电控汽车电能管理系统控制策略

来源:用户上传      作者: 李明诚

　　现代电控汽车安装的用电设备越来越多，耗电量也越来越大(目前最高可达3000W)。另外，即便在发动机熄火期间，电子控制单元、电子防盗系统以及电子时钟等仍然需要蓄电池提供电能，因此现代汽车对整车电能的管理和控制提出了非常高的要求。为确保全车电能供应，保证汽车能够顺利启动和正常使用，又降低燃油消耗，现代电控汽车装备了新型的电能管理系统。
　　电控汽车的电能管理系统实际上包括上游和下游2个部分。其中，上游部分对汽车电源设备(包括发电机和蓄电池)的输出进行控制和调节，下游部分则是指对用电设备的弃用和集中控制。
　　
　　一、车载电能管理系统的工作原理
　　
　　车载电能管理系统是利用汽车原有的发动机控制模块(ECM)、车身控制模块(BCM)和仪表控制模块等，再通过车载局域网络这一平台，形成一个电源闭环控制系统，并由网关指挥，从而实现智能供电和节能功能。
　　车载电能管理系统具有以下主要功能：
　　(1)全面监控蓄电池的性能参数，包括放电电流(I)、端电压(V)、电解液温度(T)、电容量以及充电电流等。
　　(2)对用电负荷采取分级放电管理方式。适时关闭可以暂时停用的舒适系统(如空调)的用电，保证蓄电池至少具备启动发动机的电容量，满足车辆急加速工况的需求，从而提高整车的燃油经济性。
　　(3)当蓄电池的输出电压较低时，适当提高发动机的转速，实现高效、即时控制发电机的输出电压。
　　(4)在不缩短蓄电池使用寿命的前提下，根据蓄电池的充电状态和电解液温度，控制发电机合理的充电电流，实现蓄电池的快速充电。
　　(5)有的车载电能管理系统还用来控制发动机的启动／停止系统。如果蓄电池的SOC(荷电状态)值显示蓄电池的电量不足，使发动机的智能启动／停止系统暂时不工作。
　　(6)在仪表盘上即时显示对电源(蓄电池和发电机)系统的诊断和监控信息，以提醒相关人员注意。
　　车载电能管理系统的节能控制，是基于汽车上所有用电器同时运行的情况偶然才会发生，因此电源设备的功率设计可以取平均载荷而不是最大载荷，这样设计能够显著地提高汽车的燃油经济性，并减小汽车的整备质量。
　　当车载电能管理系统检测到蓄电池的容量小于一定值时，系统将采取“弃用集中控制”方式，首先考虑那些关乎汽车基本功能的系统(如点火系统)对电能的需求，而像舒适系统等只好置于次要地位。另外，当驾驶人希望汽车达到比较大的加速度时，就关闭或者调小舒适系统的用电，如调小空调鼓风机的转速，或者调低座椅加热器的温度等。二、车载电能管理系统对发电机的控制
　　对于电控汽车来说，影响发电机输出电压的因素包括蓄电池的容量、发动机电控单元(ECM)以及外界温度等。如果ECM监测到蓄电池的电压过低，会自动提高发动机的转速，以此来提高发电机的输出电压，为蓄电池提供足够的电量。
　　
　　车载电能管理系统对发电机的控制，主要通过控制进入励磁线圈电流的占空比，调节励磁电流的大小，从而控制发电机的输出电压。采用专门的电能管理系统以后，凌志430轿车发电机的磁场电流占空比的频率为150Hz，磁场电压可以从0一直调节到8V，发电机的输出电压明显提高，从而提高了供电量和对蓄电池的充电效率。
　　下面以通用林荫大道轿车为例，说明电能管理系统对发电机输出电压的控制过程。
　　(1)车身控制模块(BCM)接收蓄电池端电压、电解液温度、蓄电池电容量以及放电电流等信息，并将这些数据通过Class-2串行数据线传输给发动机控制模块(ECM)。
　　(2)发动机ECM控制一个5V、128Hz的固定脉冲，进行脉宽调制信号调制，即控制发电机0～100％励磁电流占空比，实现对磁场电流的调节，从而控制发电机的输出电压。
　　(3)在正常情况下，发电机的磁场电流占空比在5％～95％之间调节，以维持对蓄电池的充电以及向汽车整个电路供电，而占空比0～5％及占空比95％～100％只是在对发电机及网络系统进行检测时使用(见表1)。
　　
　　三、车载电能管理系统对蓄电池的控制
　　
　　目前轿车上一般装备2个蓄电池，一个用于启动发动机，另一个用于为电子控制系统供电。这2个蓄电池的充放电需要电能管理系统进行协调。例如辉腾3.2L轿车，它是大众公司的顶级车型，该车装备了双蓄电池系统，蓄电池安置在行李厢的左右两侧。左侧蓄电池负责为车载电网供电，右侧蓄电池负责为启动机供电。如果安全气囊被引爆，启动用蓄电池的负极接线柱也会自动熔断，以防止发生短路。
　　汽车上的蓄电池是交流发电机的输出电能和全车用电负载之间的缓；中器。车载电能管理系统的软件是以蓄电池的电量来判断蓄电池的性能，进而判断蓄电池还能给汽车的哪些系统提供电能。请看下面2种车型的电能管理系统是怎样对蓄电池进行控制的。
　　(1)通用林荫大道轿车
　　通用林荫大道轿车装备的蓄电池容量为80Ah。能够为冷启动发动机提供720A的强大电流，启动储备容量RC(指在蓄电池充足电的状态下，以25A的电流放电，到端电压下降到10.5V时的持续放电时间)为133min。该车采用电流传感器检测蓄电池的性能，电流传感器与蓄电池的粗搭铁线集成为一体，紧贴在蓄电池的负极上，是三线式的霍尔式传感器，产生的霍尔电压信号直接输入BCM。
　　电流传感器输出霍尔电压，其输出电压的大小与霍尔传感器的磁场强度、进入磁场的电流成正比。当进入磁场的电流不变时，产生的霍尔电压为磁场强度的单一函数，而该磁场取决于蓄电池充电和放电电流的大小。
　　(2)丰田凌志430轿车
　　丰田凌志430轿车同时采用电流传感器和电解液温度传感器，该车设置电解液温度传感器的目的，是限制过高温度下的充电电流，能够有效地延长蓄电池内极板的使用寿命。
　　丰田凌志430轿车的电流传感器安装在蓄电池的正极上，也是霍尔式传感器。电流传感器产生的电压与蓄电池的充电电流(正值)或放电电流(负值)成线性关系。
　　有的电流传感器是通过一个叫做“锰铜分流器”的特殊装置来测量的，它是一个非常精确的低欧电阻器，其阻值范围在50-200mQ之间。进出蓄电池的电流流过这个阻值很小、但是非常精确的电阻器，然后通过测量电阻器上的电压降，得出蓄电池电流的大小，系统就可以知道蓄电池现存多少电能，然后采取“弃用集中控制”策略，对各用电器的运行做出最佳的配置。上述电流传感器(德尔福公司称之为“IVT”)一般安装在蓄电池的右端，而且尽可能地靠近蓄电池。这种传感器通常作为终端总成的一个部件，目的是为了达到所需要的精确度。
　　
　　四、大众车系的电能管理系统
　　
　　以大众速腾(Sagitar)1.6L轿车的车载电能管理系统为例，它根据蓄电池电压、发动机转速、发电机的DFM信号等数据对

