一種乘用車的電源管理系統(tǒng)

謝璞光， 范程程， 涂 斌， 范宇希， 郭亞強(qiáng)， 柴 浩

（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北 保定 071000）

目前為了保護(hù)環(huán)境，國家大力支持汽車節(jié)能減排的研發(fā)，大力倡導(dǎo)節(jié)能科技研發(fā)與應(yīng)用，針對汽車節(jié)能減排研究與應(yīng)用進(jìn)入了快速發(fā)展的軌道。電源管理系統(tǒng)［1］（包括動(dòng)態(tài)電源管理及休眠電流管理）的應(yīng)用，可以使車輛的啟動(dòng)性能和電池的壽命明顯地提高和改善，且能夠有效降低整車的油耗。

現(xiàn)在乘用車型上搭載電源管理系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)：①功能單一，僅具有制動(dòng)能量回收［2］功能，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；②未考慮起動(dòng)過程對蓄電池及其他用電器穩(wěn)壓（蓄電池頻繁啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致蓄電池的使用壽命降低）；③現(xiàn)用的電源管理系統(tǒng)不具有穩(wěn)壓功能。

因此本方案設(shè)計(jì)了一種新型的電源管理系統(tǒng)，可有效降低蓄電池的深放電及制動(dòng)過程中的能量浪費(fèi)等問題，同時(shí)具有穩(wěn)壓功能，可以防止車輛在智能啟停過程中因電壓過低導(dǎo)致部分電器件的重啟。

1 方案介紹

圖1為總體設(shè)計(jì)方案圖。該電源管理系統(tǒng)主要涉及超級電容、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、EBS、智能發(fā)電機(jī)等。發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)出智能啟停信號，超級電容［3］負(fù)責(zé)儲(chǔ)存/放出電量。下面對各個(gè)系統(tǒng)邏輯進(jìn)行說明。

圖1 12V電源管理系統(tǒng)總體方案

1）超級電容：在起動(dòng)過程中放電，對蓄電池進(jìn)行電壓補(bǔ)償，防止因蓄電池電壓跌落過低，導(dǎo)致部分電器件重啟。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)ECU：檢測整車是否滿足智能啟停條件，并將智能啟停的信號發(fā)送給PMU控制器。

3）EBS：檢測蓄電池的電壓、SOC等，并將相應(yīng)的信息傳送給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU及PMU控制器。

4）PMU控制器：①接收發(fā)動(dòng)機(jī)ECU發(fā)出的智能啟停信號，將超級電容存儲(chǔ)的電量補(bǔ)償給蓄電池；開關(guān)K2的閉合時(shí)間點(diǎn)與蓄電池被拉低的電壓值有關(guān)。例如，在起動(dòng)過程中，當(dāng)蓄電池電壓被拉低至10V時(shí)，開關(guān)K1斷開，K2閉合，此時(shí)蓄電池與超級電容串聯(lián)，起動(dòng)機(jī)兩端電壓在15V左右，保證起動(dòng)過程中整車電壓不至于過低。②在行駛過程中將智能發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的14V電壓經(jīng)過內(nèi)部2#DC/DC轉(zhuǎn)換成5V，給超級電容充電。③接收EBS發(fā)送過來的電池狀態(tài)信息，起動(dòng)之前對蓄電池電量進(jìn)行評估，判定是否需要超級電容放電輔助普通鉛酸電池對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行起動(dòng)。

2 12V電源管理系統(tǒng)工作原理

支持LIN、CAN通信以及其他通信協(xié)議。

2.1 整車休眠情況下

開關(guān)K1閉合，K2、K3斷開，蓄電池負(fù)極通過開關(guān)K1與整車搭鐵連接在一起，此時(shí)PMU控制器無功能（相當(dāng)于該控制器被短路，且不消耗整車靜態(tài)電流）。

2.2 整車喚醒狀態(tài)下（非著車）

開關(guān)K1閉合，K2、K3斷開，PMU控制器首先檢測超級電容的電壓值，判定超級電容是否需要充電，然后檢測蓄電池的電壓值（蓄電池的電壓值信號由EBS傳輸給PMU控制器）是否滿足對超級電容進(jìn)行充電，最后對比超級電容的電壓與蓄電池的電壓的比值，判定是否需要通過蓄電池對超級電容進(jìn)行充電。

