柴油机系统智能发电机应用简介

孙佳玥 赵红莎 于江涛 王盈旭 王腾

【摘  要】发电机作为商用车的主要供电来源，是柴油发动机的重要零件之一。近年来，随着油耗要求不断提高，以及商用车智能化、一体化的架构需求，智能发电机成为当前研究的重点。LIN调节器借助成熟的LIN通信网络，具备成本低、适配性强的优势。通过智能发电机与电子控制单元ECU的双向通信，发电机与发动机的工况可以形成最佳匹配，ECU依据车辆工况发出指令，调整发电机参数，并要求调节器反馈其状态参数，可以依据SOC、坡度变化等参数优化整车控制策略，防止蓄电池过充，节约整车油耗。

【关键词】柴油机;智能发电机;LIN通信;应用

中图分类号：U463.631    文献标识码：A    文章编号：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

孙佳玥（1990—），女，工程师，硕士，主要从事柴油机、新能源汽车电控系统开发等工作。

智能发电机已经在乘用车领域逐步推广，在商用车柴油机领域目前还未得到广泛应用。传统柴油机发电机升级为LIN调节器后，通过发电机、电量传感器构成的闭环电量监控系统，可实现发电机的发电量控制、发电机状态监控等基础功能，借助实际驾驶工况的判断，如起动、停机、制动等请求，可进一步实现能量回收、过充保护等复杂功能，节约行驶油耗，提升整车动力性。

1  LIN2.1协议

LIN总线支持单主多从节点，最大传输速率可达20kb/s。由于LIN总线可以基于普通UART/SCI硬件接口实现，总线仅需要一根单线电缆，因其具有功能简单、成本低的优点而被广泛使用[1]。LIN2.1协议于2006年11月发布，与LIN2.2协议几乎没有差异，却比其前身LIN2.0协议有着显著改善，主要体现在参加了事情触发帧的竞赛处理，完善了节点装备功用和进行了确诊分级3个方面。

LIN总线通信帧的格式分为主任务和从任务。主任务负责调度总线上帧的传输次序，作为标准时钟参考，以及接收从机节点发出的总线唤醒命令。从任务需要接收主任务发送的帧头，根据帧头包含的信息判断是否发送应答。帧包含帧头和应答两部分，帧的传输如图1所示。

帧的结构如图2所示。其中，帧头主要由同步间隔段、同步段、PID段（受保护ID段）3部分组成，而同步间隔段的数据格式是唯一不遵循字节域格式的。同步段是固定的0x55数值，作用是保持帧的同步性。应答部分由数据段和校验和段组成。

同步间隔段由同步间隔和同步间隔段间隔符构成，同步间隔是至少持续13位的显性电平。当总线空闲时，它总是保持隐性电平形式，因此除了同步间隔段外，不会出现任意大于9个显性电平的字段，故13个显性电平的同步间隔段，可视为帧的开始标志。同步间隔段的间隔符为至少1位的隐性电平。

在完整的LIN帧数据传输过程中，除了同步间隔段外，其余段均通过字节域的格式进行传输。字节域是一种标准UART数据传输格式，由1位显性起始位、8位数据位、1位隐性停止位组成。LIN的同步段是以下降沿为判断标志，采用固定格式0x55作为字节域。

受保护的ID段共含8位，前6个位为帧ID，后2个位为前6位的奇偶校验位。从任务根据接收到的帧ID作出反馈，因此需要根据奇偶校验位验证帧ID是否正确。

数据段为1～8个字节长度的数据，包含了信号和诊断消息两种数据类型。信号由信号携带帧传递，一个帧ID对应的数据段可能包含一个或多个信号，发送信号的节点称为发布节点，接收信号的节点称为收听节点。诊断消息由诊断帧传递，对消息内容的解析由数据自身和节点状态决定。

校验和分为校准型和增强型两大类，采用何种校验和由主节点管理，发布节点和收听节点根据帧ID来判断采用哪种校验和[2]。

2  智能发电机原理

智能发电机为柴油机系统新一代发电机，借助车载LIN网络，可以实现与电子控制单元的双向通信，使发电机与发动机的工况形成最佳匹配。电子控制单元通过发送报文来调整发电机工作模式，并要求发电机调节器反馈实时状态，进而实现整车控制策略的优化。智能发电机可与蓄电池电量传感器形成闭环系统，通过识别不同驾驶工况，并对智能发电机进行指令控制，可实现能量回收、起动节能、蓄电池保护等功能，降低发电机能耗，实现节油目的。

