新款宝马7系能量管理系统技术改进剖析

新款宝马7系能量管理系统技术改进剖析作者：刘春晖，孙长勇
来源：《汽车电器》 2015年第7期
刘春晖，孙长勇
（山东华宇工学院，山东德州 253034）
中图分类号：U463.6 文献标识码：B 文章编号：1003-8639（2015）07-0033-06
作者简介：刘春晖（1974-），男，山东德州人，汽车维修高级工程师，现从事汽车电气设备和汽车电控方面的教学、实操工作，在各级汽车维修类杂志上公开发表论文30篇，出版汽车维修类图书20部，E-mail： liuchunhui_2005@。

收稿日期：2014-07-03：修回日期：2014-08-19
宝马7系是宝马公司顶级的豪华轿车系列，是宝马汽车的旗舰车型，而且只有轿车形式。

宝马7系只在德国本土生产，生产商为BMW。

级别为全尺寸豪华轿车，车身形式为4门轿车，
驱动形式为前置后驱。

宝马的历代车型代号及时间为：第1代宝马7系BMW E23 （1977～1986）；第2代宝马7系BMW E32 （1987～1994）；第3代宝马7系BMW E38（ 1995～2001）：第4代宝马7系BMW E65/E66（2002～2008）；BMW FOI/F02（2009-）。

目前我们说的新款宝
马7系即是第5代宝马7系BMW F01/F02。

这款车最早在2008年9月的巴黎车展上正式亮相。

新一代平台的第5代宝马7系在2008年年底替代E65/E66，长轴距版，代号为F02，比F01长
14 cm。

车载网络包括所有产生、存储、分配和转换电能的组件。

车载网络的任务是在所有车辆运
行状态下提供和分配电能，以便为所有电气组件提供所需电能。

最主要目的是在行驶过程中保
持车辆起动能力，并确保正常运行。

另一个目的是将损耗减至最小（蓄电池能量利用率较高）
并通过用电器、存储器和转换器的联网、布置及相应控制，避免车载网络组件（蓄电池电量过低）受到损坏。

与宝马集团的当前车型一样，FOI/F02也通过一个能量管理系统确保车内能量分配均衡。

作为软件集成在发动机控制单元内的电源管理系统执行能量管理系统功能，新款宝马7系
FOI/F02车内能量循环回路如图1所示。

能量管理系统包括很多功能，例如：断开供电总线端、断开用电器、调节电气辅助加热器
的功率大小、蓄电池充电电压规定值、授权蓄电池放电、提高怠速转速、识别蓄电池状态、车
辆编程等功能。

