汽车14V电气能量管理系统及其应用

纪光霁，韩玉涛，王晶淼，Gaertner Christian

(1.博世(中国)投资有限公司，上海 200335； 2.中国第一汽车集团公司技术中心，长春 130011；3.博世工程技术公司，德国斯图加特 74003)

2016067

汽车14V电气能量管理系统及其应用

纪光霁1，韩玉涛2，王晶淼2，Gaertner Christian3

(1.博世(中国)投资有限公司，上海 200335； 2.中国第一汽车集团公司技术中心，长春 130011；3.博世工程技术公司，德国斯图加特 74003)

针对传统的车辆电气系统中，发电机的输出电压与蓄电池的状态难以监测和部分电负载不可控制的问题，本文中对14V电气能量管理(14V-EEM)系统进行研究。该系统可在发动机和蓄电池的有利工作状态下，适时主动地调节发电机的输出电压和控制部分与安全无关的大功率电负载，在满足整车电气能量需求的同时，提高了整车燃油经济性和整车电气网络可靠性。最后以一汽红旗H7某款车型作为14V-EEM系统运行载体，进行了NEDC工况下的测试。结果表明，油耗约降低2%，蓄电池的电平衡为正值，达到了预期效果。

汽车14V电气系统；电气能量管理；应用

前言

随着我国企业平均油耗法规(CAFC)所定义的第3和第4阶段的油耗法规的逐步实施，如何提高整车燃油经济性已成为国内各大汽车生产企业关注的热点。发挥整车电气系统的节油潜力是在成本增加有限的基础上降低油耗的有效手段之一。14V-EEM系统可在发动机和蓄电池有利的工作状态下，适时主动地调节发电机的输出电压和控制部分与安全无关的大功率电负载，在满足整车电气能量需求的同时，提高整车燃油经济性和整车电气网络可靠性。14V-EEM系统目前在国外已成为大部分新车型的标准配置，其相关研究较多。文献[1]中在2001年指出了在传统车辆电气系统中存在一定的节油潜力。文献[2]中根据发动机/整车的工作点和蓄电池的荷电状态(SOC)对发电机的输出电压进行适时调节，达到了在NEDC下节油2%～3%的效果。文献[3]中则重点研究了制动能量回收功能，并在演示样车上实现了该功能。文献[4]中指出如果在小排量发动机+大功率电负载的配置车上应用EEM中的发电机控制，则节油效果会更加明显。文献[5]中从模型仿真角度阐述了发电机控制功能。文献[6]中则通过发电机励磁电流的调节改变发动机的运行工作点，使之处于或接近发动机油耗较低的工作区域。文献[7]中则对发电机数学模型进行解析，分析了整车电气能量产生/消耗的平衡关系。文献[8]中则分析了在双电源系统(42V/14V)内发电机的设计技术与控制问题。国内关于14V-EEM的研究相对较少。文献[9]中简要介绍了发电机电压控制策略，指出在不同的驾驶工况下输出的电压值不同。文献[10]中提出了车载低压电源管理系统的4种工作模式，可以根据外界负载的需求优化发电机的输出电压，控制蓄电池的充放电电流，达到整车节油2.6%的效果。

1 14V-EEM系统构成和功能描述

14V-EEM系统架构示意见图1，其主要包含控制算法软件和相关零部件。其中控制算法软件功能包括驾驶状态判断DSD、智能发电机控制IGC、怠速提高请求控制ISI、整车电平衡控制APC、功率分时满足控制PS和静态电流监控与管理QPM。相关零部件主要有：带有LIN总线接口的电压调节器与电池状态传感器和采用AGM技术的铅酸蓄电池。

图1 14V-EEM系统架构示意图

1.1 14V-EEM控制算法介绍

由图1可知，LIN总线中的主节点集成了14V-EEM控制算法，从节点主要是发电机电压调节器和电池状态传感器。主节点通过CAN总线(通常为整车动力系统CAN总线和舒适性系统CAN总线)获取输入信号。因此，14V-EEM软件易于集成在带有CAN/LIN接口的ECU中(如网关ECU和车身控制模块BCM)。14V-EEM大体上可按功能分为：驾驶状态判断DSD、智能发电机控制IGC、怠速提高请求控制ISI、整车电平衡控制APC、功率分时满足控制PS和静态电流监控与管理QPM等6大模块。

DSD模块主要根据发动机转速、车速等关键信号，实时判断出当前车辆所处的状态。DSD输出信号(DrvSt_Out)定义见表1。其它模块主要是IGC，ISI和PS模块，将根据DSD的输出采取对应的控制策略。

