紀(jì)光霽，韓玉濤，王晶淼，Gaertner Christian

(1.博世(中國(guó))投資有限公司，上海 200335； 2.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011；3.博世工程技術(shù)公司，德國(guó)斯圖加特 74003)

2016067

汽車(chē)14V電氣能量管理系統(tǒng)及其應(yīng)用

紀(jì)光霽1，韓玉濤2，王晶淼2，Gaertner Christian3

(1.博世(中國(guó))投資有限公司，上海 200335； 2.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司技術(shù)中心，長(zhǎng)春 130011；3.博世工程技術(shù)公司，德國(guó)斯圖加特 74003)

針對(duì)傳統(tǒng)的車(chē)輛電氣系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的輸出電壓與蓄電池的狀態(tài)難以監(jiān)測(cè)和部分電負(fù)載不可控制的問(wèn)題，本文中對(duì)14V電氣能量管理(14V-EEM)系統(tǒng)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)可在發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池的有利工作狀態(tài)下，適時(shí)主動(dòng)地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓和控制部分與安全無(wú)關(guān)的大功率電負(fù)載，在滿足整車(chē)電氣能量需求的同時(shí)，提高了整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和整車(chē)電氣網(wǎng)絡(luò)可靠性。最后以一汽紅旗H7某款車(chē)型作為14V-EEM系統(tǒng)運(yùn)行載體，進(jìn)行了NEDC工況下的測(cè)試。結(jié)果表明，油耗約降低2%，蓄電池的電平衡為正值，達(dá)到了預(yù)期效果。

汽車(chē)14V電氣系統(tǒng)；電氣能量管理；應(yīng)用

前言

隨著我國(guó)企業(yè)平均油耗法規(guī)(CAFC)所定義的第3和第4階段的油耗法規(guī)的逐步實(shí)施，如何提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性已成為國(guó)內(nèi)各大汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。發(fā)揮整車(chē)電氣系統(tǒng)的節(jié)油潛力是在成本增加有限的基礎(chǔ)上降低油耗的有效手段之一。14V-EEM系統(tǒng)可在發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池有利的工作狀態(tài)下，適時(shí)主動(dòng)地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓和控制部分與安全無(wú)關(guān)的大功率電負(fù)載，在滿足整車(chē)電氣能量需求的同時(shí)，提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性和整車(chē)電氣網(wǎng)絡(luò)可靠性。14V-EEM系統(tǒng)目前在國(guó)外已成為大部分新車(chē)型的標(biāo)準(zhǔn)配置，其相關(guān)研究較多。文獻(xiàn)[1]中在2001年指出了在傳統(tǒng)車(chē)輛電氣系統(tǒng)中存在一定的節(jié)油潛力。文獻(xiàn)[2]中根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)/整車(chē)的工作點(diǎn)和蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)對(duì)發(fā)電機(jī)的輸出電壓進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)，達(dá)到了在NEDC下節(jié)油2%～3%的效果。文獻(xiàn)[3]中則重點(diǎn)研究了制動(dòng)能量回收功能，并在演示樣車(chē)上實(shí)現(xiàn)了該功能。文獻(xiàn)[4]中指出如果在小排量發(fā)動(dòng)機(jī)+大功率電負(fù)載的配置車(chē)上應(yīng)用EEM中的發(fā)電機(jī)控制，則節(jié)油效果會(huì)更加明顯。文獻(xiàn)[5]中從模型仿真角度闡述了發(fā)電機(jī)控制功能。文獻(xiàn)[6]中則通過(guò)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工作點(diǎn)，使之處于或接近發(fā)動(dòng)機(jī)油耗較低的工作區(qū)域。文獻(xiàn)[7]中則對(duì)發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解析，分析了整車(chē)電氣能量產(chǎn)生/消耗的平衡關(guān)系。文獻(xiàn)[8]中則分析了在雙電源系統(tǒng)(42V/14V)內(nèi)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)與控制問(wèn)題。國(guó)內(nèi)關(guān)于14V-EEM的研究相對(duì)較少。文獻(xiàn)[9]中簡(jiǎn)要介紹了發(fā)電機(jī)電壓控制策略，指出在不同的駕駛工況下輸出的電壓值不同。文獻(xiàn)[10]中提出了車(chē)載低壓電源管理系統(tǒng)的4種工作模式，可以根據(jù)外界負(fù)載的需求優(yōu)化發(fā)電機(jī)的輸出電壓，控制蓄電池的充放電電流，達(dá)到整車(chē)節(jié)油2.6%的效果。