下文仅介绍能量管理系统最重要的改进情况。

1 能量管理系统的功能
1.1 电源管理系统
电源管理系统是能量管理系统的一个子系统。

电源管理系统功能由发动机控制单元执行（DME或DDE）。

能源管理系统调节重要用电器的功率消耗和发电机功率以及行驶期间的蓄电池充电状态。

电源管理系统基本上可以分为基本电源管理系统BPM和高级电源管理系统APM两种。

新款宝马7系FOI/F02仅采用高级电源管理系统APM。

除基本电源管理系统的主要功能（怠速
转速和充电电压规定值）外，APM还扩展了降低用电器功率、断开用电器、车载网络诊断、蓄
电池诊断等其它功能。

1.1.1 提高怠速转速
即使交流发电机以最大功率工作，但获得蓄电池提供的电流后，汽油发动机车辆的怠速转
速最多只能提高200 r/min。

而在柴油机车辆上，发电机与内燃机之间的传动比较高，因此不
必进行这种干预。

怠速转速时，发电机即以相对较高的转速运转，因此发电机的功率输出非常
充足。

1.1.2 充电电压规定值
充电电压规定值由车外温度和IGR（智能化发电机调节）功能决定。

1）车外温度的影响蓄电池充电电压规定值功能通过调节取决于温度的蓄电池充电电压，从电化学角度确保蓄电池最佳充电。

由于冷态蓄电池存储的电量较低，因此充电电压必须高于
热态蓄电池。

相反，如果使用同样高的电压为热态蓄电池持续充电，则存在起泡危险，因此，
根据温度调节发电机的充电电压。

当前蓄电池温度直接通过蓄电池负极上的智能型蓄电池传感
器（lBS）进行测量，并通过LIN总线传输至发动机管理系统（DME/DDE）。

电源管理系统将该
数值作为输入参数，计算出蓄电池温度。

系统通过一个计算模型根据达到的蓄电池温度设置充
电电压规定值，通过位串行数据接口（BSD）将相关信息发送至发电机。

2）蓄电池再生为了确保“IGR较低”功能可用，存储器内必须始终保留一定缓冲容量。

这
点通过IGR较高和IGR中等功能实现。

对于蓄电池来说，这就意味着从未完全充电。

如果蓄电
池长时间没有完全充电甚至处于放电状态，可能会导致蓄电池硫化。

硫化会造成蓄电池提前老化，从而导致有效额定电量降低。

为了避免这种情况，通过蓄电池充电电压规定值功能使蓄电
池再生，即对蓄电池完全充电。

在带有IGR功能的车辆上，为了防止因循环放电／硫化导致蓄电池提前老化和容量损失，
定期执行蓄电池的各再生阶段。

在此期间，考虑到环境条件（温度、充电状态）要求下，以最
大允许充电电压对蓄电池进行完全充电，不同温度下的发电机调节电压如图2所示。

1.1.3 应急运行
BSD接口中断时，APM执行应急运行功能。

此时发电机电压恒定设置为14.3V。

在发动机管理系统的故障代码存储器中输入“BSD通信”代码。

F01/F02高级电源管理系统APM工作框图如图3所示。

1.1.4 降低用电器功率
为了降低紧急情况下的电能消耗，除提高怠速转速和充电电压规定值外，还能降低各种舒适用电器的功率，甚至将其完全关闭，这样可以防止蓄电池放电。

用电器（发动机运转期间）分为A级和B级2个等级。

1）A级降低这种用电器的功率消耗或将其关闭时，驾驶人只能在有限程度上或一段时间后才能感觉到。

只有满足蓄电池充电状态在临界范围内、发电机负荷较高2个条件时，才会关闭A级用电器或降低其功率消耗。

满足上述条件时，针对A级用电器执行以下措施，见表l。

2）B级降低这种用电器的功率消耗或关闭相关功能时，驾驶人会立即有所察觉。

只有蓄电池充电状态在临界范围内时，才会关闭B级用电器或降低其功率消耗。

满足上述条件时，针对B级用电器执行以下措施，见表2。

蓄电池充电状态离开危险范围后，各项功能就会完全恢复正常。

执行关闭用电器或降低其功率消耗功能时，显示屏仍保持启用状态（LED仍亮起）。

降低用电器功率或关闭用电器时，会存储一条故障代码，并在历史记录存储器内存储持续时间、里程数和相关功能。

3）电气辅助加热器在没有驻车暖风的柴油发动机车辆上，还会通过一个根据PTC原理工作的电气辅助加热器对热交换器进行加热。

电气辅助加热器是功率消耗相对较大的用电器（最高可达1300W），因此必须将其纳入电源管理系统的控制流程中。

此外，在带有后座区暖风和空调系统的车辆上，后座区还装有另外2个电气辅助加热器（各300W），这些较高的电气负荷通过以下方式进行调节：①IHKA控制单元控制电气辅助加热器（通过LIN总线），FKA控制单元控制后座区的2个电气辅助加热器（通过一个脉冲宽度调制信号）；②DDE内的电源管理系统调节电气辅助加热器的最大电功率（信息信号）；③电气辅助加热器的最大功率取决于发电机的负载程度；④电气辅助加热器根据电源管理系统的要求，调节供热调节器的供热能力。