表1 DSD输出定义

IGC模块是14V-EEM中最重要也最复杂的模块。它主要根据DSD的输出、蓄电池的状态和当前整车电负载使用情况，适时地计算出“最优”的发电机输出电压目标值。通过对发电机输出电压的控制，主动调节蓄电池SOC。图2为IGC的基本工作原理示例。假设在初始阶段蓄电池的SOC较低。IGC则采用较高的目标电压值(如15.5V)对蓄电池进行快速充电，直至其SOC达到或接近设定的SOC(如75%)范围。在车辆加速状态下或蓄电池SOC过高(如90%)，可将该目标电压值调低直至蓄电池支撑整车用电需求。在制动阶段，可根据发动机的反拖状态适时地提高发电机目标电压值，实现部分制动能量的回收。由铅酸蓄电池的电化学特性可知，高电压充电容易导致电池内部产生析气现象[11]，这对于AGM铅酸蓄电池而言则更加关键。因此，发电机输出目标电压值还应考虑AGM电池可接受的充电特性。

图2 IGC基本工作原理示例

ISI模块主要功能是向发动机控制单元发送目标怠速，以实现蓄电池的电平衡。由发电机的输出特性可知，发电机的最大输出电流取决于转速。特别是在发动机已完成预热或空调未开启时，其怠速在600～800r/min之间。如果此时有较大的负载开启，如电动助力转向或后风窗加热，蓄电池将被迫参与放电，从而影响了电平衡。

APC模块是在蓄电池SOC较低的情况下才被激活。APC原理图见图3。发电机的最大输出电功率PGenMax为发电机的转速、温度和负荷的函数。而蓄电池可用的电功率PBattAva与SOC有关。该两种电功率(PGenMax和PBattAva)之和应不小于实际负载需求的电功率(PBasicLd+PCtrlLd)。如何使该要求时刻得到满足是APC的主要任务。由图3可知，对与安全无关的大功率负载(如座椅加热等)功率请求进行分等级地满足，可更加有效地利用电源的能量。APC对电负载控制电路要求为线控方式(CAN或LIN总线)，即负载电流受相关ECU控制。

图3 APC原理示意图

图4 PS示意图

PS模块则是在蓄电池SOC较高的情况下才被激活。该功能只对与安全无关的大功率负载在有利的驾驶状态下进行分时控制类似于市用电网中的错峰调节。图4给出了其基本工作原理。例如在加速状态时，如果蓄电池的SOC状态良好(如高于80%)，PS将此时的电负载进行功率降级控制。这里的功率降级控制可以理解为：如果该负载为开关型负载，可以将负载关闭，即零功率请求；如果该负载为多等级控制方式负载，可将当前的等级下调。而在减速状态，可将原来没有满足的电功率请求尽可能地进行补偿。

QPM模块则是在车辆处于驻车状态下才被激活。该模块较为简单，主要是根据电池状态传感器发送的静态电流值进行判断，如果超过定义的阈值，如15mA，则将该异常的静态电流值进行记录。

1.2 带有LIN总线接口的电压调节器

与传统的发电机不同，14V-EEM系统要求发电机的输出电压可调。目前具备该要求的电压调节器多采用LIN接口。图5为具有LIN接口的CR665D电压调节器。该调节器接受来自14V-EEM发出的目标电压值(电压范围：10.6～16.0V)，通过改变励磁电流来改变输出电压。

图5 LIN电压调节器

1.3 带有LIN总线接口的电池状态传感器

图6 电池传感器

电池状态传感器(BSD)安装在蓄电池负极柱上，通过其内部的“shunt”测量蓄电池电流。电池状态传感器实物见图6。该传感器根据采集的蓄电池电压、电流和温度信号算出SOC，SOF(State of Function)和SOH(State of Health)等一些关键电池状态参数，供Start/Stop和14V-EEM系统使用。

1.4 具有AGM技术的铅酸蓄电池

由于14V-EEM的功能定义了蓄电池将在一些驾驶状态下放电，这对蓄电池的循环充放电能力提出了更高的要求。传统的富液式蓄电池在频繁地充放电条件下极易产生电解质分层现象[12]。一种玻璃纤维隔板(又称AGM)技术可将液态的电解质溶液吸附在纤维所形成的孔隙中，从而有效解决电解质分层问题，同时提高了蓄电池的循环充放电能力[12]。因此AGM电池往往被应用在启停和14V-EEM系统中，但电池成本也随之上升。目前有一种增强性富液电池(EFB)，在性能和成本两者之间得到了平衡[13]，但最终的电池选型还应考虑车辆实际电平衡需求等因素。

2 14V-EEM在红旗H7上的应用

一汽红旗H7搭载了众多先进控制系统，其中整车电气能量管理系统便引入了14V-EEM系统，在提高整车电源系统可靠性的同时，可回收部分制动能量，改善了整车燃油经济性。下面以H7系列中一款搭载启停系统的车型为例，介绍14V-EEM系统在红旗车上的应用。

