張宗榮

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福建 福州 350007）

1 寶馬汽車電源管理系統(tǒng)作用、組成和類型

當(dāng)今的寶馬汽車都具有各種形式的電源管理系統(tǒng)，其作用是確保寶馬汽車車輛內(nèi)的能量平衡，即確保寶馬汽車車輛內(nèi)部發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池和能量消耗設(shè)備 （用電設(shè)備）之間的能量平衡，保證蓄電池處于良好的技術(shù)狀態(tài)，保證用電設(shè)備正常工作，保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于良好的工作狀態(tài)。電源管理系統(tǒng)的主要零部件如圖1所示。其主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、安裝于蓄電池負(fù)極的智能型蓄電池傳感器（有的車型沒有）、蓄電池、智能接線盒 （或電源模塊、微電源模塊）、用電設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)組成。

電源管理系統(tǒng)主要由數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)電子系統(tǒng)DME和智能接線盒以及其內(nèi)部的電源管理系統(tǒng)軟件組成。通過DME控制發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)電壓，通過智能接線盒控制電流。電源管理系統(tǒng)具有以下功能。

1）發(fā)電機(jī)電壓控制和調(diào)節(jié) 寶馬汽車發(fā)電機(jī)可以自行控制發(fā)電機(jī)輸出電壓在14.5 V左右，同時(shí)發(fā)電機(jī)輸出電壓還受電源管理系統(tǒng)控制，電源管理系統(tǒng)通過DME的串行數(shù)據(jù)接口BSD導(dǎo)線控制發(fā)電機(jī)充電電壓。行駛狀況不利時(shí)，例如城市交通或交通堵塞，可提高發(fā)電機(jī)電壓以確保達(dá)到更好的蓄電池充電平衡狀態(tài)。

2）提高怠速轉(zhuǎn)速 當(dāng)規(guī)定電壓已無法滿足車輛需求且蓄電池電量不足時(shí)，DME就會(huì)將怠速轉(zhuǎn)速提高至750r／min。

3）降低最大負(fù)荷 雖然已提高怠速轉(zhuǎn)速，若蓄電池電量始終不足，此時(shí)就會(huì)通過控制后窗玻璃加熱裝置等的時(shí)鐘脈沖周期等方式降低功率。降低功率效果不佳時(shí)，可關(guān)閉相關(guān)舒適用電器，以降低車內(nèi)的最大負(fù)荷。

4）蓄電池充電平衡 在電源管理系統(tǒng)內(nèi)有兩個(gè)“計(jì)數(shù)器”：一個(gè)負(fù)責(zé)蓄電池充電量；另一個(gè)負(fù)責(zé)蓄電池放電量。蓄電池的充電狀態(tài) （SOC）用充電量與放電量之間的差值來表示。電源管理系統(tǒng)通過BSD導(dǎo)線從智能型蓄電池傳感器IBS得到這些數(shù)據(jù)（有些車型從電源模塊獲得這些數(shù)據(jù)）。重新起動(dòng)車輛時(shí)，電源管理系統(tǒng)就會(huì)計(jì)算當(dāng)前蓄電池的充電狀態(tài)SOC值。

5）蓄電池的健康狀態(tài)測量 即技術(shù)狀態(tài) （SOH）測量。車輛起動(dòng)時(shí)，蓄電池接線柱電壓和起動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流由IBS進(jìn)行測量。起動(dòng)期間的起動(dòng)電流和電壓降平均值通過BSD導(dǎo)線傳送至DME。電流管理系統(tǒng)根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算出蓄電池的健康狀態(tài)SOH值。

6）向IBS傳輸數(shù)據(jù) 在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)、DME進(jìn)入休眠模式之前，DME會(huì)通過BSD導(dǎo)線向IBS發(fā)送下列數(shù)據(jù)：蓄電池的充電狀態(tài) （SOC）、車外溫度、可用放電量、總線端15喚醒功能釋放、總線端15喚醒功能鎖止、DME關(guān)閉信號(hào)。

7）休眠電流監(jiān)控和診斷 DME關(guān)閉后，IBS獲得DME提供的信息，繼續(xù)監(jiān)控蓄電池的充電狀態(tài)。

如果蓄電池休眠電流在車輛靜止期間超過一定限值，就會(huì)在DME內(nèi)存儲(chǔ)一個(gè)故障代碼。

蓄電池休眠中，由于蓄電池休眠電流太大，導(dǎo)致蓄電池充電狀態(tài) （SOC）較低時(shí)，IBS會(huì)喚醒DME關(guān)閉相關(guān)舒適用電器，但是不會(huì)關(guān)閉與停車安全密切相關(guān)的用電器。關(guān)閉后，DME繼續(xù)休眠。