1.2 高级电源管理系统
1.2.1 车辆驻车运行模式
1）驻车用电器即使已开始执行电源管理系统的休眠电流监控功能，某些用电器仍可处于启用状态。

出于很多原因需要启用这些用电器：①法律规定的用电器，例如停车示警灯、闪烁警告装置；②为客户提供便捷的舒适功能，例如收音机功能、电话。

为了避免电源管理系统做出错误判断，必须将这些用电器排除在休眠电流监控之外。

为此这些用电器必须在电源管理系统注册。

电源管理系统识别出用电器的启用状态并认可较高的电流消耗量。

停用这些系统时，相关控制单元再次在电源管理系统处进行注销。

2）驻车用电器注销发动机管理系统内的电源管理系统根据蓄电池的充电状态和起动能力限值，发出关闭驻车用电器的请求。

不论处于何种总线端状态下，驻车用电器都必须停用各项功能，并在5min后达到其休眠电流。

法律规定的用电器除外。

1.2.2 总线端
自FOI/F02起，一些总线端开始使用新名称。

分为逻辑总线端和供电总线端。

逻辑总线端包括：总线端R、总线端15、总线端50。

逻辑总线端不能作为供电总线端使用，只能表示一种状态。

通过按压START-STOP按钮启用或停用。

其状态以总线信号形式发送至各控制单元。

供电
总线端包括：总线端30、总线端15N、总线端30B、总线端30F。

表3列出了以前和现在所用的总线端名称。

1）总线端15N 总线端15N为仅在行驶期间启用的控制单元和电气组件供电，例如PDC。

字母N表示“继续运行”。

供电总线端15N通过逻辑总线端15接通和断开。

总线端15N断开后继续运行Ss，该时间用于各控制单元存储数据。

总线端15N启用期间，总线端30B和总线端
30F也处于启用状态。

2）总线端30B总线端30B为“驾驶人控车”期间所需的控制单元和电气组件供电。

字母B
表示“基本运行”。

通过以下方式启用总线端30B：①按压无线遥控器上的按钮；②车辆开锁
／上锁／保险锁死；③按压START-STOP按钮；④车门触点状态变化，行李厢盖触点状态变化，侧窗玻璃位置变化；⑤总线信息。

在车辆保险锁死且行李厢盖已关闭（继续运行1min）及车辆
未保险锁死或行李厢盖打开（继续运行30 min）时，正常停用。

其它停用方式有：达到起动能
力上限限值（继续运行1min）；休眠，进行休眠电流测量的诊断指令（继续运行lOs）；运输
模式（继续运行1min）。

应该注意的是，总线端30B启用期间，总线端30F也处于启用状态。

3）总线端30F 总线端30F为“驾驶人控车”期间所需且可在出现故障时关闭的控制单元
和电气组件供电。

并非通过总线端15N或总线端30B供电、不负责登车功能、不必满足有关持
续运行法规要求的所有控制单元。

字母F表示“故障”。

通过以下方式启用总线端30F：①按压无线遥控器上的按钮；②车辆开锁／上锁／保险锁死；③按压START-STOP按钮；④车门触点状态变化，行李厢盖触点状态变化，侧窗玻璃位置变化；⑤总线信息。

出现故障时（休眠电流过高，总线唤醒事件，休眠模式抑制装置，达到起动能力限值），
总线端30F复位10s。

至少满足下列一个条件时，总线端30F不会复位或关闭：①总线端30B
处于启用状态；②驻车灯已接通；③停车示警灯已接通；④危险报警灯已接通；⑤多个控制单
元通过服务信息要求延长总线端30B和总线端30F的继续运行时间。

例如：发动机处于运行温
度时，车辆停车和上锁后电风扇可能需要继续运行最多11min。

为了控制电风扇运行，必须为
发动机管理系统供电。

由于此时继续运行时间只有3 min（当前总线端30B的继续运行时间较短，不足1min），因此．DME会在发动机关闭时通过总线电码发出相应的延长指令。

⑥识别出“继电器粘连”。

只要总线端30B断开且至少满足以下一个条件，总线端30F就会断开：①达到起动能力限值；②总线端30F复位后又出现10个总线唤醒事件；③总线端30F复位后，不明原因启用总线；
④总线端30F复位后识别出超过休眠电流。