2.1 系统集成

红旗H7车上14V-EEM系统的拓扑图参见图7。

图7 系统拓扑图

系统中的关键软硬件资源见表2。14V-EEM软件功能模块集成于网关控制器中；网关控制器是整车CAN通信网络的枢纽，可以方便地从动力CAN、舒适CAN和信息CAN获取所需的车辆各种信息，同时将控制指令或显示信息通过CAN总线发送到舒适CAN、信息CAN和仪表CAN；另外，网关控制器作为LIN总线主节点，调度控制发电机电压调节器和蓄电池传感器从节点LIN数据帧获取发电机及蓄电池相关信息，并将控制指令通过LIN总线发送至发电机电压调节器。

表2 红旗14V-EEM系统中的关键软硬件资源

2.2 功能标定

14V-EEM功能标定主要分蓄电池标定、发电机标定和整车标定，其中前两个标定主要是基于所选用发电机和蓄电池的台架标定，其标定结果主要用于APC/PS功能中电平衡计算和IGC中的发电机闭环控制参数确定；而整车标定主要是使EEM功能更加适用于整车环境，以达到更好的能量回收和电平衡管理等效果。

2.2.1 蓄电池标定

该标定主要是测试不同温度和不同SOC下蓄电池的最大可用能量(也可称为安全可用能量)。在留有一定安全余量的前提下，测量蓄电池在不同状态下的特征参数，如可用功率。由于铅酸蓄电池在低温下的充放电能力较弱，因此低温下标定数据相对重要。最终的测量数据经处理后制成多维表格，存储在网关控制器中。

2.2.2 发电机标定

在14V-EEM模型中设有发电机物理模型用于预测发电机在不同转速、负荷、温度和设定电压下的最大可用功率。发电机模型参数和闭环控制所需的数据可通过发电机台架试验获取。发电机台架主要由驱动电机、可控负载箱和测量控制系统组成。图8为所选的LIN发电机在台架中的安装实物图。驱动电机直接驱动发电机，最高转速为20 000r/min。可控负载箱可模拟车上电负载使用情况。测量控制系统则具有调节电机转速、负载箱功率和发电机输出电压的功能。此外，为了模拟发电机所处的发动机舱环境，台架环境温度可调。

图8 发电机测试台架实物图

2.2.3 整车标定

整车标定主要是根据车辆实际状态调整14V-EEM中的参数，使其在车辆上更加合理有效地运行，以达到更好的能量回收和电平衡管理等效果。整车标定可分为转鼓标定和实际道路标定。图9显示了H7在转鼓上的标定实景。整车标定可根据控制算法中的6大功能进行，相关说明见表3。

图9 H7在转鼓上的标定测试实物图

功能标定说明DSD标定参数使EEM更为准确快速地判断车辆所处状态,保证其它功能模块可以正常工作;DSD标定有偏向节油和偏向可靠性两个标定方向IGC根据车辆实际电源网络状态,如蓄电池、发动机和电气负载等,调整发电机控制参数,使发电机工作更加合理,进而使电源网络稳定性和节能减排性能得到保障APC+PS根据车辆实际负载、蓄电池及发电机状态,调整EEM参数,使车辆在电源网络状态较差的时候,尽可能保证车辆稳定性ISI调整发动机怠速提升请求的目标转速和请求时机要求,保证车辆发电机有足够的能力尽快补充电源网络所缺电能,进而保证车辆稳定QPM根据车辆实际静电流状态调整参数,调整EEM静电流报警合理性,辅助完成对车辆控制器故障诊断

3 性能分析与评价

3.1 燃油经济性分析

为了验证燃油经济性，通常选择NEDC作为驾驶循环工况并进行多次测量。测试条件见表4。

表4 NEDC测试条件

油耗测量结果见图10(出于数据保密，暂不能公布具体油耗数据)。当开启EEM功能时，油耗降低约2%～3%。当发动机启停Start/Stop和EEM均开启时，油耗降低约8%～9%。为进一步了解EEM对油耗的贡献，发动机瞬时油耗、发电机负荷和蓄电池的电流/电压被选为分析对象。

图10 14V-EEM对整车降油耗的贡献分析

图11为NEDC下的发动机瞬时油耗对比。由图可见，发动机的怠速瞬时油耗在Start/Stop开启的情况下均为零，进一步降低了油耗。

图11 NEDC下的发动机瞬时油耗对比

图12为NEDC下的发电机负荷对比。由图可见，发电机的负荷信号在EEM的作用下波动较大。加速阶段发电机负荷接近于零，而制动阶段几乎接近于100%，即在车辆处于加速时，蓄电池处于放电状态(见图13和图14)，放电电流为整车消耗的电流值，约30～35A。而发电机处于零励磁或弱励磁状态，因此发动机输出的驱动转矩比强励磁状态时小，从而节省了一部分燃油消耗。当车辆减速时，蓄电池处于充电状态(见图13和图14)，充电电压在15V左右。此时由于制动能量回收发电机处于强励磁状态。但需要说明的是，在减速状态下发电机驱动转矩来自于车辆制动能量的转换，不消耗燃油。