并不是所有的寶馬汽車電源管理系統(tǒng)都具有上述7種功能。根據(jù)具體車輛和要求不同，其寶馬汽車電源管理系統(tǒng)的功能不同。不同車型的寶馬汽車具有的能量管理系統(tǒng)功能如表1所示。

根據(jù)具體車輛和要求不同，寶馬汽車電源管理系統(tǒng)內(nèi)的功能通過不同組件來調(diào)整。因此，寶馬車輛具有4種電源管理系統(tǒng)方案。這4種電源管理系統(tǒng)方案、名稱、簡稱及對(duì)應(yīng)主要車型如表2所示。電源管理系統(tǒng)方案不同，其基本功能也不同。各種電源管理系統(tǒng)的基本功能見表3。

表1 不同車型的寶馬汽車能量管理系統(tǒng)功能

表2 4種電源管理系統(tǒng)方案及對(duì)應(yīng)主要車型

表3 不同電源管理系統(tǒng)的基本功能

從表3可以看出，電源模塊、微電源模塊和智能接線盒的電源管理系統(tǒng)方案實(shí)際上是在基本能量管理系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上增加電源模塊，實(shí)現(xiàn)電源管理系統(tǒng)對(duì)用電器的控制、監(jiān)控休眠電流和蓄電池診斷等功能。其工作原理基本相同。因此，下面著重論述電源模塊管理系統(tǒng)PM。

2 寶馬E65電源模塊管理系統(tǒng)PM

電源模塊管理系統(tǒng)PM主要的車型為E65、E66和E67。其電源管理系統(tǒng)具有提高充電電壓、提高怠速轉(zhuǎn)速、關(guān)閉用電器，負(fù)荷、降低最大負(fù)荷、休眠電流監(jiān)控和蓄電池診斷的功能。寶馬E65由德國寶馬公司生產(chǎn)，于2000年推出，2003年開始批量生產(chǎn)，2008年左右進(jìn)入我國市場。下面以E65電源模塊系統(tǒng)為例，論述電源模塊系統(tǒng)概覽圖、電源模塊管理系統(tǒng)的組成、主要零部件的構(gòu)造與功能、電源模塊管理系統(tǒng)的作用與工作過程。E65電源模塊系統(tǒng)概覽圖如圖2所示，其主要由數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)電子系統(tǒng)DME等17個(gè)零部件組成。

1）DME 使用動(dòng)力總線PT-CAN（一般連接發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、變速器模塊等的總線，傳遞速度為0.5 Mb／s），通過中央網(wǎng)關(guān)模塊ZGM與其它模塊通信。同時(shí)，通過BSD接收發(fā)電機(jī)傳來的發(fā)電機(jī)負(fù)荷信號(hào)，并控制發(fā)電機(jī)輸出電壓。

2）ZGM 將寶馬汽車上面所有不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)連接起來，保證寶馬汽車上所有控制模塊ECU的通信，實(shí)現(xiàn)信號(hào)共享，同時(shí)監(jiān)控、控制寶馬汽車所有網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)。

如圖2所示，使用動(dòng)力總線PT-CAN連接DME，使用車身總線K-CAN（一般連接車身及車內(nèi)室的普通電控模塊，傳遞速度為0.1Mb／s）連接電源模塊、便捷登車及起動(dòng)系統(tǒng)模塊CAS，使用安全系統(tǒng)總線Bytefight（是一個(gè)光纖星形總線系統(tǒng)，傳遞速度為10 Mb／s）連接安全和信息模塊SIM。另外，還有娛樂系統(tǒng)總線MOST（圖中沒有畫出），采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)傳輸率為22.5Mb／s，是目前寶馬車輛上最快的總線。由于具有較高的數(shù)據(jù)傳輸率，因此，MOST特別適于多媒體組件的數(shù)據(jù)傳輸。

3）電源模塊 電源模塊PM和蓄電池開關(guān)位于后備廂，如圖3所示。在車輛行駛和靜止期間以及車載網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)電氣故障時(shí)，電源模塊確保蓄電池處于正常工作狀態(tài)。電源模塊內(nèi)部有電子控制裝置、熔斷絲、蓄電池電流傳感器、高電流插座；外部有蓄電池、蓄電池開關(guān)和蓄電池溫度傳感器等，以及使用高電流插座連接大電流輸入和輸出 （30輸入，30U和30B輸出）系統(tǒng)總線。這些插座可在短時(shí)間內(nèi)承受住最高220 A的峰值電流。這種高電流插座還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①連續(xù)負(fù)荷最高可達(dá)100 A；②長時(shí)間穩(wěn)定輸出電流；③受熱溫度較高時(shí)電壓降較低；④始終保持較高的彈性；⑤通過允許的移動(dòng)自清潔觸點(diǎn)。