1 14V-EEM系統(tǒng)構(gòu)成和功能描述

14V-EEM系統(tǒng)架構(gòu)示意見(jiàn)圖1，其主要包含控制算法軟件和相關(guān)零部件。其中控制算法軟件功能包括駕駛狀態(tài)判斷DSD、智能發(fā)電機(jī)控制IGC、怠速提高請(qǐng)求控制ISI、整車(chē)電平衡控制APC、功率分時(shí)滿足控制PS和靜態(tài)電流監(jiān)控與管理QPM。相關(guān)零部件主要有：帶有LIN總線接口的電壓調(diào)節(jié)器與電池狀態(tài)傳感器和采用AGM技術(shù)的鉛酸蓄電池。

圖1 14V-EEM系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

1.1 14V-EEM控制算法介紹

由圖1可知，LIN總線中的主節(jié)點(diǎn)集成了14V-EEM控制算法，從節(jié)點(diǎn)主要是發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器和電池狀態(tài)傳感器。主節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線(通常為整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)CAN總線和舒適性系統(tǒng)CAN總線)獲取輸入信號(hào)。因此，14V-EEM軟件易于集成在帶有CAN/LIN接口的ECU中(如網(wǎng)關(guān)ECU和車(chē)身控制模塊BCM)。14V-EEM大體上可按功能分為：駕駛狀態(tài)判斷DSD、智能發(fā)電機(jī)控制IGC、怠速提高請(qǐng)求控制ISI、整車(chē)電平衡控制APC、功率分時(shí)滿足控制PS和靜態(tài)電流監(jiān)控與管理QPM等6大模塊。

DSD模塊主要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)速等關(guān)鍵信號(hào)，實(shí)時(shí)判斷出當(dāng)前車(chē)輛所處的狀態(tài)。DSD輸出信號(hào)(DrvSt_Out)定義見(jiàn)表1。其它模塊主要是IGC，ISI和PS模塊，將根據(jù)DSD的輸出采取對(duì)應(yīng)的控制策略。

表1 DSD輸出定義

IGC模塊是14V-EEM中最重要也最復(fù)雜的模塊。它主要根據(jù)DSD的輸出、蓄電池的狀態(tài)和當(dāng)前整車(chē)電負(fù)載使用情況，適時(shí)地計(jì)算出“最優(yōu)”的發(fā)電機(jī)輸出電壓目標(biāo)值。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓的控制，主動(dòng)調(diào)節(jié)蓄電池SOC。圖2為IGC的基本工作原理示例。假設(shè)在初始階段蓄電池的SOC較低。IGC則采用較高的目標(biāo)電壓值(如15.5V)對(duì)蓄電池進(jìn)行快速充電，直至其SOC達(dá)到或接近設(shè)定的SOC(如75%)范圍。在車(chē)輛加速狀態(tài)下或蓄電池SOC過(guò)高(如90%)，可將該目標(biāo)電壓值調(diào)低直至蓄電池支撐整車(chē)用電需求。在制動(dòng)階段，可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的反拖狀態(tài)適時(shí)地提高發(fā)電機(jī)目標(biāo)電壓值，實(shí)現(xiàn)部分制動(dòng)能量的回收。由鉛酸蓄電池的電化學(xué)特性可知，高電壓充電容易導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生析氣現(xiàn)象[11]，這對(duì)于AGM鉛酸蓄電池而言則更加關(guān)鍵。因此，發(fā)電機(jī)輸出目標(biāo)電壓值還應(yīng)考慮AGM電池可接受的充電特性。

圖2 IGC基本工作原理示例

ISI模塊主要功能是向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)送目標(biāo)怠速，以實(shí)現(xiàn)蓄電池的電平衡。由發(fā)電機(jī)的輸出特性可知，發(fā)電機(jī)的最大輸出電流取決于轉(zhuǎn)速。特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)已完成預(yù)熱或空調(diào)未開(kāi)啟時(shí)，其怠速在600～800r/min之間。如果此時(shí)有較大的負(fù)載開(kāi)啟，如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向或后風(fēng)窗加熱，蓄電池將被迫參與放電，從而影響了電平衡。

