内燃机车辆电源管理系统及其维护

高照亮

(浙江水利水电专科学校,浙江 杭州 310018)

随着内燃机汽车上的电气设备及电子装置越来越多,高级轿车的平均总电功率从20世纪70年代不到500 W上升到2005年的3000 W,且还在不断增加[1],因此汽车的用电安全越来越受重视,车载电源的管理问题也越来越重要.本文以奥迪A8D3轿车为例,介绍车载电源管理系统的主要管理功能、结构组成、工作原理,探讨电源及电源管理系统的维护方法.

1 电源管理系统结构及电路分析

奥迪A8D3轿车有70个电子控制单元,它们是通过一个网关J533和5条数据总线系统来进行彼此通讯的,见图1.电源管理系统在车载电源和车载电力负载之间,对车载电源起到管理作用,通常由电源、电流传感器、蓄电池温度传感器、能源管理控制单元、车载网络、用电器及其控制器等组成[2].奥迪A8D3轿车的电源管理系统没有电流传感器和蓄电池温度传感器,其核心部件是能源管理控制单元J644,它接在舒适CAN总线系统上,基本电路见图2.能源管理控制单元J644能够持续地对蓄电池进行监控,它检测蓄电池的充电状态(SOC)和启动能力;在发动机运转时控制单元J644调节着发电机输出充电电压,它还可进行卸载及提升怠速;为了降低发动机停机时静态电流的消耗,能源管理控制器在特殊情况下通过CAN总线将用电器切断,以此避免蓄电池过度放电.蓄电池切断继电器是蓄电池分离元件,它的任务是在发生撞车事故时,切断起动机和发电机.蓄电池切断元件经导线接收来自安全气囊控制单元J234的触发信息.

2 电源管理系统的功能及原理

能源管理控制单元J644有3个功能模块,即蓄电池管理模块、静态电流管理模块和动态管理模块.这些功能模块在不同的车辆状态下被激活.

蓄电池管理功能模块负责监测蓄电池的诊断,它一直处于激活状态;静态电流管理功能模块的作用是在某些情况下将某些正在使用的用电设备关闭,它在发动机静止时处于激活状态;动态管理功能模块负责充电电压调节以及卸载,它在发动机运行时处于激活状态.

图1 奥迪A8 D3轿车的总线与网关

图2 奥迪A8 D3轿车的电源管理系统基本电路

2.1 蓄电池管理

蓄电池电流和蓄电池工作时间是在控制单元里检测的,蓄电池电压是控制单元在蓄电池正极上测量得到的,蓄电池的温度是采用一种数学算法计算出来的[3-4].

蓄电池启动能力以及当前的充电状态是在组合仪表里显示的,这两大部分的信息是静态电流管理和动态管理的基本数据.当发动机停止转动时,如果用电设备处于工作状态,则蓄电池就会放电.如果发动机的启动能力因此受到影响,则多媒体界面MMI就会显示启动发动机的要求,以避免在之后的3 min内系统被自动切断.

充电指示灯安装在组合仪表的转速表内,与以往Audi汽车不同,它受控于能源管理控制单元.

2.2 静态电流管理

能源管理控制单元J644内的静态电流管理功能是在需要时促使用电器关闭.它是在15号线切断或15号线接通、但发动机不运转时被激活.

汽车熄火后必须减少静态电流,这是为了让蓄电池较少放电以保证汽车长时间停放后还能正常启动.当蓄电池显露出已处于极低的充电状态时,为了能向所有停止使用的用电器提供电能,就得关闭舒适系统和信息娱乐系统的用电器.一个控制单元控制下的哪些用电设备被切断,是由切断等级确定的.能源管理控制单元J644切断用电设备有6个等级.蓄电池的充电状态越低,关闭的等级就越高.能源管理控制器通过CAN总线调整所需切断等级,并经组合仪表告之司机.在故障诊断时要注意,一个被激活的切断等级可能成为功能受限制的原因.在能源管理控制单元的故障存储器中,切断等级的激活信息被作为故障保存,可以用诊断仪的“引导性故障查寻”功能在存储器里找到.

根据车内蓄电池的充电状态,能源管理控制单元将进行切断等级操作.切断等级有如下作用:

切断等级1:在舒适系统CAN总线上的用电器被关闭.