4）電子蓄電池主開關(guān) 電子蓄電池主開關(guān)位于行李廂內(nèi) （參見圖3），由4個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 （MOSFET）輸出級(jí)組成。該開關(guān)將電源模塊內(nèi)的總線端30的輸入端與總線端30U和總線端30B的輸出端等連接起來。電源模塊通過電子蓄電池主開關(guān)控制電源管理系統(tǒng)的工作狀態(tài)。其工作狀態(tài) （或功能）有4種：①分配模式；②休眠電流監(jiān)控；③電子自動(dòng)斷路裝置；④自動(dòng)斷開車載網(wǎng)絡(luò)。

5）電源模塊的輸入和輸出 電源模塊的輸入主要有蓄電池正極總線30輸入、大電流輸出30U供給行李廂熔斷絲支架和30B供給手套箱熔斷絲支架。

總線端15-W的信號(hào)來自CAS，用于喚醒電源模塊。

電源模塊有其直接控制的輸出端 （zv—中控鎖、SCA—自動(dòng)軟關(guān)系統(tǒng)、HK—空調(diào)、HHS—后窗玻璃加熱裝置），通過電源模塊內(nèi)的一個(gè)自動(dòng)斷路器MOSFET供電。

電源模塊的輸出總線30（Kl.30）和總線15（Kl.15）分別給以下系統(tǒng)供電：車燈開關(guān)中心LSZ、便捷登車及起動(dòng)系統(tǒng)CAS、防盜報(bào)警裝置DWA、帶備用電池的報(bào)警器NS、紅外線遙控器IR、點(diǎn)煙器ZIG（國家標(biāo)準(zhǔn)）、通用遙控器UFBD（國家標(biāo)準(zhǔn)）、電子變色防眩車內(nèi)后視鏡EC、駐車距離監(jiān)控裝置PDC、雨量和光線傳感器RLS、車內(nèi)照明裝置IB。

電源模塊輸出總線 （Kl.R），主要給多媒體系統(tǒng)供電。

電源模塊的所有輸人和輸出端都可以通過診斷檢測其各自狀態(tài)。此外，還可通過部件控制啟用輸出端，顯示電流消耗情況?？勺x取下列狀態(tài)或執(zhí)行下列功能：當(dāng)前發(fā)電機(jī)電流、當(dāng)前蓄電池電流、當(dāng)前車載網(wǎng)絡(luò)電流、當(dāng)前用電器電流、充電平衡、蓄電池充電狀態(tài)、蓄電池溫度、系統(tǒng)監(jiān)控所有電子自動(dòng)熔斷裝置和電子蓄電池主開關(guān)是否短路或斷路。發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)在電源模塊的故障存儲(chǔ)器內(nèi)記錄一個(gè)相關(guān)故障代碼，必要時(shí)還會(huì)發(fā)送一個(gè)檢查控制信息。

6）右側(cè)蓄電池導(dǎo)線監(jiān)控傳感器SBSR和左側(cè)蓄電池導(dǎo)線監(jiān)控傳感器SBSL 圖中沒有畫出，用于監(jiān)控蓄電池導(dǎo)線短路和斷路等故障。

7）安全型蓄電池接線柱 用于發(fā)生交通事故時(shí)，自動(dòng)切斷蓄電池到起動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的導(dǎo)線，防止短路。

3 寶馬E65電源管理系統(tǒng)工作參數(shù)、工作過程和工作條件

1）中央蓄電池電壓規(guī)定 蓄電池電壓的波動(dòng)范圍是14.0～15.5V。 最大充電電壓為16V。

2）蓄電池最佳充電 一般正常情況下運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)可以自行控制其輸出電壓在14.5 V左右。汽車電源模塊還可以根據(jù)蓄電池充電情況、蓄電池溫度、蓄電池充電狀態(tài)和車燈工作狀態(tài)等設(shè)定最佳充電電壓。發(fā)電機(jī)通過BSD導(dǎo)線得到提高充電電壓的請(qǐng)求。發(fā)電機(jī)內(nèi)的電子裝置負(fù)責(zé)設(shè)定所請(qǐng)求的充電電壓值。