APC模塊是在蓄電池SOC較低的情況下才被激活。APC原理圖見(jiàn)圖3。發(fā)電機(jī)的最大輸出電功率PGenMax為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度和負(fù)荷的函數(shù)。而蓄電池可用的電功率PBattAva與SOC有關(guān)。該兩種電功率(PGenMax和PBattAva)之和應(yīng)不小于實(shí)際負(fù)載需求的電功率(PBasicLd+PCtrlLd)。如何使該要求時(shí)刻得到滿足是APC的主要任務(wù)。由圖3可知，對(duì)與安全無(wú)關(guān)的大功率負(fù)載(如座椅加熱等)功率請(qǐng)求進(jìn)行分等級(jí)地滿足，可更加有效地利用電源的能量。APC對(duì)電負(fù)載控制電路要求為線控方式(CAN或LIN總線)，即負(fù)載電流受相關(guān)ECU控制。

圖3 APC原理示意圖

圖4 PS示意圖

PS模塊則是在蓄電池SOC較高的情況下才被激活。該功能只對(duì)與安全無(wú)關(guān)的大功率負(fù)載在有利的駕駛狀態(tài)下進(jìn)行分時(shí)控制類(lèi)似于市用電網(wǎng)中的錯(cuò)峰調(diào)節(jié)。圖4給出了其基本工作原理。例如在加速狀態(tài)時(shí)，如果蓄電池的SOC狀態(tài)良好(如高于80%)，PS將此時(shí)的電負(fù)載進(jìn)行功率降級(jí)控制。這里的功率降級(jí)控制可以理解為：如果該負(fù)載為開(kāi)關(guān)型負(fù)載，可以將負(fù)載關(guān)閉，即零功率請(qǐng)求；如果該負(fù)載為多等級(jí)控制方式負(fù)載，可將當(dāng)前的等級(jí)下調(diào)。而在減速狀態(tài)，可將原來(lái)沒(méi)有滿足的電功率請(qǐng)求盡可能地進(jìn)行補(bǔ)償。

QPM模塊則是在車(chē)輛處于駐車(chē)狀態(tài)下才被激活。該模塊較為簡(jiǎn)單，主要是根據(jù)電池狀態(tài)傳感器發(fā)送的靜態(tài)電流值進(jìn)行判斷，如果超過(guò)定義的閾值，如15mA，則將該異常的靜態(tài)電流值進(jìn)行記錄。

1.2 帶有LIN總線接口的電壓調(diào)節(jié)器

與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)不同，14V-EEM系統(tǒng)要求發(fā)電機(jī)的輸出電壓可調(diào)。目前具備該要求的電壓調(diào)節(jié)器多采用LIN接口。圖5為具有LIN接口的CR665D電壓調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器接受來(lái)自14V-EEM發(fā)出的目標(biāo)電壓值(電壓范圍：10.6～16.0V)，通過(guò)改變勵(lì)磁電流來(lái)改變輸出電壓。

圖5 LIN電壓調(diào)節(jié)器

1.3 帶有LIN總線接口的電池狀態(tài)傳感器

圖6 電池傳感器

電池狀態(tài)傳感器(BSD)安裝在蓄電池負(fù)極柱上，通過(guò)其內(nèi)部的“shunt”測(cè)量蓄電池電流。電池狀態(tài)傳感器實(shí)物見(jiàn)圖6。該傳感器根據(jù)采集的蓄電池電壓、電流和溫度信號(hào)算出SOC，SOF(State of Function)和SOH(State of Health)等一些關(guān)鍵電池狀態(tài)參數(shù)，供Start/Stop和14V-EEM系統(tǒng)使用。

1.4 具有AGM技術(shù)的鉛酸蓄電池

由于14V-EEM的功能定義了蓄電池將在一些駕駛狀態(tài)下放電，這對(duì)蓄電池的循環(huán)充放電能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的富液式蓄電池在頻繁地充放電條件下極易產(chǎn)生電解質(zhì)分層現(xiàn)象[12]。一種玻璃纖維隔板(又稱(chēng)AGM)技術(shù)可將液態(tài)的電解質(zhì)溶液吸附在纖維所形成的孔隙中，從而有效解決電解質(zhì)分層問(wèn)題，同時(shí)提高了蓄電池的循環(huán)充放電能力[12]。因此AGM電池往往被應(yīng)用在啟停和14V-EEM系統(tǒng)中，但電池成本也隨之上升。目前有一種增強(qiáng)性富液電池(EFB)，在性能和成本兩者之間得到了平衡[13]，但最終的電池選型還應(yīng)考慮車(chē)輛實(shí)際電平衡需求等因素。

