汽车智能电源控制系统研究

快速充电袁放电保护等级 2 正常充电袁放电保护等级 1
充电尧放电循环 放电
2.2 供电安全管理 如图 2 所示袁 汽车供电采用分通道独立供电管
理方式袁将各用电负载按重要性尧功能尧功率划分为 D1尧D2尧噎尧Dm 共 m 个不同的供电区域袁各区域分别 由 C1尧C2尧 噎尧Cm 共 m 个独立的供电通道进行供电袁 每一供电通道由 1 个智能继电器模块进行监控和过 载保护管理袁以提高整车用电安全遥
主题词：智能电源 控制系统 蓄电池保护 制动能量回收 中图分类号：U463.63 文献标识码：A 文章编号：员园园园原猿苑园猿渊圆园14冤园2原园园44原园4
Research on Intelligent Automotive Electrical Power Control System
Li Bing, Yang Diange, Kong Weiwei, Lian Xiaomin 渊State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation, Tsinghua University冤 揖粤遭泽贼则葬糟贼铱To protect the automotive power supply system from the adverse effect of addition of automotive electric appliance and power, a battery electricity partition method is proposed for battery protection is proposed, in which power supply is provided to electric appliance separately by different channels for power supply management and short-circuit protection, and intelligent generator control and braking energy recovery are applied to reduce system energy consumption. A car intelligent electrical power system is developed. Test results indicate that this system has functions of battery insufficient voltage protection, short -circuit protection and braking energy recovery, etc., in addition this system can reduce fuel consumption of approx. 3.7 %.
发电机是汽车电源系统中的能量来源袁 也是汽 车电气系统油耗产生的直接来源袁 因此是控制电源 系统中能量流动的关键遥 传统的汽车发电机由于工 作方式和输出电压固定袁 只能根据电池和负载情况 被动调节袁 难以达到能量的优化分配遥 智能电源系 统中的发电机控制技术是根据对蓄电池分区和汽车 运动状态的识别袁 通过励磁电流控制来动态调节发 电机的工作模式袁实现制动能量回收尧能量的优化分 配以及蓄电池的电量控制遥
取不同的充放电策略遥
如表 1 所列袁 当蓄电池电量较充足位于回收
区时袁使蓄电池放电以保留制动能量回收的空间曰
当蓄电池位于循环区时袁蓄电池处于充尧放电循环
状态袁 即当充电达到循环区电量上限时切换为放
电状态袁 当放电达到循环区下限时切换为充电状
态袁使蓄电池电量保持在循环区曰当蓄电池位于保
圆园14 年 第 2 期
浮充
正常
回收
正常
时间
图 3 发电机控制过程电压变化示意
3 汽车智能电源控制系统开发与试验
3.1 智能电源控制系统开发
针对某国产轿车袁 按照上述方法开发了智能电