3）識(shí)別蓄電池的充電狀態(tài) 電源模塊通過內(nèi)部的電流傳感器，計(jì)算行駛期間的蓄電池充電電流以及測量放電電流，可隨時(shí)獲得蓄電池充電狀態(tài)信息。車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，系統(tǒng)通過測量蓄電池休眠電壓重新計(jì)算并接受相應(yīng)的充電狀態(tài)。

4）提高發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)的傳遞和執(zhí)行過程 電源模塊系統(tǒng)利用電源模塊內(nèi)存儲(chǔ)的充電特性曲線，并根據(jù)蓄電池溫度設(shè)定發(fā)電機(jī)的充電電壓。

電源模塊識(shí)別出蓄電池的溫度后，向K-CAN外圍設(shè)備CAS發(fā)送 “提高充電電壓”信息，CAS繼續(xù)將信息發(fā)送至K-CAN系統(tǒng)，再通過ZGM將信息發(fā)送至PT-CAN系統(tǒng)的DME，由DME通過BSD傳送給發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)內(nèi)的電子分析裝置負(fù)責(zé)設(shè)定所請(qǐng)求的充電電壓值。如圖4所示。

5）提高發(fā)動(dòng)機(jī)怠速 為了改善充電平衡狀況，系統(tǒng)會(huì)盡可能減少蓄電池的放電量。為了防止放電量增大，會(huì)提早提高怠速轉(zhuǎn)速。提高怠速轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)如下：發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷 （勵(lì)磁繞組導(dǎo)通率100%）；蓄電池充電狀態(tài)較低；當(dāng)計(jì)算出的蓄電池起動(dòng)能力低于起動(dòng)限值時(shí)，怠速轉(zhuǎn)速就會(huì)增至750r／min。

6）降低最大負(fù)荷 如果發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間識(shí)別到蓄電池放電現(xiàn)象 （盡管已提高怠速轉(zhuǎn)速），這時(shí)就會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)表逐級(jí)降低用電器功率或關(guān)閉用電器。這些用電器包括：可加熱后窗玻璃、座椅加熱裝置、暖風(fēng)鼓風(fēng)機(jī) （無除霜功能）、轉(zhuǎn)向盤加熱裝置、后視鏡加熱裝置、刮水器加熱裝置。

7）關(guān)閉駐車用電器 為確保車輛的起動(dòng)能力，即使車輛處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)也會(huì)監(jiān)控蓄電池充電狀態(tài)。系統(tǒng)時(shí)刻測定最低充電狀態(tài)。該狀態(tài)除了蓄電池放電和充電外，還取決于：近幾天的所測溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的類型、所裝蓄電池的電容量。

如果因某一駐車用電器處于啟用狀態(tài)而使充電狀態(tài)接近起動(dòng)限值，電源模塊就會(huì)立即要求該駐車用電器自動(dòng)關(guān)閉。駐車用電器包括：掛車模塊AH IWI、彩色顯示屏CD、防盜報(bào)警裝置DWA、車燈開關(guān)中心LSZ、變速器電子控制系統(tǒng)EGS、自動(dòng)恒溫空調(diào)IHKA、駐車暖風(fēng)SH。

8）關(guān)閉用電器 為了防止用電器持續(xù)啟用期間蓄電池放電，總線端R（給娛樂系統(tǒng)和部分車內(nèi)燈供電）關(guān)閉16min后將執(zhí)行中央用電器關(guān)閉功能。這些用電器包括：車內(nèi)照明裝置IB、車身區(qū)域的用電器關(guān)閉VA_K、車頂區(qū)域的用電器關(guān)閉VA_D。

9）電壓過低時(shí)關(guān)閉用電器 因負(fù)荷較高而造成電壓過低時(shí)，如果電壓低于10.5V （5s），電源模塊就會(huì)發(fā)送一個(gè)信息，要求提高怠速轉(zhuǎn)速和關(guān)閉上述用電器。用電器關(guān)閉順序按照電源模塊內(nèi)存儲(chǔ)的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行。同時(shí)，還會(huì)關(guān)閉電源模塊的功率輸出端。

10）分配模式 電源模塊在總線端R關(guān)閉30min后，通過切換蓄電池開關(guān)位置進(jìn)入分配模式功能。點(diǎn)火開關(guān)處于總線端R接通位置后，就會(huì)發(fā)送一個(gè)檢查控制信息，用于提醒駕駛員車輛處于分配模式。此時(shí)會(huì)顯示 “battery switch OFF”（蓄電池開關(guān)關(guān)閉）信息。