2 14V-EEM在紅旗H7上的應(yīng)用

一汽紅旗H7搭載了眾多先進(jìn)控制系統(tǒng)，其中整車(chē)電氣能量管理系統(tǒng)便引入了14V-EEM系統(tǒng)，在提高整車(chē)電源系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，可回收部分制動(dòng)能量，改善了整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性。下面以H7系列中一款搭載啟停系統(tǒng)的車(chē)型為例，介紹14V-EEM系統(tǒng)在紅旗車(chē)上的應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)集成

紅旗H7車(chē)上14V-EEM系統(tǒng)的拓?fù)鋱D參見(jiàn)圖7。

圖7 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)中的關(guān)鍵軟硬件資源見(jiàn)表2。14V-EEM軟件功能模塊集成于網(wǎng)關(guān)控制器中；網(wǎng)關(guān)控制器是整車(chē)CAN通信網(wǎng)絡(luò)的樞紐，可以方便地從動(dòng)力CAN、舒適CAN和信息CAN獲取所需的車(chē)輛各種信息，同時(shí)將控制指令或顯示信息通過(guò)CAN總線發(fā)送到舒適CAN、信息CAN和儀表CAN；另外，網(wǎng)關(guān)控制器作為L(zhǎng)IN總線主節(jié)點(diǎn)，調(diào)度控制發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器和蓄電池傳感器從節(jié)點(diǎn)LIN數(shù)據(jù)幀獲取發(fā)電機(jī)及蓄電池相關(guān)信息，并將控制指令通過(guò)LIN總線發(fā)送至發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器。

表2 紅旗14V-EEM系統(tǒng)中的關(guān)鍵軟硬件資源

2.2 功能標(biāo)定

14V-EEM功能標(biāo)定主要分蓄電池標(biāo)定、發(fā)電機(jī)標(biāo)定和整車(chē)標(biāo)定，其中前兩個(gè)標(biāo)定主要是基于所選用發(fā)電機(jī)和蓄電池的臺(tái)架標(biāo)定，其標(biāo)定結(jié)果主要用于APC/PS功能中電平衡計(jì)算和IGC中的發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制參數(shù)確定；而整車(chē)標(biāo)定主要是使EEM功能更加適用于整車(chē)環(huán)境，以達(dá)到更好的能量回收和電平衡管理等效果。

2.2.1 蓄電池標(biāo)定

該標(biāo)定主要是測(cè)試不同溫度和不同SOC下蓄電池的最大可用能量(也可稱(chēng)為安全可用能量)。在留有一定安全余量的前提下，測(cè)量蓄電池在不同狀態(tài)下的特征參數(shù)，如可用功率。由于鉛酸蓄電池在低溫下的充放電能力較弱，因此低溫下標(biāo)定數(shù)據(jù)相對(duì)重要。最終的測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)處理后制成多維表格，存儲(chǔ)在網(wǎng)關(guān)控制器中。

2.2.2 發(fā)電機(jī)標(biāo)定

在14V-EEM模型中設(shè)有發(fā)電機(jī)物理模型用于預(yù)測(cè)發(fā)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、溫度和設(shè)定電壓下的最大可用功率。發(fā)電機(jī)模型參數(shù)和閉環(huán)控制所需的數(shù)據(jù)可通過(guò)發(fā)電機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)獲取。發(fā)電機(jī)臺(tái)架主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、可控負(fù)載箱和測(cè)量控制系統(tǒng)組成。圖8為所選的LIN發(fā)電機(jī)在臺(tái)架中的安裝實(shí)物圖。驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速為20 000r/min。可控負(fù)載箱可模擬車(chē)上電負(fù)載使用情況。測(cè)量控制系統(tǒng)則具有調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)載箱功率和發(fā)電機(jī)輸出電壓的功能。此外，為了模擬發(fā)電機(jī)所處的發(fā)動(dòng)機(jī)艙環(huán)境，臺(tái)架環(huán)境溫度可調(diào)。

圖8 發(fā)電機(jī)測(cè)試臺(tái)架實(shí)物圖

2.2.3 整車(chē)標(biāo)定

整車(chē)標(biāo)定主要是根據(jù)車(chē)輛實(shí)際狀態(tài)調(diào)整14V-EEM中的參數(shù)，使其在車(chē)輛上更加合理有效地運(yùn)行，以達(dá)到更好的能量回收和電平衡管理等效果。整車(chē)標(biāo)定可分為轉(zhuǎn)鼓標(biāo)定和實(shí)際道路標(biāo)定。圖9顯示了H7在轉(zhuǎn)鼓上的標(biāo)定實(shí)景。整車(chē)標(biāo)定可根據(jù)控制算法中的6大功能進(jìn)行，相關(guān)說(shuō)明見(jiàn)表3。