智能发电机与传统发电机安装方式相同，通过发动机的皮带连接，带动发电机转子旋转发电，不同的是，传统发电机的励磁信号是由整车电气系统直接提供的，而LIN发电机是由调节器接收的电控单元指令进行励磁的。通过PID字段，电控单元可以识别车上不同的LIN设备，调节器作为发电机的控制单元，可以接收电控单元发来的指令并执行，同时反馈信息给电控单元。

通常，智能发电机的控制还会搭配智能蓄电池传感器配合使用，如图3所示，智能蓄电池传感器同样通过LIN通信与电控单元进行交互，可回传蓄电池电流、内阻、电压、温度、SOC、SOH等数据，用以监控蓄电池的健康状态，对发电机的控制逻辑也可起到辅助判断作用，从而形成控制闭环。

如电控单元控制调节器的帧ID为0x29，调节器回馈电控单元的帧ID为0x11，以控制智能发电机励磁电流为例，如图4所示，发电机信号传输过程为：①电控单元输出ID=0x11，调节器检测同步信号ID=0x11后，调节器反馈发电机目前的励磁电流信号;②电控单元输出ID=0x29信号，同时数据段输出改变发电机励磁电流指令信号，调节器检测ID=0x29进行接收并识别信号后，响应励磁电流改变的指令;③电控单元输出ID=0x11信号，调节器检测同步信号ID=0x11后，反馈发电机新的励磁电流信號。

3  智能发电机的控制策略

1）辅助起动管理。智能发电机可控制励磁信号，在发动机起动时，调节器可通过设定发电电压为低阈值或关闭励磁电流，让发电机在起动过程中停止发电，减少发动机起动过程中的负载;当检测到发动机起动成功后，恢复发电功能，确保发动机平稳起动。

2）制动能量回收。当车辆处于在挡滑行、行车制动、发动机停机过程中，通过读取蓄电池电量传感器信号，在确认蓄电池未过充的情况下，可提升发电机设定电压，进行快速充电;当车辆处于超车、加速过程中，在确保SOC充足的条件下，可降低发电机设定电压，让发电机少发电或不发电，减少能量损失，节约油耗。

3）蓄电池保护。根据蓄电池电量传感器反馈的内阻、电流、电压、SOC、SOH、温度等信号及时调节发电机的设定电压，避免过充、过放。蓄电池电量足够的情况下，例如SOC高于80%，降低发电机设定电压或限制最大发电机励磁电流输出，维持蓄电池SOC水平;蓄电池SOC较低时，可以较大的固定电流对电池快速充电;蓄电池SOC处于中间状态时，可根据蓄电池温度选取合适的充电电压，或借助蓄电池充电曲线的试验数据进行电压调节，避免蓄电池频繁大电流放电，延长蓄电池寿命[3]。

4）扭矩补偿。根据发电机反馈的励磁占空比、转速、温度、电压等信号估算发电机的消耗扭矩（需借助台架试验数据），用于提供给电控单元进行附件消耗功的精确计算，也可针对扭矩突变的工作点进行扭矩补偿，实现扭矩精准控制，减少发动机抖动。

5）预测性控制。借助地图信息，预判坡度变化，上坡过程中减小发电机目标电压使发电机少发电或不发电，待下坡时提升目标电压，给蓄电池进行快速充电，实现能量迁移。

4  总结

智能发电机是当前商用车领域研究的重点之一，通过软件策略集成，和普通发电机可通过标定切换，适配性极强;智能发电机不仅可以通过LIN通信报出发电机故障，精准定位故障原因，减小发电机的误判率，也可根据SOC调节发电电压，对蓄电池起到保护作用，延长电池寿命，同时可实现上下坡或行车过程的复杂发电管理，实现能量回收，提高充电效率，进一步加快了柴油机附件控制的智能化进程。

参考文献：

[1] 谷威昭，方滨. 基于普通单片机的LIN协议实现方案[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2005（7）：5-7，11.

[2] 刘家瑜. LIN总线应用系统设计与LIN收发器研究[D]. 成都：电子科技大学，2011.

[3] 董先瑜，凤亚娇，张培华. 高效智能发电机的控制策略及其应用[J]. 汽车实用技术，2016（8）：170-175.

（编辑  凌  波）

收稿日期：2023-09-05