智能电源控制系统中发电机的工作模式为院 a. 关闭院关闭发电机的励磁袁发电机处于停止 或空转状态袁可以节约能耗曰 b. 正常院发电机处于正常工作状态袁输出电压 为其额定电压曰 c. 浮充院发电机输出电压降为电池浮充电压袁 在保证电池电量的条件下降低能耗曰 d. 快充院提高发电机输出电压袁对电池快速充 电袁制动时提高发电机能量回收功率遥 智能电源系统通过与动力系统的通讯识别车辆 状态为起动尧怠速/匀速尧制动尧加速或停转渊即发动 机关闭时冤等遥 根据上述车辆状态与蓄电池电量分区袁 发电 机的工作模式按表 2 所示的策略进行控制遥 在制 动时使用快充模式回收制动能量袁 若已充满则改 为浮充以减少能耗曰 而加速时在电量允许情况下 关闭发电机袁利用蓄电池供电以减少能耗袁正常行 驶时通过对发电机模式的调节使电量保持在循环 区袁既留出制动能量回收的空间袁也保留足够的电 量供静态条件下使用遥 图 3 为应用上述智能发电 机控制策略时袁 发电机的电压在不同行驶条件下 的变化情况遥
2 汽车智能电源控制技术
燃油汽车的电源系统主要由发电机和蓄电池构 成袁 对电源系统的智能控制技术主要包括蓄电池监控 与保护尧供电安全管理尧发电机智能控制等 3 个方面遥 2.1 蓄电池监控与保护
电量估计是蓄电池管理的基础袁 可通过蓄电池
觹 基金项目院工信部电子信息产业发展基金项目叶汽车智能网络研发与产业化曳袁国家 863 科技攻关项目叶基于车联网的车辆智 能化技术研究曳渊编号院2012AA111901冤遥
C1 通道管理模块 1
电源
C2 通道管理模块 2
窑窑窑窑窑窑
Cm 通道管理模块 m
电器 1-1
电器 1-2
窑窑窑窑窑窑
D1
电器 1-m
电器 2-1
电器 2-2
D2
窑窑窑窑窑窑
电器 2-n2
电器 m-1
电器 m-2
Dm
窑窑窑窑窑窑
电器 m-nm
图 2 电器分区供电示意
供电区域划分主要原则为院 首先将对于行驶安
渊2冤
Hale Waihona Puke Baidu
设
S设
设
墒设 R
SoC>SoCC
由图 1 和式渊2冤可知袁蓄电池状态 sB 按电量 SoC
大小划分为亏电区 SL尧保留区 SP尧循环区 SC 和回收
区 SR 等 4 个分区袁其中 SoCL尧SoCP尧SoCC 为各电量区
间的分界遥 当得到蓄电池的电量分区后袁 就可以此
为基础进行蓄电池的分区保护袁 在不同的区间内采
行冤为开路条件计算袁当锁车静置时袁蓄电池放电电
流较小袁可近似为开路条件袁当放电电流 I 保持在 IS 以下的持续时长达到 tS 时 渊本试验采用 IS=0.1 A袁tS =2 h冤认为满足静置条件袁则利用已标定的开路电压
公式 FOCV渊U冤计算得到 SoC曰在上述 2 种条件均不满 足时袁利用安时积分方法 FAH 迭代计算 SoC袁即利用 第 k 次计算的 SoC 值和第 k +1 次测量的电流值计
理模块的功能主要是通道电流监控和自动过载保
护袁 管理模块对电流的监控可实现不同级别的过
载保护袁即院
0扇设
设 设
设
缮
A =i
设 设
设
1墒设
Ii 叟I軃i i=1袁2袁窑窑窑袁m Ii <I軃i
渊3冤
要 45 要
窑汽车安全窑 式中袁A i=0 时表示第 i 通道供电关闭袁即保护机制 启 动 袁 A i = 1 为 正 常 供 电 曰 Ii 为 第 i 通 道 的 电 流 袁
要 44 要
汽车技术
窑汽车安全窑
传感器采集电压尧电流尧温度等数据袁结合汽车使用
条件实现蓄电池的电量估计袁其计算方法为院
扇设 设
1
设
U>UF 袁I>IF
设
设
SoC渊k
+1冤=
设 缮设
FOCV 渊U冤
t渊I<Is 冤>ts
渊1冤
设
设
F设
设
墒设 AH
蓸 SoC渊k冤袁I
蔀
其它
式中袁SoC 为蓄电池荷电状态袁 即相对电量值曰U尧I
为解决上述汽车电源系统问题袁 目前已开发了 蓄电池管理技术[1,2]尧供电安全监控与保护技术[3,4]尧发
电机智能控制技术[5]以及汽车能量管理系统[6,7]等相 关技术遥 本文基于汽车电源管理技术袁研究开发一 种汽车智能电源控制系统袁包括发电机智能控制尧 制动能量回收尧 通道独立监控和自动保护的汽车 电器供电袁以及蓄电池监控和保护等功能袁以实现 提高汽车电源系统供电能力和安全性及降低能耗 的目标遥