蓄电池的性能进行评估。当蓄电池电压低于一定值时，车载电源控制单元便提高发动机的怠速，以补偿供电系统的电压，并适时关闭舒适系统的某些用电设备。
　　大众速腾轿车采取以下3种模式对用电设备进行管理：
　　管理模式一。15号线接通，发电机处于工作状态。如果蓄电池的电压低于12.7V，车载电源控制单元将提升发动机的怠速。如果蓄电池的电压低于12.2V，则关闭座椅加热、后窗加热、后视镜加热、转向盘加热、脚坑照明以及门内把手照明等功能，关闭空调器或降低全自动空调功能，关闭信息娱乐系统。
　　管理模式二。15号线接通，发电机处于停供状态。如果蓄电池的电压低于12.2V，则关闭空调或降低空调能耗，关闭脚坑照明和门内把手照明，关闭上／下车灯和离家功能，关闭信息娱乐系统。
　　管理模式三。15号线断开，发电机处于停供状态。如果蓄电池的电压低于11.8V。则关闭车内灯、脚坑照明和门内把手照明，关闭上／下车灯和离家功能，关闭信息娱乐系统。
　　这里需要说明3点：①以上3种模式的不同之处，在于用电设备被关闭的次序不同。②如果关闭的条件不再存在，用电设备将重新激活。③如果用电设备因为电能管理系统原因被关闭，在中央电器控制单元(J519)中有故障信息存储。
　　进口大众辉腾轿车设置的车载电网控制单元与大众速腾轿车有相同之处，都是用来监控蓄电池的充电状况，当监控到蓄电池的电压在一段时间内低于12.2V，则判定车载电网处于临界状态，将根据优先等级，由各自的电控单元关闭后窗玻璃加热器、座椅加热器等舒适性用电设备，或者降低空调系统的输出功率，以避免出现严重的蓄电池亏电现象。
　　
　　五、车载电能管理系统的检测
　　
　　判断车载电能管理系统是否失常，可以采取简便方法。当车载电能管理系统失效时，一般具有以下特征：
　　(1)组合仪表中只有充电指示灯点亮；
　　(2)发动机偶尔启动困难；
　　(3)蓄电池静态放电的电流不大；
　　(4)发动机的动力正常；
　　(5)调不出故障码。
　　还可以在发动机舱内倾听，或者在安静、密闭的情况下，人坐在车厢内，锁上车门，然后仔细倾听有无类似继电器吸合的“吧嗒”声，或者电控单元工作的声音。如果有，说明车载电能管理系统存在故障。
　　对车载电能管理系统的检测，可以采取以下2种手段：
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　　(1)读取汽车运行时的数据流。查看发电机励磁电流的占空比，应当在50％-90％之间，如果小于50％或者大于90％，都不正常。
　　(2)检测蓄电池电流传感器的输出电压。当蓄电池不充电和不放电时，电流传感器产生的基准电压为2.5V。如果检测到电流传感器的输出电压在2.6～2.8V之间波动，说明蓄电池的充电电流过小(见图1).车载电能管理系统失常。
　　
　　六、典型案例分析
　　
　　(1)故障现象
　　一辆2003款宝马530i轿车(采用E60底盘)，每天早晨第1次启动时，仪表盘上的EGS(电子自动变速器)、RPA(轮胎压力报警)、ACC(自动巡航控制)指示灯报警，但是将发动机熄火后重新启动，上述故障指示灯会熄灭。
　　(2)故障诊断与检测
　　该车设置有智能蓄电池传感器(IBS)，IBS通过探测蓄电池负极的温度，以感知外界温度的变化，并将此信号传递给发动机电控单元(ECM)，再由ECM控制发电机发电。用宝马车系专用诊断仪GTI检测，调得的故障信息为“控制单元电压过低”。检测发电机的输出电压，有时达到15.4V，有时又存在不发电的现象。更换新的发电机后，上述故障现象不再出现。

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