汽车电源智能控制系统的研究

2022-04-19顾友民方鲁兵侯伦元

安徽职业技术学院学报 2022年1期

顾友民，郭雁，方鲁兵，侯伦元

（合肥职业技术学院机电工程学院，安徽合肥 230012）

伴随着汽车产业技术不断升级，汽车电子、汽车电控、数据总线等相关汽车技术得到快速发展，使得越来越多的汽车电子设备被不断加载，因此现代汽车较传统汽车而言，对汽车电源管理系统提出更高要求。同时随着用电设备增多及功率增大，汽车电源系统产生能耗进一步加大，这有悖于现代汽车技术节能环保的技术趋势，因此汽车电源智能控制的研究十分必要。

1 技术理论

1.1 传统车载电源系统

传统车载电源系统一般包含蓄电池、发电机、调节器［1］、用电负载及其他附属设备等，其主要功能是为整车全状态下提供能量转换、供应及一定范围内实现能量存储。一般组成结构如图1所示，根据汽车工作状态其工作原理大致如下：启动汽车时，蓄电池依靠存储电能驱动起动机，完全满足启动条件时发动机启动，随后发动机正常工作进一步驱动发电机，发电机完成能量转换，此时发电机作为整车用电负载能量主要供应，同时可以为蓄电池做储能补充；当发动机处于非运转状态时，发电机停止工作，此时整车系统如继续有用电负载，蓄电池使用存储能量供应。

图1 车载电源系统

一般情况下为保持发电机、蓄电池、用电负载之间一定状态下平衡关系，系统中一般配有调节器，以此保障系统中各组成部分正常稳定工作。通常情况下传统车载电源系统由于发电机定子线圈匝数是固定不变的，而发电机转速随发动机工作状态瞬态变化，故欲实现发电机输出电压稳定的目标，一般做法是通过调节器调节磁通量大小实现。以用于交流发电机中外搭铁型调节器为例，其主要利用三极管开关特性及二极管单向导通特性控制发电机输出电压基本稳定。

1.2 开环电源管理技术

由上述传统车载电源系统技术理论可知，当前传统汽车的电源管理技术一般仍为开环电源管理技术居多，车载发电机的输出输入电压状态基本保持恒定，不会随蓄电池储能状态、车载用电设备用电需求状态及汽车行驶状态实现智能调节。基于开环电源管理技术的管理方式可能会出现两种不良控制情况。第一种情况是当汽车发动机正常运转时，车载发电机为蓄电池持续充电，可能在一定程度上会对蓄电池造成“过充”，严重时甚至会大大降低蓄电池使用寿命。第二种情况是当汽车发动机停止运转时，如果车载用电器继续有用电需求，此时蓄电池使用自身储能继续供电，可能会造成蓄电池储能量持续下降，严重时可能会出现无法实现汽车的再次启动现象。通过研究分析开环电源管理技术具有结构简单、成本低廉、稳定可靠等优点，但其同时具有明显的控制缺陷。主要缺陷总结为车载发电机供电方式单一不具备智能化特征；蓄电池供电与储能方式单一不具备智能化特征且缺乏保护机制；车载发电机、蓄电池、车载用电设备间信息交互缺乏，不具备智能化特征。

1.3 智能发电机控制

通过上述传统车载电源系统成熟理论可知，传统发电机一般情况下只能基本维持输出电压14伏左右，不具备智能调控功能，显然不能满足整车用电设备对发电机工作的智能要求，因此为了提高对发电机管理的有效性，发电机的控制需要进行特定优化。我们提出一种假设自汽车LIN总线主机节点发出调压信号后，电压调节器从机节点接收信号，然后通过调节占空比方式实现输出电压的有效调节，同时进一步串行车辆运行工况信息设定发电机工作模式［2］。智能发电机调节器控制工作原理如图2所示。

图2 智能发电机调节器基本电路

系统通过实时监测全车主要状态数据，包括蓄电池储能状态、用电设备用电需求状态、汽车行驶工况状态等选择发电机工作模式。例如，当车辆处于加速工况、蓄电池储能状态较好且车载用电设备用电需求不大时，需要降低发电机输出电压，以此减少发动机功率损耗；当车辆处于减速工况、蓄电池储能不足且车载用电设备用电需求较大时，可适当控制发电机输出电压升高，以此实现蓄电池储能快速恢复及保证用电设备正常工作。