总线端的控制如图4所示。

4）总线端继电器 FOI/F02装有多个用于切断大多数控制单元供电的继电器，见表4。

接
线盒电子装置控制总线端30F的双稳态继电器，但接收发白中央网关模块ZGM或IBS的请求。

阻止进入休眠模式或未经授权唤醒时，ZGM监控车辆状态并记录总线端30B关闭后出现的阻止
进入休眠模式或未经授权唤醒事件。

超过休眠电流或达到起动能力限值时，IBS在2个控制单
元内进行控制总线端30F继电器的相关计算。

ZGM监控总线系统内的非法唤醒过程以及休眠模
式抑制装置（使总线系统始终保持启用状态的控制单元）的情况。

发动机控制单元（DME/DDE）不断读取并评估蓄电池数值。

达到车辆蓄电池起动能力限值时，同样会断开继电器。

总线端
30F继电器是一个双稳态继电器，在正常条件下始终处于接通状态，只有出现故障时才会断开
所连接的用电器。

总线端30F继电器断开后，只有满足某一个接通条件时才会重新接通。

5）一般性措施作为一般性措施，在车辆处于驻车运行模式时断开总线端“断开用电器”和总线端“车内照明装置”。

只有车辆未保险锁死时才会采取这些措施，如果车辆已保险锁死
就会立即断开这些用电器。

涉及用电器：车内照明装置（前部和后部）、脚部空间照明装置
（前部和后部）、阅读灯（前部和后部）、化妆镜照明灯。

2 能量管理系统的部件结构
新款宝马7系FOI/F02能量管理系统包括内燃机、发电机、车辆蓄电池、智能型蓄电池传
感器、接线盒电子装置、发动机管理系统（电源管理系统）、用电器等组件。

2.1 智能型蓄电池传感器（IBS）
新款宝马7系FOI/F02智能型蓄电池传感器的功能范围与以前车型相似，其外形如图5所示。

不同之处在于现在通过LIN总线实现IBS与发动机控制单元之间传输数据以及IBS的唤醒
功能。

通过蓄电池配电盒的一根单独导线为IBS供电。

IBS数据通过LIN总线传输给高级控制
单元（DME或DDE）。

根据需要，IBS可通过一根单独导线唤醒接线盒电子装置，车载网络内的IBS如图6所示。

智能型蓄电池接线柱（IBS）是一个用于监控蓄电池状态的机械电子部件。

智能指的是IBS
具有一个集成式微处理器，该微处理器对有时间要求的测量参数进行计算和评估。

智能型蓄电池传感器IBS可以记录电流、电压、电极温度等蓄电池物理参数。

智能型蓄电
池传感器IBS内集成的主要功能有：①持续测量各种车辆运行状态下的蓄电池电流、电压和温度；②计算蓄电池指标，作为蓄电池充电和健康状态的基础。

蓄电池指标是指车辆蓄电池的充
电和放电电流、电压和温度。

在计算蓄电池指标的同时还会事先计算出蓄电池充电状态（SOC）。

③平衡蓄电池充电／放电电流；④持续监控蓄电池的充电状态并在电量不足时传输相关数据；
⑤计算发动机起动时的电流特性曲线，以确定蓄电池的正常状态；⑥监控车辆休眠电流；⑦白
诊断。

1）唤醒功能车辆处于休眠模式时，IBS持续记录与蓄电池指标有关的数值。

根据编程要求，IBS每14s唤醒1次，以便通过重新测量更新测量值，测量时间持续约50ms。

测量值存储
在IBS的存储器内，以便记录休眠电流。

唤醒功能仅适用于车辆处于休眠状态时。

如果IBS识
别到一个唤醒原因，就会通过一个PWM信号唤醒接线盒电子装置。

IBS通过一根导线直接连接
在接线盒电子装置上。

不同占空比下的唤醒原因：占空比20%时，起动能力限值1；占空比40%时，起动能力限值2；占空比60%时，休眠电流提高。

因休眠电流提高而唤醒最多可进行3次。

接线盒电子装置根据车辆状态和唤醒原因执行下列某项操作：①唤醒车辆，从而确保
DME/DDE可向驻车用电器发出断开请求；②总线端30F复位（不会唤醒车辆）；③总线端30F
断开（不会唤醒车辆）。