11）休眠電流監(jiān)控 蓄電池開關(guān)處于接通 （休眠電流監(jiān)控狀態(tài)）位置時(shí)，就會(huì)在電源模塊內(nèi)啟用休眠電流監(jiān)控功能。電源模塊通過總線端關(guān)閉60min后進(jìn)入休眠電流監(jiān)控功能。如果在60 min以內(nèi)對(duì)車輛進(jìn)行操作 （例如打開Z11.行李廂蓋），就會(huì)重新開始執(zhí)行休眠電流監(jiān)控功能。休眠電流不得超過80mA。如果休眠電流超過80 mA，電源模塊就會(huì)在5 min鐘后發(fā)出 “shut down counter”（關(guān)閉計(jì)數(shù)器）信息。再過90 s后，就會(huì)斷開車輛電氣系統(tǒng)5 s。如果重新接通后休眠電流仍然高于80 mA，就會(huì)再次斷開車輛電氣系統(tǒng)。如果休眠電流還是高于80 mA，就會(huì)通過電子蓄電池主開關(guān)持久斷開電氣系統(tǒng)。

同時(shí)，電源模塊的故障代碼存儲(chǔ)器內(nèi)將存儲(chǔ)相關(guān)故障代碼，包括休眠電流提高的限制條件和原因。

12）喚醒 電源模塊識(shí)別到總線端15-W信號(hào)時(shí)，電子蓄電池主開關(guān)就會(huì)閉合并顯示一個(gè)檢查控制信息 “Increased closed-circuit current” （休眠電流提高）。結(jié)束休眠電流監(jiān)控。

休眠電流監(jiān)控功能還可通過停車報(bào)警燈打開信息和危險(xiǎn)報(bào)警燈取消。

13）自動(dòng)斷開車載網(wǎng)絡(luò) 如果3周內(nèi)沒有任何操作請(qǐng)求，就會(huì)斷開蓄電池與車載網(wǎng)絡(luò)的連接。從而避免蓄電池過度放電。

14）電子自動(dòng)熔斷裝置 識(shí)別到短路電流超過250 A時(shí)就會(huì)斷開電子蓄電池主開關(guān)。只有識(shí)別到來自CAS的總線端15喚醒信號(hào)后，才會(huì)嘗試使電子蓄電池主開關(guān)閉合。在排除短路故障前會(huì)一直重復(fù)上述過程。

15）后窗玻璃加熱裝置 自動(dòng)恒溫空調(diào)IHKA控制單元通過一個(gè) “Heated rear window ON”（后窗玻璃加熱裝置接通）K-CAN信息，控制電源模塊內(nèi)后窗玻璃加熱裝置的電子輸出級(jí)。

16）車內(nèi)照明裝置 車內(nèi)照明裝置由電源模塊控制，分為3個(gè)輸出端：車內(nèi)照明裝置IB、車身區(qū)域的用電器關(guān)閉VA_K、車頂區(qū)域的用電器關(guān)閉VA_D。

17）行李廂蓋和燃油箱蓋控制 電源模塊有控制行李廂蓋附近車身電子系統(tǒng)的功能。其功能有：行李廂蓋鎖、行李廂蓋自動(dòng)軟閉功能、燃油箱蓋鎖。

18）信息存儲(chǔ)器 信息存儲(chǔ)器存儲(chǔ)車輛相關(guān)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可說明蓄電池負(fù)荷狀態(tài)和使用壽命?？赏ㄟ^診斷方法讀取存儲(chǔ)器信息。

19）應(yīng)急運(yùn)行特性 蓄電池溫度傳感器出現(xiàn)斷路、短路或不可信數(shù)值時(shí)，就會(huì)采用一個(gè)替代值（20℃）。該數(shù)值相當(dāng)于固定的蓄電池充電電壓14.3V。此時(shí)只能在一定條件下計(jì)算出蓄電池容量。

蓄電池開關(guān)發(fā)生故障時(shí)就會(huì)切換到休眠電流監(jiān)控功能。

總線端15-w沒有信號(hào)時(shí)，下列信號(hào)防止在沒有總線端15-w的情況下關(guān)閉電源模塊：總線端15，通過CAS總線連接；車速＞2km／h，通過動(dòng)態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)DSC總線連接；車載網(wǎng)絡(luò)電壓＞13.2V （PM中電壓規(guī)定值）。

［1］寶馬培訓(xùn)資料［Z］.

［2］寶馬售后維修手冊(cè)［Z］.

［3］寶馬E65供電和總線系統(tǒng)［Z］.