车载低压电源管理系统的研究

载低 电压 电源 管理 系统 的 结构组 成 ，从 硬件 和 软件 两个 方面 进 行研 究 。根据 车载 低压 电源 的使用 工况 ，
设计 了基于分流器的负载端 电流采样电路和发 电机控制 电路 。提出了采用扩展 Ｋ ｌ ａ ａ ｎ滤波算法回归计 ｍ
算初始点的 ｓ ＯＣ算法 ； 基于 ｓ ０Ｃ窗 口， 出 了车 载低 压 电源 管 理系统 的四种 工作 模式 。 提 实验 结 果表 明 ， 本文 提 出的 ｓ ＯＣ算法 具 有很 好 的鲁棒 性 ，计算 误 差可控 制 在 ４ ％以 内， 出的车 载 电压 电源管 理模 式 可 提 以根 据 外界 负载 的需求 优化 发 电机 的输 出电压 ， 制 蓄 电池 的充放 电 电流 ，节 约整 车油 耗 ，道 路 实验表 控 明 ，加 装车 载低 压 电源 管 理系 统后 ，整 车 油耗 可节 约 ２６ ．％。 是通 过合 理 的调 节车 载发 电机 的输 出功率 ， 到延 长 电 达
图 １ 车载低压 电源管理 系统结构框 图
２ 、系统硬件 架构分 析
是 在 发动 机运 转 后 ，提供 整 车 电能 以及给 蓄 电池 充 电； ２ １硬 件 系统框 图 ． 车 载低 压 电源 管理 系统 硬件 结 构示 意 图如 图 ２ 所 Ｃ ８０８ 时为整车 负载供 电。 车载低压 电源管理系统的功能目标 示 。本 系统 基于 ＮＥ ７Ｆ ８ １八位 单片 机 ，该 ８位 单
蓄 电池 Ｓ ＯＣ 的计 算 一 直 以来 是 国 际 上 公认 的难 点 ，针 对 本系 统特 点提 出 了一种 新 的 Ｓ Ｃ 计 算方 法 。 Ｏ 本 系 统提 出的 Ｓ ＯＣ计 算方法 主要 分成 两 个部 分 ， 是 一
初始 Ｓ ＯＣ计 算 ，二是 正 常 Ｓ Ｃ 计算 。 由文 献 可知 ＿ Ｏ ｊ ， 当初 始 Ｓ ＯＣ计 算足 够准 确 时 ，安 时积 分法 可 以达 到很
为 ５ 时 ，可承 受 的共 模 电压 为 ２ Ｖ， 由于本 系 统 的电 Ｖ ４ 蓄 电池 电压信 号 ， 流器 采集 的电流信 号 ，霍 尔 电流 信 池 额 定 电压 为 １ Ｖ， 电机 的输 出 电压 最 高至 １Ｖ， 分 ２ 发 ６ 所
号和 温度 信 号 。 系统 中 负载端 的 电流 信号 采用 分流 器 以可 以满 足 需要 。该 电路 的增益 可 以 由式 （ ）计 算 。 本 １ 采 样 ， 电机 充 电 电流信 号采 用霍 尔 电流传 感 器 ， 要 由式 （ ）可 知该 电路 的增 益 是大 于 ２ ，当分 流器上 发 主 １ Ｏ倍 是 因 为发 动 机 的 启动 电流 较 大 ，在 冷 启 动 时 可 以达 到 检 测 到 ＩＯ 的 电流 ，Ｒ ＝ ０ 时 ，那 么输 出至 ＡＤ ＯＡ ２２０ ／
池寿 和车 载用 电器寿 命 ，节约 整车 燃 油消耗 量 。为 了达 出于 燃 油经 济性 、 力性 和舒 适 性 的原 因 ， 载 电 到这 一控 制 目标 ， 载低 压 电源 管理 系统 必须 实 时监控 动 车 车 力 电子 设备广 泛 使用 ，汽 车 上 电器 的总 功率 不 断增加 ， 蓄 电池和 车用 负 载状态 ， 以此 为基础 合 理指 令 车载 发 并
并 以此 为起 点 运 用 安 时积 分 法 计算 正常 运 行 过程 中 的
Ｓ ＯＣ。
标 必须 建 立 良好 高效 的软 件控 制 模 型 。 电池 的荷 电状 蓄
态 Ｓ ＯＣ 是整 个 控制 算法 的基础 ，整车 能耗 管 理是 基于 蓄 电池 Ｓ ＯＣ 窗 口的控 制策 略 ，下 面将 详细 讨 论本 系统 中应用 的蓄 电池 Ｓ ＯＣ算法 和整 车 能耗 管 理策 略 。 ３１Ｓ ． ＯＣ算 法
系 统 根 据 蓄 电池 Ｓ ＯＣ 的 范 围 工作 模 式 可 以划 分 为 四 种 。模 式 １表示 在 蓄 电池 Ｓ Ｃ极 低 的情 况下 ，将发 电 Ｏ
机 电压 升 高 ， 速给 电池充 电， 这 种模 式下 考虑 发 快 在 电机 的效 率 ，目的就 是 给蓄 电池快速 充 电 ，以确 保蓄 电 池 在 下 次 启动 时能 够 给 启 动 电机 提 供 足够 能 量启 动 发 动机 。在 模式 ２条件 下 ，此 时 蓄 电池 Ｓ ＯＣ偏 低 ，但 是