1.4 智能电池控制

智能电池控制主要基于智能电池传感器实时监测蓄电池储能状态等信息转化为数字信号，汽车智能电源控制系统以此为参考依据之一，调整系统工作状态，且数字信号可作为整车其他系统的识别信息。智能电池传感器通常针对蓄电池主要参数如电流、电压、温度等实施持续监测，并以此为基础经过合理运算得出蓄电池SOC、SOH等参数。参数转化数字信号及传输过程，按上述LIN总线主从机节点信息控制方法执行。IBS主要有3个检测通道，分别为电流、电压和温度检测通道［3］。蓄电池输出/输入电流经过IBS分流器后，分流信号进入系统输出电路，此时分流信号不能被LIN总线传输，分流信号经过放大电路和A/D（模拟/数字）处理后形成能够被LIN总线识别的数字信号，随后该数字信号被LIN总线分配至系统中电源管理控制器及其他控制单元。考虑到进一步优化控制，我们提出假设在蓄电池传感器IC内部集成温度传感器，电压信号和温度信号经过多通道后同样被A/D（模拟/数字）处理形成能够被LIN总线识别的数字信号，随后该数字信号被LIN总线分配至系统中电源管理控制器及其他控制单元。

2 控制策略

根据上述技术理论分析可知，汽车智能电源控制系统主要根据蓄电池储能状态、发电机工作模式、车载用电设备用电需求等计算依据，平衡整车能量供需关系，并尽最大可能性实现最优化处理，因此提出以下控制策略。

2.1 闭环电源管理控制策略

针对开环电源管理技术所带来的控制缺陷，我们提出采用闭环电源管理控制策略，大致策略主要是：通过系统判断蓄电池储能状态和车辆运行状态控制发电机输出，同时根据车载用电设备用电需要状态对蓄电池实现一定程度的保护功能。为此我们提出发电机的工作模式有以下四种：关闭：控制发电机空转或关闭，无输出电压；标准：控制发电机标准工作，输出电压为标准值；回收：发电机输出电压略高于蓄电池端电压，在维持蓄电池电量的同时减少能耗；快充：控制发电机提高电压输出，迅速恢复蓄电池储能状态达一定标准。同时通过识别车辆的工作状态，识别状态分别为：启动、均速、加速、减速、停止，综合得出发电机的工作模式。进一步根据蓄电池储能状态划分蓄电池保护等级。详见下述蓄电池智能控制策略及发电机智能控制策略。闭环电源管理策略提出可大幅优化传统开环电源管理技术，但该策略中需要对传统发电机励磁电路予以改造。

2.2 蓄电池智能控制策略

蓄电池智能控制策略主要是在收集蓄电池传感器采集到的电压、电流、温度等信号基础上，分析蓄电池储能状况进行蓄电池储能区间划分，通常按荷电状态分为能量回收区、能量循环区、能量保留区、能量亏电区。以此为基础制定出不同的区间采取相应的充放电策略，借助此策略对蓄电池进行监控与保护［4］，具体蓄电池智能控制策略如表1所示。保护等级一级指关闭一切非必要用电设备；保护等级二级指关闭非必要性娱乐舒适性用电设备；保护等级三级指正常蓄电池保护。

表1 蓄电池智能控制分区表

2.3 发电机智能控制策略

传统汽车电源管理系统中发电机输出电压调节一般依据蓄电池电荷量被动输出，故只能保证在一定工作范围内实现稳态电压输出基本稳定，适用工况范围较窄，不能保证在全工况实现最优调节。我们基于上述蓄电池智能控制策略后将蓄电池储能状况分为5种状态，同时参照全车传感器信息反馈将车辆工作状态分为5种状态，据此组合得出发电机智能控制运行的25种模式。基于此我们提出发电机智能控制策略如表2所示，发电机工作时根据工况参数反馈不断的动态调整上述的25种模式，以此为基础调节发电机励磁电流进而精准控制发电机输出电压，实现智能电源控制系统中发电机输出电压在全工况条件下根据环境条件实现最优调节。

