汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)

田光輝

（四川職業(yè)技術學院汽車工程系，四川 遂寧 629000）

汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)

田光輝

（四川職業(yè)技術學院汽車工程系，四川 遂寧 629000）

發(fā)電機與發(fā)動機連接方式固定，輸出電壓只能根據(jù)蓄電池荷電量和負載功率大小被動且有限調節(jié)，因而輸出電壓只能在一定范圍內基本穩(wěn)定，難以使發(fā)電機到達最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.文章在深度剖析發(fā)電機結構、工作模式、控制模塊基礎上，通過建立汽車電源系統(tǒng)控制策略，只需對發(fā)電機進行適度的智能化改造，就能實現(xiàn)適時、在線、全工況條件下對發(fā)電機輸出電壓的調節(jié)，確保發(fā)電機始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.

汽車電源；智能；控制系統(tǒng)；研發(fā)

隨著汽車電控和數(shù)據(jù)總線技術的快速發(fā)展，大量娛樂性、舒適性電器應用到汽車上，在增加用電設備功率同時必然要求提高發(fā)電機的輸出功率否則會導致發(fā)電機負荷過大.目前發(fā)電機多為勵磁式，作為汽車主電源，其輸出電壓由電壓調節(jié)器進行調節(jié)控制，而且發(fā)電機與發(fā)動機之間通過帶傳動，只要發(fā)動機運行，發(fā)電機始終處于運行狀態(tài)，這必然在消耗發(fā)動機能源同時導致對蓄電池的過充電，必然縮短蓄電池的使用壽命.因此研發(fā)汽車電源智能控制系統(tǒng)既滿足發(fā)展、需求的需要，又具有節(jié)能、降耗的現(xiàn)實意義.

1 實現(xiàn)目標

通過對汽車電源進行智能控制系統(tǒng)的研發(fā)，可實現(xiàn)：

（1）穩(wěn)壓輸出電壓.汽車電子設備對電壓波動很敏感.因此，為確保其正常工作就要求發(fā)電機的輸出電壓波動幅值必需精準控制在0.1V以內.

（2）調節(jié)輸出電壓.發(fā)電機的輸出電壓只能在一定范圍內基本穩(wěn)定，不能確保全工況條件下獲得最優(yōu)性能.通過建立汽車電源智能控制系統(tǒng)策略，對發(fā)電機進行適度的智能化改造，從而實現(xiàn)適時、在線、全工況對發(fā)電機輸出電壓的調節(jié)，確保發(fā)電機始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.

（3）節(jié)約能源.在滿足汽車用電設備使用安全和負荷需求前提下，盡可能降低發(fā)動機能耗；以蓄電池荷電量狀態(tài)參數(shù)和車輛運行狀態(tài)參數(shù)為控制基礎，設計發(fā)電機控制策略，使發(fā)電機獲得最優(yōu)工作性能，從而實現(xiàn)既有效保護蓄電池，又實現(xiàn)能量回收.

2 汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)

2.1 控制策略

汽車電源智能控制系統(tǒng)是根據(jù)蓄電池荷電量狀態(tài)和車輛運行狀態(tài)，控制發(fā)電機以最適當?shù)墓ぷ髂Ｊ竭\行，以達到最優(yōu)性能.因此，蓄電池荷電量狀態(tài)和車輛運行狀態(tài)是實現(xiàn)發(fā)電機智能控制的基礎.

2.1.1 蓄電池智能控制策略

蓄電池監(jiān)控與保護是汽車電源智能控制系統(tǒng)的基礎，在分析處理蓄電池傳感器采集到的電壓、電流、溫度等信號基礎上，對蓄電池的荷電量進行估算和能量狀態(tài)區(qū)間進行劃分（通常按荷電狀態(tài)分為能量回收區(qū)、能量循環(huán)區(qū)、能量保留區(qū)、能量虧電區(qū)）.以此為基礎制定出不同的區(qū)間采取相應的充放電策略，借助此策略對蓄電池進行監(jiān)控與保護，蓄電池智能控制策略如表1所示.