切断等级2:除关闭舒适系统CAN总线上的用电器以外,对信息娱乐系统也将会进行一些限制.当静态放电电流＞50 mA且停车时间超过3 h,切断等级2会立即被激活.

切断等级3:进行降低静态电流的操作.

在切断等级1～3内,用电器会由车内控制单元关闭,以避免蓄电池进一步地放电.

切断等级4:即运输模式,它是通过故障诊断仪来实施的.在运输模式下,汽车在长时间停放以及运输过程中能够极大地降低蓄电池的放电.在能源管理控制单元J644里有一个匹配通道来激活此功能.在通道1“运输模式”里,可选择“0=正常方式”或者“1=运输模式”.在运输模式下,所有的舒适功能几乎都会被关闭,以保证蓄电池在最长的停留时间里不会放电.

切断等级5:停车加热系统会关断.

切断等级6:在此切断等级下,蓄电池的电能仅够启动发动机用,为了节省电流,控制单元不再以任何其它理由被唤醒.

能源管理控制单元J644在需要时通过数据总线发送必要的关断等级信息,总线系统上接通的控制单元会根据所读取的信息使各个切断等级下所确定应关断的用电器停止工作.在相应的切断等级下哪些用设备被关断,在控制单元里已被确定[3].

当发动机启动后,除切断等级4之外所有激活的切断等级都会被撤消.当充电器被连接到车内蓄电池上时,所有的切断等级也同样会被关闭.切断等级的优先级是按1-2-5-3-6的顺序来实现的.

2.3 动态管理

动态管理的作用是将能源合理地分配到各独立的系统上,同时向蓄电池提供足够的充电电流.它在发动机运转时起作用,其功能是蓄电池电压调节、卸载、大功率加热系统调节、怠速提升、接入发电机、发电机动态调节.

(1)蓄电池电压调节

在控制单元J644中,蓄电池管理器由蓄电池温度及充电状态获得合适的发电机额定电压值,这个额定电压值被传给动态管理功能模块,然后再通过数据电缆传给发电机,最后由发电机电压调节器模块进行调节.

在“引导性故障查寻”里,有数据阅读块用于检测发电机额定电压,并由数据电缆检测通讯情况.在诊断仪中,可以为达到诊断目的而改变发电机额定电压.

(2)卸载

在发动机加速过程中,能源管理控制单元可按照发动机控制单元的要求减少发动机的负荷.当发动机控制单元提出卸载要求时,为了降低发电机消耗的功率,能源管理控制第一步减少大功率用电器,第二步降低发电机电压.为此,能源管理控制单元通过舒适系统CAN总线向自动空调装置控制单元J255发送要求,对诸如前窗玻璃加热,座椅加热,后窗玻璃加热及PTC加热等各种加热系统进行调节.

(3)怠转转速提升

工程实践中，裂纹的3种形式可单独出现，同时可组合出现。由于张开型裂纹KI是工程实践中引起结构失效最为首要的形式，且最为普遍，故成为本文讨论的重点。

为了优化电网供电以及蓄电池的充电,能量控制单元J644可以要求发动机控制单元分步提升怠速转速.

(4)发电机启动

为了优化内燃机的启动持性,在发动机启动过程中,能量控制单元J644将发电机消耗的功率降到最低.

(5)发电机动态调节

当驾驶员打开后窗加热系统时,发电机电压不会马上升高,而是根据转速及温度在数秒钟的时间内延迟提高,以使发动机被均匀加载.

3 电源及电源管理系统维修方法

故障诊断仪与汽车各控制单元之间的数据交换是通过网关实现的,这样各控制单元的诊断数据通过各自的数据总线系统发送到网关里,然后再由网关经诊断插头传送到故障诊断仪中.

3.1 电源管理系统故障诊断

使用V.A.S5051或V.A.S5052诊断电源及其管理系统的方法如下:

首先接好诊断仪,接通点火开关,选择“引导型功能查寻”,再选择“车辆系统或功能选择”界面,继而选择“61-蓄电池控制”,进入后,J644菜单见图3,根据需要再选择有关菜单.