划 分 工作状 态 和工 作模 式 。
高 的精 度 。所 以在本 系 统 中着重 对初 始 Ｓ Ｃ 算法 进行 Ｏ 了研 究 ，在初 始 Ｓ Ｃ 计算 完 成后 应用 安 时积 分法 计算 Ｏ
Ｓ０ Ｃ
图 ６ 整 车 电 能 管 理 模 式 划 分
图 ６为本 系统 的工作模 式 划分 。 图 中可 以看 出本 从
＿
Ｑ 是 Ｐ管，对发 电机 的控制信号采用的是 ｈ ｈｉ ２ ｉ ｓ ｅ的 ｇ ｄ
图 ２车载低压 电源管理系统硬件结构
输 出方式 ， 过控 制 Ｑ 通 ２的通 断 间接控 制 Ｑ１ ． Ｑ２的控 制 信 号 来源 于单 片机 ， 单片 机根 据 当前 的调压 需 求输 出控 制 引脚 信 号 ，控制 Ｑ ２通 断 ，从而控 制 Ｑ１ 电机 的负 ． 发 载 率 反馈 信号 也 是 Ｐ ＷＭ 信 号 ， 本 系统 中通 过 比较 器 在 Ｕ１对 发 电机 发 出 的信号 进行 整形 ，然后输 出给单 片机
组 成 部分 。
生
本文 研 究 了车载 低 压 电源管 理系 统 ， 以延长 电池和
车 载用 电器寿 命 ，节约 整 车燃 油消 耗量 为 目标 ， 别从 分
硬 件 和 软 件 两 个 方面 研 究 了低压 电源 管 理 系 统 的技 术
难 点与 重 点 ，形 成 了车 载 低 压 电源 管 理 系 统 的基 本 架
高端 轿车 的平 均 电功率 从 ２ 世 纪 ７ 年代 不 到 ５ ０ ０ ０ ０ Ｗ 电机 的输 出功率 。 车载低 压 电源 管理 系统 主要 监 控 的信 上 升 到 ２０ ０ ５年 的 ３ ０ Ｗ ，且还 在 不 断增加 ，因此汽 车 号量 包含 ：发 电机 的发 电电流 ，发 电机 当前 负载 率 ，电 ００
图 ４ 发电机控制电路
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两
赢ｙ 歼发研究
３ 、车载低 压 电源 管理 系统软件分析
车 载 低 压 电源 管 理系 统 是 以延 长 电池 和 车 载用 电 器 寿命 ， 约整 车 燃 油消耗 量 为 目标 ，为 了达 到这 一 目 节
压 的差值 在 设定 范 围 内。至 此初 始 Ｓ ＯＣ就 计 算完 毕 ，
构。
１ 、系统 结构 组成
图１ 所示为车载低压 电源管理系统的结构组成。 由
图可知 ，该 系统 主 要 由 以下部 分组 成 ：车 用 发 电机 ，蓄 电池 ，车用 负 载和 低压 电源 管 理系 统 组成 。车用 发 电机 蓄 电池 模 块 为整 车 启动提 供 电能， 并且 在发 动机 未 启动
莽 韵 赢而 丽
Ｄｅｖ ｌ ｅｏｐｉｇ ｎ Ｒｅ ｅ ｃ ｓ ａｒ ｈ
鉴 窒
片机 资 源丰 富 可 以满足 本系 统 的需 要 。由 图 ２可 知 ， 硬 益调 节 倍数通 过 电阻 Ｒ ２来 完 成 。 ２ ０ ７的 出色功 能 ＡＤ ２ ５ 件 系 统 主要 由以下模 块 组成 ： Ｄ 模 块 ， 时处 理模 块 ， 还 表 现在 可 以在 高共 模 电压 下工 作 ，当系 统 电源 ＶＣ 实 Ｃ Ｏ模块和 Ｃ ＡＮ 通讯 模 块 。Ａ／ 模块 处理 以下信 号 ： Ｄ
的沿检
２２ 信 号处 理 电路 分析 ． 由于 电压 采集 ， 温度 采集 和 霍 尔 电流 传 感器 处理 电
路 较 为简 单与 常用 ， 这里 将对 分流 器 电流 采样 电路和 发 电机控 制 电路 进行 设计 分 析 。
２２１分流 器 电流 采样 电路 ．．
分流 器采 集 到 的 电流 为车 用 负载 端 的 电流 ， 以这 所 里 的 电流 方 向是 唯一 的 。 系统采 用 的分 流器 的额定 参 本
３２ 整车电能管理 ．
传 统 的车 载发 电机 当发动机 启 动后 ， 电机 的输 出 发
电压 是恒 定 的 ，那 么 就会 导致 发 电机 的输 出功 率 不 可 控 ，蓄 电池 始终 处 于充 电状 态 。 本 系统 中发 电机 的输 在 出 电压 是 可 以调节 的， 以蓄 电池 的 Ｓ ＯＣ状 态 为 窗 口，