表1 蓄電池智能控制策略

2.1.2 發(fā)電機智能控制策略

發(fā)電機是汽車電源智能控制系統(tǒng)的核心，由于發(fā)電機與發(fā)動機連接方式是固定的，輸出電壓只能根據(jù)蓄電池荷電量和負載情況被動調節(jié)，其值在一定范圍基本穩(wěn)定，難以實現(xiàn)最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.汽車電源智能控制系統(tǒng)是以蓄電池智能控制策略為基礎，結合汽車運行狀態(tài)等多種參數(shù)檢測、處理，運用信息反饋原理，針對蓄電池電量狀態(tài)和汽車運行狀態(tài)組合得到若干個二維狀態(tài)空間，發(fā)電機智能控制策略以每個二維狀態(tài)空間為基礎，通過實時、在線、全工況控制發(fā)電機的勵磁電流來自動調節(jié)發(fā)電機至最優(yōu)的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對發(fā)電機的準準控制和能量回收，發(fā)電機智能控制策略如表2所示.

表2 發(fā)電機智能控制策略

2.2 汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)

結合蓄電池和發(fā)電機控制策略，研發(fā)出汽車電源智能化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)架構如圖1所示的.

圖1 汽車電源智能控制系統(tǒng)架構示意圖

2.2.1 主要特點：

（1）以智能電源控制系統(tǒng)為控制核心，經過改造后的發(fā)電機勵磁線圈控制電路直接連接到智能電源控制系統(tǒng)中的勵磁線圈智能控制模塊上.

（2）智能供電模塊采用分通道獨立供電管理方式，將各用電負載按重要性、功能、功率劃分為多個不同的用電設備，從而對整車電器進行有效監(jiān)控和分配，每個供電通道由1個智能斷電器模塊進行監(jiān)控和過載保護，以確保整車用電安全.

（3）蓄電池智能傳感器連接在智能蓄電池和智能電源控制系統(tǒng)的負極柱上，可準確測定蓄電池的荷電狀態(tài)（簡稱SOC）和技術狀態(tài)（簡稱SO H）；車輛運行狀態(tài)傳感器與發(fā)動機電控單元ECU等車輛控制器之間建立信息中心，獲取車輛的適時運行狀態(tài)參數(shù).

（4）智能電源控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線（CAN、L I N）與發(fā)動機電控單元（ECU）等進行信息通訊，獲取車輛狀態(tài)參數(shù).

2.2.2 智能蓄電池結構及傳感器

智能蓄電池是在普通鉛酸蓄電池結構上增加了安全蓄電池接線柱（簡稱SB K）、智能傳感器組簡稱I BS、觸發(fā)模塊、蓄電池電纜監(jiān)控系統(tǒng)等組成，在實際應用中還需要通過其它傳感器獲取相應參數(shù)，并通過串行數(shù)據(jù)線（簡稱BSD）進行通訊聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，其結構如圖2所示.SB K柱通過專用連接器直接與蓄電池正極連接在一起，若出現(xiàn)事故，瞬間引爆SB K柱，斷開啟動機、蓄電池、發(fā)電機三者之間的連接電路，將可能發(fā)生燃燒爆炸的危險降至最低；若出現(xiàn)事故，觸發(fā)模塊給SB K柱一個引爆信號；蓄電池電纜監(jiān)控系統(tǒng)用于監(jiān)控蓄電池電纜不正常的狀態(tài)參數(shù)，通過數(shù)據(jù)傳輸線將其狀態(tài)參數(shù)傳輸給發(fā)動機ECU，確保車輛更加安全可靠；智能蓄電池傳感器是在普通傳感器基礎上增加智能芯片，它是智能電源控制系統(tǒng)中最重要部件之一，安裝在蓄電池負極，通常由機械元件、智能芯片和軟件等組成，其內部含有微控制器（簡稱μC，一種機電式部件），主要用于連續(xù)測量蓄電池電壓、蓄電池充電/放電電流和蓄電池電解液溫度等參數(shù).

