柴油機系統智能發電機應用簡介

孫佳玥 趙紅莎 于江濤 王盈旭 王騰

【摘? 要】發電機作為商用車的主要供電來源，是柴油發動機的重要零件之一。近年來，隨著油耗要求不斷提高，以及商用車智能化、一體化的架構需求，智能發電機成為當前研究的重點。LIN調節器借助成熟的LIN通信網絡，具備成本低、適配性強的優勢。通過智能發電機與電子控制單元ECU的雙向通信，發電機與發動機的工況可以形成最佳匹配，ECU依據車輛工況發出指令，調整發電機參數，并要求調節器反饋其狀態參數，可以依據SOC、坡度變化等參數優化整車控制策略，防止蓄電池過充，節約整車油耗。

【關鍵詞】柴油機;智能發電機;LIN通信;應用

中圖分類號：U463.631? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2024 ）05-0029-02

Application Introduction of Intelligent Generator Used in Diesel Engine System

SUN Jiayue，ZHAO Hongsha，YU Jiangtao，WANG Yingxu，WANG Teng

（China National Heavy Duty Truck Group Automotive Research Institute，Jinan 250101，China）

【Abstract】As the main source of power supply for commercial vehicles，generator is one of the important parts of diesel engine. In recent years，with the continuous improvement of fuel consumption requirements，as well as the intelligent and integrated architecture needs of commercial vehicles，intelligent generators have become the focus of current research. With the help of LIN communication network，LIN regulator has the advantages of low cost and strong adaptability. By the communication between the intelligent generator and the engine control unit（ECU），the working conditions of the generator and the engine can form the best match. The ECU adjusts the parameters of the generator by sending messages according to the working conditions of the vehicle，and requires the regulator to feedback its state parameters. The vehicle control strategy can be optimized according to SOC，slope gradient and other parameters.This can prevent battery overcharging and save the fuel consumption of the vehicle.

【Key words】diesel engine;intelligent generator;LIN communication;application

作者簡介

孫佳玥（1990—），女，工程師，碩士，主要從事柴油機、新能源汽車電控系統開發等工作。

智能發電機已經在乘用車領域逐步推廣，在商用車柴油機領域目前還未得到廣泛應用。傳統柴油機發電機升級為LIN調節器后，通過發電機、電量傳感器構成的閉環電量監控系統，可實現發電機的發電量控制、發電機狀態監控等基礎功能，借助實際駕駛工況的判斷，如起動、停機、制動等請求，可進一步實現能量回收、過充保護等復雜功能，節約行駛油耗，提升整車動力性。

1? LIN2.1協議

LIN總線支持單主多從節點，最大傳輸速率可達20kb/s。由于LIN總線可以基于普通UART/SCI硬件接口實現，總線僅需要一根單線電纜，因其具有功能簡單、成本低的優點而被廣泛使用[1]。LIN2.1協議于2006年11月發布，與LIN2.2協議幾乎沒有差異，卻比其前身LIN2.0協議有著顯著改善，主要體現在參加了事情觸發幀的競賽處理，完善了節點裝備功用和進行了確診分級3個方面。

LIN總線通信幀的格式分為主任務和從任務。主任務負責調度總線上幀的傳輸次序，作為標準時鐘參考，以及接收從機節點發出的總線喚醒命令。從任務需要接收主任務發送的幀頭，根據幀頭包含的信息判斷是否發送應答。幀包含幀頭和應答兩部分，幀的傳輸如圖1所示。

幀的結構如圖2所示。其中，幀頭主要由同步間隔段、同步段、PID段（受保護ID段）3部分組成，而同步間隔段的數據格式是唯一不遵循字節域格式的。同步段是固定的0x55數值，作用是保持幀的同步性。應答部分由數據段和校驗和段組成。

同步間隔段由同步間隔和同步間隔段間隔符構成，同步間隔是至少持續13位的顯性電平。當總線空閑時，它總是保持隱性電平形式，因此除了同步間隔段外，不會出現任意大于9個顯性電平的字段，故13個顯性電平的同步間隔段，可視為幀的開始標志。同步間隔段的間隔符為至少1位的隱性電平。

在完整的LIN幀數據傳輸過程中，除了同步間隔段外，其余段均通過字節域的格式進行傳輸。字節域是一種標準UART數據傳輸格式，由1位顯性起始位、8位數據位、1位隱性停止位組成。LIN的同步段是以下降沿為判斷標志，采用固定格式0x55作為字節域。

受保護的ID段共含8位，前6個位為幀ID，后2個位為前6位的奇偶校驗位。從任務根據接收到的幀ID作出反饋，因此需要根據奇偶校驗位驗證幀ID是否正確。

數據段為1～8個字節長度的數據，包含了信號和診斷消息兩種數據類型。信號由信號攜帶幀傳遞，一個幀ID對應的數據段可能包含一個或多個信號，發送信號的節點稱為發布節點，接收信號的節點稱為收聽節點。診斷消息由診斷幀傳遞，對消息內容的解析由數據自身和節點狀態決定。