窑汽车安全窑
汽车智能电源控制系统研究 *
李 兵 杨殿阁 孔伟伟 连小珉
渊清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室冤
【摘要】为解决汽车电器数量和功率的增加对汽车电源系统的影响袁提出利用蓄电池电量分区来实现蓄电池保 护方法袁通过电器分通道独立供电进行供电管理和短路保护袁利用发电机智能控制和制动能量回收节约系统能耗遥 针对某款轿车开发了智能电源系统袁试验结果表明袁该智能电源控制系统起到了蓄电池亏电保护尧供电短路保护及 制动回收等功能袁可节约燃油约 3.7 %遥
运藻赠 憎燥则凿泽院Automobile Power Source, Battery Management, Power Supply Management, Alternator Control, Brake Energy Regeneration
1 前言
近年来袁随着汽车电子和通讯技术的发展袁越来 越多的电子设备被应用于汽车上袁 使得汽车总电气 功率越来越大袁 因此对汽车电源系统的性能要求也 逐渐提高遥 汽车电气系统产生的能耗和排放随功率 的增大而增加袁在节能和环保日益受到关注的今天袁 提高电源系统能量利用效率具有重要意义遥 另外袁 保证越来越大的电器功率供应袁提高供电安全袁也是 目前需要解决的主要问题遥 而蓄电池作为汽车供电 系统中的主要储能部件袁 也要对其启动能力和健康 状态进行保护遥
分别为蓄电池电压与电流袁其中电流以放电为正袁充
电为负曰UF尧IF 分别为蓄电池充满条件参数曰IS 为放 电电流阈值曰tS 为时间阈值遥
式渊1冤中袁蓄电池电量根据不同条件按 3 种方
式计算袁第 1 种方式渊式渊1冤中第 1 行冤为充满条件
计算袁当蓄电池充电电压 U 高于 UF尧充电电流 I 小 于 IF 时袁即可认为充满渊本试验中取 UF=13.8 V袁IF越 1 A冤袁充满时得到 SoC=1曰第 2 种方式渊式渊1冤中第 2
留区时袁在发动机运行状态下进行正常充电袁当发
动机关闭时进行 1 级放电保护袁即关闭娱乐尧舒适
性负载曰当蓄电池位于亏电区时袁在发动机运行状
态下进行快速充电袁 当发动机关闭时进行 2 级放
电保护袁即关闭所有非必要的负载袁尽量减少蓄电
池放电量遥
表 1 蓄电池分区控制策略
分区
控制策略
亏电区 SL 保留区 SP 循环区 SC 回收区 SR
算新的 SoC 值渊式渊1冤中第 3 行冤遥
图 1 为蓄电池电量状态区间划分袁式渊2冤为区间
的数学关系式遥
亏电区
保留区 循环区 回收区
0
SoCL
SoCP SoCC 1 SoC
图 1 蓄电池电量状态区间
S扇设
设 设
L
SoC燮SoCL
设
设
设
S设
设
P
s 沂 B
缮设 设
S设
设
C
SoCL <SoC燮SoCP SoCP <SoC燮SoCC
全影响差别较大的电器划分入不同的通道袁 防止次
要区域的供电故障对重要电器的供电发生影响曰其
次是功能和位置相近的电器尽量划分到同一通道曰
另外袁 每一区域的电器总功率不能超出单通道的供 电能力曰最后袁在满足上述条件的情况下尽量采用较
少的通道数量遥
每个供电区域由 1 个独立通道进行供电袁各
通道分别由 1 个通道管理模块进行控制遥 通道管
要 46 要
表 2 发电机控制策略
车辆状态 起动 怠速/匀速 制动 加速 停转
已充满 关闭 关闭 浮充 关闭 关闭
蓄 电
回收区
关闭
关闭
快充 关闭 关闭
池 循环区 关闭 关闭/正常 快充 关闭 关闭
电 量
保留区
关闭
正常
快充 浮充 关闭
亏电区 关闭 快充 快充 快充 关闭
加速
匀速
减速
匀速
怠速 车速 电压 正常
由 通 道 管 理 模 块 进 行 监 控 曰 I軃i 为 第 i 通 道 的 电 流保护阈值袁 可根据该通道连接电器总功率预 先设定遥
通过上述方式进行分通道独立供电袁可以 对整车电器进行有效监控和分配袁当电力不足 时可以关闭部分电器供电以保证主要电器的 使用袁当有电器发生过流故障时也可即时关闭 以保证电源系统的安全袁且不影响其它通道的 供电遥 2.3 发电机控制