在各种情况下都会存储一条故障代码于存储器记录。

2）首次使用IBS一经安装到蓄电池接线柱上（拧在搭铁点上并插接在信号导线上）便可完全正常运行，即可以立即获取蓄电池的电流、电压和温度等参数。

但由此得到的用于电源管理
系统的蓄电池状态、起动能力等参数必须经过重新计算，因此延迟一定时间后才能提供使用。

发动机重新起动后，DME或DDE读取休眠电流特性曲线。

如果与规定的休眠电流特性曲线存在差异，就会在DME或DDE故障代码存储器内存储一条记录。

在发动机“关闭”到DME主继电器断开期间．DME或DDE向IBS提供用于确保发动机起动的最大充电量信息。

DME主继电器断开后，IBS就会持续检查蓄电池充电状态（SOC）和休眠电流。

2.2 接线盒电子装置
接线盒电子装置负责控制总线端30F继电器并存储能量管理方面的相关信息（历史记录数据和故障代码存储器记录）。

进行诊断时，可通过这些数据进行故障评估并分析车辆蓄电池情况。

2.3 发动机管理系统（电源管理系统）
用于控制能量平衡流程的软件（电源管理系统）位于发动机管理系统内。

基于这种控制方式，由CAS控制单元通过总线端30B继电器或由中央网关模块和发动机控制单元通过总线端30F断开车载网络中的各种用电器。

此外，电源管理系统还负责分析和存储IBS数据，发动机管理系统的外形如图7所示。

3 能量管理系统的服务信息
1）显示蓄电池充电状态在生产线上装配的车辆蓄电池电量充足，SOC>80%（SOC=充电状态）。

但从车辆生产到供货给客户之间要经过几天或几周时间，在此期间蓄电池可能会放电。

因此必须根据充电时间表对所有蓄电池进行充电。

FOI/F02首次实现了可在运输新车期间显示蓄电池充电状态。

启用生产或运输模式时会生成一条检查控制信息，通过该信息可迅速了解蓄电池状态，见表5。

充电状态SOC降至35%以下时，组合仪表始终保留显示内容，直至更换蓄电池并记录蓄电池更换信息。

运输模式复位后，组合仪表便不再显示蓄电池充电状态。

车辆出现红色检查和控制信息“蓄电池电量过低”时，必须将蓄电池电量过低作为运输损坏项目在供货单中标出。

在这种情况下，必须执行测试模块“能量诊断”以确定故障原因。

在将车辆交给客户前，更换蓄电池并通过服务功能记录蓄电池更换信息。

如果运输车辆过程中出现黄色检查和控制信息“蓄电池充电”，也必须在供货单中注明。

随后必须对蓄电池进行一次充电并进行能量诊断。

2）在运输模式下关闭／更改功能新款宝马7系F01/F02处于运输模式时，将关闭或接通部分功能。

3）休眠电流休眠电流超过80 mA时，就会生成一条检查控制信息（车辆处于驻车状态时蓄电池放电增加），怀疑耗电量增加时必须测量休眠电流。

即使仅稍稍超出正常耗电量，也可能会导致蓄电池放电相对较快。

图8为F01/F02车载网络处于不同运行状态时典型的休眠电流特性曲线。

实际电流值随车辆的配置情况而变化。

系统根据总线端状态关闭总线端“断开用电器”（例如阅读灯和化妆镜照明灯）。

车辆已保险锁死时，就会立即断开相关用电器。

处于其它所有总线端状态时，继续运行8 min后断开总线端“断开用电器”，由脚部空间模块进行控制。

4）车载网络和蓄电池诊断近几年来一直在对所有宝马车型的能量管理系统进行改进，而且针对不同车型系列制定了统一标准。

对于能量诊断工作来说，这也意味着统一了相关检测计划和宝马诊断系统的显示内容。

诊断工作的目的是要找出真正造成蓄电池电量过低的故障原因。

由于车辆结构非常复杂，尤其是能量管理系统，因此根据故障情况也许只能判断出部分具体原因。

如果根据相关数据无法准确说明故障情况，就会显示出记录的能量诊断数据。

电源管理系统得以完全保留，现在将扩展的诊断功能存储在历史记录存储器内。

ZGM监控车辆状态，记录总线端30B断开后出现的阻止进入休眠模式或未经授权唤醒事件，通过总线信息请求JBE复位或断开总线端30F。

触发原因和唤醒原因（未经授权唤醒）作为附
加信息存储在ZGM故障代码存储器内。

最近5周以来的驾驶方式存储在JBE的能量记录存储器内，该能量记录存储器用于能量诊断。

参考文献：
[l] BMW集团培训学院供电／能量管理系统[z]
[2] BMW集团培训学院FOl/F02能量管理系统[z]
[3] BMW集团培训学院R56能量管理系统[z]
（编辑杨景）。