表2 发电机智能控制分区表

3 系统设计

基于上述智能蓄电池及发电机控制策略，提出以下设计思路，具体如图3所示。设计核心是系统接收蓄电池智能传感器信号，判定蓄电池储能状态；同时系统接收车辆其他控制单元（如发动机控制单元ECU）等车辆状态相关识别信息［5］，判定车辆使用工况环境，最后系统智能控制发电机工作模式调节及智能控制用电设备工作状况。具体来说如下：（1）系统中蓄电池智能传感器连接在系统上，通过IBS电流、电压和温度检测通道判定蓄电池储能状态（以SOC、SOH为准）。（2）系统中通过整车数据总线（以LIN线为主）实现系统与发电机控制单元等车辆其他控制单元实现信息交换，判定车辆工作状态。（3）系统中发电机励磁线圈智能控制模块连接至发电机励磁线圈控制电路，并以此连接作为智能发电机四种工作模式（关闭、标准、回收、快充）的调节回路。（4）系统中智能供电模块连接至车载用电设备，用电设备根据三种蓄电池保护等级（一级、二级、三级）划分用电优先权，并以此连接作为系统控制车载用电设备智能通断的控制回路。

图3 汽车电源智能控制系统架构示意图

3.1 智能蓄电池结构及传感器

智能蓄电池是基于普通蓄电池基础上加载一组智能化控制装置，具体包含蓄电池接线柱安全装置、智能传感器组、触发控制器等。蓄电池接线柱安全装置通过专用连接件连接蓄电池正极桩，其主要作用是当汽车出现较大事故并符合智能电源控制系统判定断开逻辑时，接线柱安全装置瞬间断开，切断整车电路系统，保证整车安全。智能传感器组主要作用是连续监测蓄电池电压、充放电流信号、温度等信号，提供参数信息以供智能电源控制系统决策。触发控制器是智能电源控制系统的逻辑判断模块，主要是接收系统中智能传感器组的参数信息，同时通过串行数据接收整车其他控制模块信息综合判断，发出控制信号以达到智能控制作用。同时触发控制器相关传感信息及决策也可通过串行线束协议至整车其他模块，供整车其他模块决策参考依据，智能蓄电池结构原理图如图4所示。

图4 智能蓄电池结构原理图

3.2 发电机励磁线圈控制电路的设计

在智能电源控制系统中对于发电机部分，我们设想是在普通发电机基础上针对励磁线圈控制电路做部分改造，从而实现目标研究中发电机全况最优调节，主要工作原理如图5所示。

图5 发电机励磁线圈智能控制原理图

原理图中我们取消传统发电机电压调节器，取而代之的是励磁线圈智能控制模块，主要包括电压采集模块、电压比较模块及功率三极管等。具体过程是通过电压采集模块采集发电机输出电压后形成数据分享至电压比较模块，电压比较模块自动比较分析系统参考电压及发电机实时输出电压，根据比较分析结果控制三极管通断性，进一步可实现发电机励磁线圈电路的控制。因此从理论上分析只要获得整车全况工作下发电机输出电压合理系统参考值，即可实现对发电机输出电压的精确有效控制，可实现发电机全况工作下工作性能最优化。

3.3 试验测试设计

考虑到研究成本条件等限制，我们拟采用软件模拟方式进行下一步实验，通过不断比较分析同类各种模拟软件效果，项目组目前选定CANoe为实验软件系统。CANoe作为成熟软件系统可以同时支持包括CAN总线、LIN总线等多种汽车总线系统开发。CANoe系统中自带有现在市场上主流车型数据模型，这可以大大减少实验车型仿真模型设计时间，但目前困扰项目组成员的问题是成熟车型数据模型进行仿真实验的运行环境设置很难，包括上述实验目标中的全况最优调节，即使在软件系统中通过不断攻关，建立了多种工况数据模型，但接下来的实际实验条件仍然存在挑战。

为满足上述设计需求并最大可能利用现有实验条件，我们拟选用传统底盘测功机进行工况模拟。根据汽车行驶原理可知，汽车行驶时一般有内部阻力和行驶阻力，其中一般定义的内部阻力为汽车行驶过程中汽车传动系统等造成的内生阻力，行驶阻力为汽车行驶过程中所受的滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力矢量和。在底盘测功机模拟工况实验时内部阻力基本上和汽车实际行驶的内部阻力大致相同，可忽略不计。但由于现有实验室条件限制，底盘测功机往往难以实现模拟出行驶阻力中的空气阻力、坡度阻力和加速阻力。鉴于此我们计划采用根据车速情况设定风机流速模拟空气阻力，采用给车辆增加荷载方式模拟坡道阻力和加速阻力。目前项目试验方案正在制定中，待方案完成后将对现有试验室进行一定程度的改造，随后开始试验测试，具体效果需进行反复试验后进一步评估。