電機勵磁電流指令信號，調節(jié)器檢測ID=0x29進行接收并識別信號后，響應勵磁電流改變的指令;③電控單元輸出ID=0x11信號，調節(jié)器檢測同步信號ID=0x11后，反饋發(fā)電機新的勵磁電流信號。

3? 智能發(fā)電機的控制策略

1）輔助起動管理。智能發(fā)電機可控制勵磁信號，在發(fā)動機起動時，調節(jié)器可通過設定發(fā)電電壓為低閾值或關閉勵磁電流，讓發(fā)電機在起動過程中停止發(fā)電，減少發(fā)動機起動過程中的負載;當檢測到發(fā)動機起動成功后，恢復發(fā)電功能，確保發(fā)動機平穩(wěn)起動。

2）制動能量回收。當車輛處于在擋滑行、行車制動、發(fā)動機停機過程中，通過讀取蓄電池電量傳感器信號，在確認蓄電池未過充的情況下，可提升發(fā)電機設定電壓，進行快速充電;當車輛處于超車、加速過程中，在確保SOC充足的條件下，可降低發(fā)電機設定電壓，讓發(fā)電機少發(fā)電或不發(fā)電，減少能量損失，節(jié)約油耗。

3）蓄電池保護。根據(jù)蓄電池電量傳感器反饋的內阻、電流、電壓、SOC、SOH、溫度等信號及時調節(jié)發(fā)電機的設定電壓，避免過充、過放。蓄電池電量足夠的情況下，例如SOC高于80%，降低發(fā)電機設定電壓或限制最大發(fā)電機勵磁電流輸出，維持蓄電池SOC水平;蓄電池SOC較低時，可以較大的固定電流對電池快速充電;蓄電池SOC處于中間狀態(tài)時，可根據(jù)蓄電池溫度選取合適的充電電壓，或借助蓄電池充電曲線的試驗數(shù)據(jù)進行電壓調節(jié)，避免蓄電池頻繁大電流放電，延長蓄電池壽命[3]。

4）扭矩補償。根據(jù)發(fā)電機反饋的勵磁占空比、轉速、溫度、電壓等信號估算發(fā)電機的消耗扭矩（需借助臺架試驗數(shù)據(jù)），用于提供給電控單元進行附件消耗功的精確計算，也可針對扭矩突變的工作點進行扭矩補償，實現(xiàn)扭矩精準控制，減少發(fā)動機抖動。

5）預測性控制。借助地圖信息，預判坡度變化，上坡過程中減小發(fā)電機目標電壓使發(fā)電機少發(fā)電或不發(fā)電，待下坡時提升目標電壓，給蓄電池進行快速充電，實現(xiàn)能量遷移。

4? 總結

智能發(fā)電機是當前商用車領域研究的重點之一，通過軟件策略集成，和普通發(fā)電機可通過標定切換，適配性極強;智能發(fā)電機不僅可以通過LIN通信報出發(fā)電機故障，精準定位故障原因，減小發(fā)電機的誤判率，也可根據(jù)SOC調節(jié)發(fā)電電壓，對蓄電池起到保護作用，延長電池壽命，同時可實現(xiàn)上下坡或行車過程的復雜發(fā)電管理，實現(xiàn)能量回收，提高充電效率，進一步加快了柴油機附件控制的智能化進程。

參考文獻：

[1] 谷威昭，方濱. 基于普通單片機的LIN協(xié)議實現(xiàn)方案[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2005（7）：5-7，11.

[2] 劉家瑜. LIN總線應用系統(tǒng)設計與LIN收發(fā)器研究[D]. 成都：電子科技大學，2011.

[3] 董先瑜，鳳亞嬌，張培華. 高效智能發(fā)電機的控制策略及其應用[J]. 汽車實用技術，2016（8）：170-175.

（編輯? 凌? 波）

收稿日期：2023-09-05