图12 NEDC下的发电机负荷对比

图13 NEDC下的蓄电池电流对比

图14 NEDC下的蓄电池电压对比

由14V-EEM所带来的整车电压波动现象必然对一些敏感性负载(如空调鼓风机、卤素前照灯等)在开启状态下带来不利的驾驶体验。但可通过以下技术措施得到解决：(1)通过对电压幅值及其变化梯度进行限制；(2)一旦检测到敏感性负载开启，IGC功能将进入默认模式，即发电机输出电压恒定；(3)在敏感性供电网络上添加稳压单元。

3.2 电平衡分析

14V-EEM对蓄电池的SOC进行了主动管理，因此蓄电池的充放电平衡应得到保障。一般而言，电平衡QChB的计算公式为

式中蓄电池的电流IBatt是指在整个驾驶循环工况下的蓄电池充放电电流的统称。充电电流被定义为正数；放电电流为负数。如果QChB为负值，则说明在该工况下蓄电池所释放的电量要高于其充电的电量。原因为：(1)发电机功率较小；(2)蓄电池的内阻增加导致可接受充电能力下降；(3)EEM控制策略失效。

图15 NEDC下的加速/减速过程中蓄电池电流变化分析

为了在NEDC下分析蓄电池的电平衡以及能量回收的效果，可根据车辆加速和在发动机燃油控制进入断油模式下对蓄电池的充放电电流进行分别提取(见图15中的充放电电流曲线),并对提取的电流分别进行积分计算，发现即使在发动机Start/Stop功能激活的情况下，蓄电池的电能量的流入和流出仍可达到电平衡状态，即QChB为正值(即图16中的0.027 5A·h)。在发动机进入断油模式下所回收的电能在两次测试中分别为1.721 1和1.479 2A·h，如图16所示。在加速工况下，由于负载功率不变，蓄电池放电量累计基本在2.1A·h左右。在怠速等其它工况下，蓄电池损失的能量通过发电机的正常发电模式得到补偿。因此在只带有EEM功能的前提下，最终电平衡为1.687 9A·h；在带有EEM和启停功能的前提下，最终电平衡为0.027 5A·h，最终电平衡数值比较小的主要原因是发电机在发动机停止时不工作，完全由蓄电池向整车提供电能。因此蓄电池的放电时间增多而导致较小的电平衡数值。

图16 NEDC下的电平衡分析

4 结论

本文中所讨论的电气能量管理系统是通过在有利的发动机工作状态以及蓄电池的荷电状态下，适时主动地调节发电机的输出电压和控制部分与安全无关的大功率电负载。14V-EEM系统正是电气能量管理系统的一种具体实现。在满足电气能量需求的同时，14V-EEM提高了整车燃油经济性并改善了整车电平衡。14V-EEM在红旗H7上的成功应用为在其它车型上的集成提供了借鉴。14V-EEM系统具有如下特点：

(1) 14V-EEM在Start/Stop车型上应用成本更低；

(2) 14V-EEM软件算法可集成在任何车上具有CAN/LIN通信的ECU中；

(3) 14V-EEM系统可提高整车燃油经济性(油耗约降低2%)和电气网络可靠性(蓄电池电平衡为正值)。

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Automotive 14V Electrical Energy Management and Its Application

Ji Guangji1, Han Yutao2, Wang Jingmiao2& Gaertner Christian3

1.BOSCH(China)InvestmentCo.,Ltd.,Shanghai200335; 2.ChinaFAWGroupCorporationR&DCenter,Changchun130011;3.BOSCHEngineeringGmbH,Stuttgart74003,Germany

In view of that in traditional vehicle electric system, the output voltage of generator and the states of battery are difficult to monitor and some on-board electric appliances are uncontrollable, the 14V electrical energy management (14V-EEM) system is investigated in this paper. The system can actively and timely regulate the output voltage of generator and exert control on some non-safety-related high-power appliances under the beneficial working states of engine and battery, to enhance the fuel economy of vehicle and the reliability of on-board electric network while meeting the electric energy demands of vehicle. Finally a 14V-EEM system is installed on a FAW H7 vehicle to conduct a test with NEDC cycle. The results show that its fuel consumption reduces by around 2% with a positive electric balance, attaining the expected results.

automotive 14V electric system; electrical energy management; application

原稿收到日期为2014年11月17日，修改稿收到日期为2015年2月3日。