圖9 H7在轉(zhuǎn)鼓上的標(biāo)定測(cè)試實(shí)物圖

功能標(biāo)定說(shuō)明DSD標(biāo)定參數(shù)使EEM更為準(zhǔn)確快速地判斷車(chē)輛所處狀態(tài),保證其它功能模塊可以正常工作;DSD標(biāo)定有偏向節(jié)油和偏向可靠性兩個(gè)標(biāo)定方向IGC根據(jù)車(chē)輛實(shí)際電源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),如蓄電池、發(fā)動(dòng)機(jī)和電氣負(fù)載等,調(diào)整發(fā)電機(jī)控制參數(shù),使發(fā)電機(jī)工作更加合理,進(jìn)而使電源網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和節(jié)能減排性能得到保障APC+PS根據(jù)車(chē)輛實(shí)際負(fù)載、蓄電池及發(fā)電機(jī)狀態(tài),調(diào)整EEM參數(shù),使車(chē)輛在電源網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)較差的時(shí)候,盡可能保證車(chē)輛穩(wěn)定性ISI調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)怠速提升請(qǐng)求的目標(biāo)轉(zhuǎn)速和請(qǐng)求時(shí)機(jī)要求,保證車(chē)輛發(fā)電機(jī)有足夠的能力盡快補(bǔ)充電源網(wǎng)絡(luò)所缺電能,進(jìn)而保證車(chē)輛穩(wěn)定QPM根據(jù)車(chē)輛實(shí)際靜電流狀態(tài)調(diào)整參數(shù),調(diào)整EEM靜電流報(bào)警合理性,輔助完成對(duì)車(chē)輛控制器故障診斷

3 性能分析與評(píng)價(jià)

3.1 燃油經(jīng)濟(jì)性分析

為了驗(yàn)證燃油經(jīng)濟(jì)性，通常選擇NEDC作為駕駛循環(huán)工況并進(jìn)行多次測(cè)量。測(cè)試條件見(jiàn)表4。

表4 NEDC測(cè)試條件

油耗測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖10(出于數(shù)據(jù)保密，暫不能公布具體油耗數(shù)據(jù))。當(dāng)開(kāi)啟EEM功能時(shí)，油耗降低約2%～3%。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟停Start/Stop和EEM均開(kāi)啟時(shí)，油耗降低約8%～9%。為進(jìn)一步了解EEM對(duì)油耗的貢獻(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗、發(fā)電機(jī)負(fù)荷和蓄電池的電流/電壓被選為分析對(duì)象。

圖10 14V-EEM對(duì)整車(chē)降油耗的貢獻(xiàn)分析

圖11為NEDC下的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗對(duì)比。由圖可見(jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速瞬時(shí)油耗在Start/Stop開(kāi)啟的情況下均為零，進(jìn)一步降低了油耗。

圖11 NEDC下的發(fā)動(dòng)機(jī)瞬時(shí)油耗對(duì)比

圖12為NEDC下的發(fā)電機(jī)負(fù)荷對(duì)比。由圖可見(jiàn)，發(fā)電機(jī)的負(fù)荷信號(hào)在EEM的作用下波動(dòng)較大。加速階段發(fā)電機(jī)負(fù)荷接近于零，而制動(dòng)階段幾乎接近于100%，即在車(chē)輛處于加速時(shí)，蓄電池處于放電狀態(tài)(見(jiàn)圖13和圖14)，放電電流為整車(chē)消耗的電流值，約30～35A。而發(fā)電機(jī)處于零勵(lì)磁或弱勵(lì)磁狀態(tài)，因此發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩比強(qiáng)勵(lì)磁狀態(tài)時(shí)小，從而節(jié)省了一部分燃油消耗。當(dāng)車(chē)輛減速時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)(見(jiàn)圖13和圖14)，充電電壓在15V左右。此時(shí)由于制動(dòng)能量回收發(fā)電機(jī)處于強(qiáng)勵(lì)磁狀態(tài)。但需要說(shuō)明的是，在減速狀態(tài)下發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)自于車(chē)輛制動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換，不消耗燃油。