校驗和分為校準型和增強型兩大類，采用何種校驗和由主節點管理，發布節點和收聽節點根據幀ID來判斷采用哪種校驗和[2]。

2? 智能發電機原理

智能發電機為柴油機系統新一代發電機，借助車載LIN網絡，可以實現與電子控制單元的雙向通信，使發電機與發動機的工況形成最佳匹配。電子控制單元通過發送報文來調整發電機工作模式，并要求發電機調節器反饋實時狀態，進而實現整車控制策略的優化。智能發電機可與蓄電池電量傳感器形成閉環系統，通過識別不同駕駛工況，并對智能發電機進行指令控制，可實現能量回收、起動節能、蓄電池保護等功能，降低發電機能耗，實現節油目的。

智能發電機與傳統發電機安裝方式相同，通過發動機的皮帶連接，帶動發電機轉子旋轉發電，不同的是，傳統發電機的勵磁信號是由整車電氣系統直接提供的，而LIN發電機是由調節器接收的電控單元指令進行勵磁的。通過PID字段，電控單元可以識別車上不同的LIN設備，調節器作為發電機的控制單元，可以接收電控單元發來的指令并執行，同時反饋信息給電控單元。

通常，智能發電機的控制還會搭配智能蓄電池傳感器配合使用，如圖3所示，智能蓄電池傳感器同樣通過LIN通信與電控單元進行交互，可回傳蓄電池電流、內阻、電壓、溫度、SOC、SOH等數據，用以監控蓄電池的健康狀態，對發電機的控制邏輯也可起到輔助判斷作用，從而形成控制閉環。

如電控單元控制調節器的幀ID為0x29，調節器回饋電控單元的幀ID為0x11，以控制智能發電機勵磁電流為例，如圖4所示，發電機信號傳輸過程為：①電控單元輸出ID=0x11，調節器檢測同步信號ID=0x11后，調節器反饋發電機目前的勵磁電流信號;②電控單元輸出ID=0x29信號，同時數據段輸出改變發電機勵磁電流指令信號，調節器檢測ID=0x29進行接收并識別信號后，響應勵磁電流改變的指令;③電控單元輸出ID=0x11信號，調節器檢測同步信號ID=0x11后，反饋發電機新的勵磁電流信號。

3? 智能發電機的控制策略

1）輔助起動管理。智能發電機可控制勵磁信號，在發動機起動時，調節器可通過設定發電電壓為低閾值或關閉勵磁電流，讓發電機在起動過程中停止發電，減少發動機起動過程中的負載;當檢測到發動機起動成功后，恢復發電功能，確保發動機平穩起動。

2）制動能量回收。當車輛處于在擋滑行、行車制動、發動機停機過程中，通過讀取蓄電池電量傳感器信號，在確認蓄電池未過充的情況下，可提升發電機設定電壓，進行快速充電;當車輛處于超車、加速過程中，在確保SOC充足的條件下，可降低發電機設定電壓，讓發電機少發電或不發電，減少能量損失，節約油耗。

3）蓄電池保護。根據蓄電池電量傳感器反饋的內阻、電流、電壓、SOC、SOH、溫度等信號及時調節發電機的設定電壓，避免過充、過放。蓄電池電量足夠的情況下，例如SOC高于80%，降低發電機設定電壓或限制最大發電機勵磁電流輸出，維持蓄電池SOC水平;蓄電池SOC較低時，可以較大的固定電流對電池快速充電;蓄電池SOC處于中間狀態時，可根據蓄電池溫度選取合適的充電電壓，或借助蓄電池充電曲線的試驗數據進行電壓調節，避免蓄電池頻繁大電流放電，延長蓄電池壽命[3]。

4）扭矩補償。根據發電機反饋的勵磁占空比、轉速、溫度、電壓等信號估算發電機的消耗扭矩（需借助臺架試驗數據），用于提供給電控單元進行附件消耗功的精確計算，也可針對扭矩突變的工作點進行扭矩補償，實現扭矩精準控制，減少發動機抖動。

5）預測性控制。借助地圖信息，預判坡度變化，上坡過程中減小發電機目標電壓使發電機少發電或不發電，待下坡時提升目標電壓，給蓄電池進行快速充電，實現能量遷移。

4? 總結

智能發電機是當前商用車領域研究的重點之一，通過軟件策略集成，和普通發電機可通過標定切換，適配性極強;智能發電機不僅可以通過LIN通信報出發電機故障，精準定位故障原因，減小發電機的誤判率，也可根據SOC調節發電電壓，對蓄電池起到保護作用，延長電池壽命，同時可實現上下坡或行車過程的復雜發電管理，實現能量回收，提高充電效率，進一步加快了柴油機附件控制的智能化進程。

參考文獻：

[1] 谷威昭，方濱. 基于普通單片機的LIN協議實現方案[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2005（7）：5-7，11.

[2] 劉家瑜. LIN總線應用系統設計與LIN收發器研究[D]. 成都：電子科技大學，2011.

[3] 董先瑜，鳳亞嬌，張培華. 高效智能發電機的控制策略及其應用[J]. 汽車實用技術，2016（8）：170-175.

（編輯? 凌? 波）

收稿日期：2023-09-05