若超級電容電壓＜閾值U4，蓄電池電壓值＞閾值U1，且蓄電池電壓/超級電容電壓≥N（需要給出一個(gè)值）時(shí)，開關(guān)K2斷開，K1、K3閉合，對超級電容進(jìn)行充電30s。整車喚醒狀態(tài)下（非著車），PMU控制器工作流程如圖2所示。

圖2 整車喚醒狀態(tài)下（非著車）PMU控制器工作流程圖

2.3 整車起動(dòng)過程中

2.3.1 非智能啟停過程

1）當(dāng)普通鉛酸電池電量充足的情況下（電池SOC滿足起動(dòng)要求），起動(dòng)過程中開關(guān)K1閉合，K2斷開，使用鉛酸電池將整車起動(dòng)。

2）當(dāng)普通鉛酸電池電量不足的情況下（電池SOC不滿足起動(dòng)要求），起動(dòng)前K1閉合，K2、K3斷開，在起動(dòng)過程中，當(dāng)PMU控制器檢測到蓄電池電壓≤10V時(shí)，開關(guān)K2閉合，K1、K3斷開，鉛酸電池和超級電容（串聯(lián)）共同作用將整車起動(dòng)。整車非智能啟停過程，PMU控制器工作流程如圖3所示。

圖3 整車非智能啟停過程，PMU控制器工作流程圖

2.3.2 智能起停啟動(dòng)過程

PMU控制器信號端接收發(fā)動(dòng)機(jī)ECU傳輸?shù)膯⑼Ｐ盘枺_關(guān)K1閉合，K3、K2斷開，起動(dòng)過程中，當(dāng)PMU控制器檢測到蓄電池電壓≤10V時(shí)，開關(guān)K2閉合，K1、K3斷開，鉛酸電池和超級電容（串聯(lián)）共同作用將整車起動(dòng)，防止蓄電池因起動(dòng)過程被拉低，導(dǎo)致部分電氣負(fù)載重啟。整車智能啟停過程，PMU控制器工作流程如圖4所示。

圖4 整車智能啟停過程，PMU控制器工作流程圖

2.4 整車著車過程中

整車起動(dòng)過程結(jié)束后，開關(guān)K1、K3閉合，K2斷開，此時(shí)發(fā)電機(jī)通過PMU控制器通過2#DC/DC對超級電容進(jìn)行充電。

步驟1：每次充電30s后，2#DC/DC斷開。

步驟2：PMU控制器檢測超級電容的電壓，若超級電容電壓達(dá)到U2，充電結(jié)束。

步驟3：若超級電容電壓未達(dá)到U2，則重復(fù)步驟1和2，直至超級電容的電壓值達(dá)到預(yù)定值U2。

2.5 制動(dòng)能量回收

當(dāng)車輛處于制動(dòng)過程中，智能發(fā)電機(jī)電機(jī)在制動(dòng)過程中以最大的發(fā)電電壓發(fā)電，PMU接收制動(dòng)系統(tǒng)傳來的信號，開關(guān)K1、K3閉合，K2斷開，智能發(fā)電機(jī)電機(jī)在制動(dòng)過程中產(chǎn)生的15V發(fā)電電壓通過2#DC/DC降低至6V對超級電容進(jìn)行充電。制動(dòng)能量回收過程結(jié)束后，PMU控制器檢測超級電容的電壓是否達(dá)到預(yù)定值U3。若達(dá)到預(yù)定值U3，則下次制動(dòng)能量回收過程不再對超級電容進(jìn)行充電；若未達(dá)到預(yù)定值U3，則下次制動(dòng)能量回收過程繼續(xù)對超級電容進(jìn)行充電。整車制動(dòng)能量回收過程，PMU控制器工作流程如圖5所示。

圖5 整車制動(dòng)能量回收過程，PMU控制器工作流程圖

3 結(jié)語

本文就目前乘用車市場的電源系統(tǒng)進(jìn)行簡單介紹，就能量回收系統(tǒng)及電源穩(wěn)壓系統(tǒng)進(jìn)行簡單說明，從國家對于乘用車排放要求越來越嚴(yán)格的趨勢上來看，超級電容因其充電時(shí)間短、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，且在制動(dòng)能量回收方面效果明顯，未來會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。