圖2 智能蓄電池架構示意圖

2.2.3 發(fā)電機勵磁線圈控制電路的設計

在借鑒國內外汽車發(fā)電機智能控制原理基礎上，剖析發(fā)電機控制現(xiàn)狀，結合汽車電源智能化控制系統(tǒng)設計理念，本著實用、簡化原則，對發(fā)電機勵磁線圈控制電路進行了適度的設計.（1）不改變發(fā)電機驅動與連接方式，只對其勵磁線圈電路進行電控，（2）對其內部結構拆分：保留三相交流發(fā)電機和整流器作為發(fā)電部分不變；而將勵磁線圈作為用電器進行智能化改造，確保發(fā)電機始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.（3）取消原發(fā)電機電壓調節(jié)器，增加勵磁線圈智能控制模塊，用勵磁線圈智能控制模塊對發(fā)電機的輸出電壓進行控制、調節(jié)，從而實現(xiàn)發(fā)電機全工況模式下工作模式的自動切換.發(fā)電機勵磁線圈智能控制模塊如圖3所示.

圖3 發(fā)電機勵磁線圈智能控制原理圖

發(fā)電機勵磁線圈智能控制原理圖主要由交流發(fā)電機、電壓采集模塊和電壓比較模塊和功率三極管等組成，以勵磁線圈智能控制模塊為核心，以參考電壓原始數(shù)據(jù)為基礎，將功率三極管串聯(lián)在勵磁線圈搭鐵端從而控制勵磁線圈電路的接通與斷開.電壓采集模塊適時采集發(fā)電機的輸出電壓并將該電壓反饋至控制模塊，同時將發(fā)電機輸出電壓送至電壓比較模塊；電壓比較模塊將反饋電壓與參考電壓進行比較、分析，控制三極管基極電壓，進而控制三極管通斷，從而控制發(fā)電機勵磁線圈電路的接通與斷開.只要合理設定參考電壓原始數(shù)據(jù)，就可以適時、在線、全工況下對發(fā)電機工作模式及其輸出電壓進行精準的控制，確保發(fā)電機始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能.

4 驗證

針對以上設計，需要在仿真試驗臺架上進行汽車發(fā)電機工作模式轉換實驗、汽車發(fā)電機穩(wěn)定輸出電壓調節(jié)測試和汽車燃油消耗測試等工作，通過系列仿真測試一方面獲取動態(tài)狀態(tài)參數(shù)來驗證設計、制作效果，另一方面發(fā)現(xiàn)設計、制作過程中的不足.以便后期不斷改進、完善，這項工作目前仍在進行中.

5 結論

針對目前國內外汽車電源智能控制系統(tǒng)的研發(fā)空白，在消化吸收國內外學者的研究成果，結合目前車用發(fā)電機結構、應用現(xiàn)狀基礎上，提出了汽車電源智能控制系統(tǒng)的研究思路，盡管仍處于理論研究階段，還有待于一系列的仿真測試，還有待于進一步完善.但我相信該項研究對汽車電源能量管理與控制、對供電安全管理、確保發(fā)電機始終處于最佳工作狀態(tài)和最優(yōu)工作性能等都具有一定的應用推廣價值，值得后期進一步深化研究與完善.

[1]李兵，楊殿閣．汽車智能電源控制系統(tǒng)研究[J]．汽車技術，2014，（2）．

[2]孔偉偉，楊殿閣．傳統(tǒng)汽車發(fā)電機的智能化控制及改造[J]．清華大學學報（自然科學版），2014，（6）．

[3]張宗榮．寶馬智能蓄電池[J]．汽車電器，2013，（7）．

[4]潘潘惠，豐邱洪亮．傳統(tǒng)汽車電機的智能化控制及改造研究[J]．中國高新技術企業(yè)，2016，（1）．

Research and Development of Intelligent Control System for Automobile Power Supply

TIAN Guanghui
(Sichuan Vocational and Technical College,Suining Sichuan629000)

Generator and engine connection is fixed,the output voltage can only be passively and limited regulated based on battery load and load power.So the output voltage can only be basically stable within a certain range,it is difficult to make the generator to reach the best working condition and optimal work performance.Based on the deep analysis of the generator structure,working mode and control module,this paper establishes the control strategy of the automobile power supply system,to ensure that the generator is always in the best working condition and optimal performance.

Automotive Power Supply;Intelligence;Control System;Research and Development

U46

A

1672-2094(2016)05-0176-03

責任編輯：張隆輝

2016-03-15

四川省教育廳自然科學一般項目階段性研究成果（編號：15Z B0355）。

田光輝（1967-），男，四川大英人，四川職業(yè)技術學院副教授。研究方向：汽車電子及控制技術。