开 时必须 将发 电机 电压调节 在 一定 的电压范 围 内，所 以
在 本 系统 中设 置 了 Ｉ 模 块 接 收大 灯 的开 关 量信 号 。 ／ Ｏ
Ｃ Ｎ通讯模块用来接收整车信息和发送 自身状态信息。 Ａ
图 ３ 分 流 器 处 理 电路
２２２发 电机 控 制 电路 ．．
僵
＝Ｏ ＝ ］
一
发 电机 的输 出 电压 有控 制 信号 的 占空 比决 定 ， 由于 发 电机 自带 的驱动 控制 电路 ， 以本 系统只 需 将控 制信 所 号 输 入给 发 电机接 口， 发 电机 自己完成驱 动 功率 的输 让 出 。 ４是本 系 统设计 的发 电机控 制 电路 。 是 Ｎ 管 ， 图 Ｑ１
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Ｄｅ ｅｌ ｎｇ ｅｓ ｃ ｈ ｖ ｏｐｉ Ｒ ｅａ ｃ
车载低压 电源管理 系统 的研 究
顾 晓 莉
（ 海 交通 大学 上 机 械 与动 力学 院 ）
摘
要 ：为 了节 约整 车燃 油 消耗 量 ，延 长 电池和 车载 用 电器 ，研 究 了车载 低 压 电源 管 理系 统 。分析 了车
图 ５ 初始 Ｓ ＯＣ 算 法
可 以维持 下次 发动 机 启动 的 能量 ， 式 ２是 ４种 模式 中 模
因为其 中涉 及 到 了发 电机 能量 在蓄 电 图 ５所 示 为本 系 统初 始 Ｓ 的计 算 方法 。在 该 算 最 为 复杂 的模 式 ， ｏＣ 法 中主要 考虑 了 以下 因 素对 初始 Ｓ Ｃ 计算 的影 响 ：蓄 池 和 负 载 间 的分 配 问题 ，因 为 外界 负 载 需 求 是刚 性 需 Ｏ 电池 的 自放 电量 Ｓ ，电池 的漏 电量 Ｓ ，电池 开 路 电压 求 ，那 么 该 问题 就 转 化 到 了对 电池 充 电 电流 的调 节 问 １ ２ 和 电池 的停机 时间 。 中 的 Ｓ Ｃｌ 图 Ｏ 是根 据上 次 停机 保存 题 。 由于车载 发 电机 本身 的 功率和 发 动机 相 比所 占比重 的 Ｓ ｓｖ 减 去 Ｓ ＯＣ ａ ｅ １和 Ｓ ２得到 的 。对 于铅 酸 蓄 电池 ， 很 小 ，所 以在 本 系统暂 不 考虑 对 发动 机运 行 点 的调节 ，
数 为 ７ ｍ ，１ ０ ５ ｖ ０ Ａ，短 时过 载 能力 可 以承受 ５ ０ 电流 ０Ａ
３ｓ ０ ，可 以满足 系 统 的需 要 。分 流器 的 处理 电路 如 图 ３
所 示 。 图中 Ｒ１表示 分流 器 电阻 ，Ｃ１ ２和 为 滤波 电 ，Ｃ
容 ， ２为增 益调 节 电阻 。 Ｒ 在本 系 统 中选择 芯 片 Ａ ２ ５ Ｄ２０ ７ 作 为微 弱差 分信 号 放大 器 ，放大 倍率 可 高至 １０倍 ， ６ 增
引 言
用 电安全 越来 越 受 重视 ， 载 电源 的管 理 问题 也越 来越 池 电压 ，电池温 度 和 负载 电流 ； 制信 号 量主 要 是发 电 车 控 重要 ， 并且 传统 的发 电机 开环 控制 方式 已经 不 能满足 需 机 占空 比 。 求。 车载 电源管 理 系统 是今 后汽 车 电气 系统 不可 缺 少 的
一
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（） １
点上 分流器 更 能满 足要 求 。实时处 理模块 是对频 率量
的处理信 号 ，因为发 电机 的控制 和反馈 是 Ｐ ＷＭ 信 号 。 在 车载用 电器 中某些 用 电器 的寿命 电压有关 ，典型 的就 是 汽车大 灯 ，为 了延 长汽 车大灯 的寿 命 ，当汽 车大灯 打
３ ０ 以上 ，如 果采 用霍 尔 电流传 感 器 量程 范 围较大 ， ０Ａ
的 电压应 该 是 １ ｖ。单 片机 可 以根据 检 测到 的电压值 ． ５
那 么 在 小 电流 范 围 内精 度 较低 ， 同时可 以利 用发 动机 启 反 算 当前 电流 值 。
动 大 电流过 程捕 捉 电池 电压 响应 ，计 算 电池 内阻，在这