图3 进入“61-蓄电池控制”后J644的菜单

(1)蓄电池诊断

在奥迪A8 D3轿车上借助能源管理控制单元对蓄电池进行检验,不必对蓄电池进行带负荷检验.使用“引导性故障查询”能够激活“功能与部件选择”菜单,选择下拉菜单“蓄电池,电量检查”,就可以进行蓄电池测试.控制单元报告蓄电池的充电状态、蓄电池内电阻、电流流动情况,同时计算出蓄电池是否正常、是否需要充电或是否需要更换.

(2)读取历史数据

使用V.A.S5051/2诊断仪可以从J644中读出数据,这些数据对于分析车上供电状态和蓄电池是否老化等有很大帮助.

(3)读取测量数据块

在数据块里能够通过“引导性故障查询”调出如下测量值,为分析电源管理系统的故障提供依据:

①发电机额定电压

②蓄电池电压

③流入或流出蓄电池的电流

④蓄电池温度

⑤充电状态

⑥静态电流平均值

⑦发电机通讯状态

⑧应急切断

⑨静态电流切断

⑩蓄电池内电阻

(4)查询故障代码存储器

当选取“J644-能量管理,查询故障代码存储器”菜单后,能源管理控制单元里就会报告故障记录,例如发电机机械故障、发电机电力故障等.在相应故障记录的数据里有更详明的信息可供使用,如故障存储时的里程状态及发生日期.

(5)更换控制单元

更换控制单元时,由于新的控制单元设置的标准状态值为:充电状态(SOC)为80%,老化引起的容量损失为0Ah,所以原车上的蓄电池的编码和历史数据必须覆盖到新的控制单元EEPROM内部,否则会引起静电流管理系统中的电气设备调节回馈滞后或延迟接通,控制单元在工作时就会产生较大的误差.

(6)发电机电压控制元件测试

该菜单功能是测试发电机与J644之间通讯是否正常.使用元件测试可以将发电机给定电压调整为两种:发电机给定电压15.OV和发电机给定电压13.5V.用元件调整的发电机给定电压可以在发电机或蓄电池上测量.

(7)能量管理控制单元测量空载电流

菜单“能量管理控制单元测得的空载电流”的功能是测试车辆在进入睡眠模式时空载电流的多少,正常值应在50 mA以下[5].

3.2 奥迪A8 D3轿车蓄电池的维护

(1)蓄电池充电

利用外部充电设备给蓄电池充电时,充电设备的输出端正极电极钳必须正确地夹在蓄电池正极上,输出端负极电极钳应跨接在能源管理控制单元外部启动接头上,切勿直接接到蓄电池的负极上.原则上蓄电池应在车上充电,这样能源管理控制单元就可以在计算蓄电池充电值时计入这部分流入的电流.

为了避免使用外部充电设备充电时损坏车内车载网络,原则上禁止对车内蓄电池进行快速充电,如充电电压高于14.8 V.因为能源管理器无法记录快速充电的数值,也就无法确定蓄电池充电状态和预测启动性能.

(2)更换蓄电池

由于在更换蓄电池前,储存在电源管理器的EEPROM中的数值是旧蓄电池的充电状态和旧蓄电池的老化引起的容量损失,所以在更换蓄电池时,必须对能源管理控制单元进行编码.新蓄电池必须经过诊断仪的检测.在引导性故障查询系统里,由蓄电池管理器的自诊断系统提供了“蓄电池编码”菜单供使用.编码时须提供蓄电池的序列号.序列号就标在蓄电池上.

(3)外部启动

利用外部电源启动时,启动线的地线接在能源管理控制单元外部启动接头上,正极线接在外部启动夹钳上.

[1]张新丰.车载电源管理系统设计[J].电工技术学报,2009,24(5):209-213.

[2]廖晓军,何莉萍.电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势[J].汽车工程,2006,28(10):961-965.

[3]汪学森,汪学慧.电源管理系统及故障诊断[J].汽车维护与修理,2008,68(5):66-67.

[4]李成学,丁 磊.电动汽车蓄电池组管理系统及其状态检测[J].蓄电池,2009,46(4):80-83.

[5]上海研华公司.车载电源控制和电源设计标准[J].工业控制计算机,2009,22(8):104-105.