圖12 NEDC下的發(fā)電機(jī)負(fù)荷對(duì)比

圖13 NEDC下的蓄電池電流對(duì)比

圖14 NEDC下的蓄電池電壓對(duì)比

由14V-EEM所帶來(lái)的整車(chē)電壓波動(dòng)現(xiàn)象必然對(duì)一些敏感性負(fù)載(如空調(diào)鼓風(fēng)機(jī)、鹵素前照燈等)在開(kāi)啟狀態(tài)下帶來(lái)不利的駕駛體驗(yàn)。但可通過(guò)以下技術(shù)措施得到解決：(1)通過(guò)對(duì)電壓幅值及其變化梯度進(jìn)行限制；(2)一旦檢測(cè)到敏感性負(fù)載開(kāi)啟，IGC功能將進(jìn)入默認(rèn)模式，即發(fā)電機(jī)輸出電壓恒定；(3)在敏感性供電網(wǎng)絡(luò)上添加穩(wěn)壓?jiǎn)卧?/p>

3.2 電平衡分析

14V-EEM對(duì)蓄電池的SOC進(jìn)行了主動(dòng)管理，因此蓄電池的充放電平衡應(yīng)得到保障。一般而言，電平衡QChB的計(jì)算公式為

式中蓄電池的電流IBatt是指在整個(gè)駕駛循環(huán)工況下的蓄電池充放電電流的統(tǒng)稱(chēng)。充電電流被定義為正數(shù)；放電電流為負(fù)數(shù)。如果QChB為負(fù)值，則說(shuō)明在該工況下蓄電池所釋放的電量要高于其充電的電量。原因?yàn)椋?1)發(fā)電機(jī)功率較小；(2)蓄電池的內(nèi)阻增加導(dǎo)致可接受充電能力下降；(3)EEM控制策略失效。

圖15 NEDC下的加速/減速過(guò)程中蓄電池電流變化分析

為了在NEDC下分析蓄電池的電平衡以及能量回收的效果，可根據(jù)車(chē)輛加速和在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制進(jìn)入斷油模式下對(duì)蓄電池的充放電電流進(jìn)行分別提取(見(jiàn)圖15中的充放電電流曲線),并對(duì)提取的電流分別進(jìn)行積分計(jì)算，發(fā)現(xiàn)即使在發(fā)動(dòng)機(jī)Start/Stop功能激活的情況下，蓄電池的電能量的流入和流出仍可達(dá)到電平衡狀態(tài)，即QChB為正值(即圖16中的0.027 5A·h)。在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入斷油模式下所回收的電能在兩次測(cè)試中分別為1.721 1和1.479 2A·h，如圖16所示。在加速工況下，由于負(fù)載功率不變，蓄電池放電量累計(jì)基本在2.1A·h左右。在怠速等其它工況下，蓄電池?fù)p失的能量通過(guò)發(fā)電機(jī)的正常發(fā)電模式得到補(bǔ)償。因此在只帶有EEM功能的前提下，最終電平衡為1.687 9A·h；在帶有EEM和啟停功能的前提下，最終電平衡為0.027 5A·h，最終電平衡數(shù)值比較小的主要原因是發(fā)電機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)不工作，完全由蓄電池向整車(chē)提供電能。因此蓄電池的放電時(shí)間增多而導(dǎo)致較小的電平衡數(shù)值。

圖16 NEDC下的電平衡分析

4 結(jié)論

本文中所討論的電氣能量管理系統(tǒng)是通過(guò)在有利的發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)以及蓄電池的荷電狀態(tài)下，適時(shí)主動(dòng)地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓和控制部分與安全無(wú)關(guān)的大功率電負(fù)載。14V-EEM系統(tǒng)正是電氣能量管理系統(tǒng)的一種具體實(shí)現(xiàn)。在滿足電氣能量需求的同時(shí)，14V-EEM提高了整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性并改善了整車(chē)電平衡。14V-EEM在紅旗H7上的成功應(yīng)用為在其它車(chē)型上的集成提供了借鑒。14V-EEM系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1) 14V-EEM在Start/Stop車(chē)型上應(yīng)用成本更低；

(2) 14V-EEM軟件算法可集成在任何車(chē)上具有CAN/LIN通信的ECU中；

(3) 14V-EEM系統(tǒng)可提高整車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性(油耗約降低2%)和電氣網(wǎng)絡(luò)可靠性(蓄電池電平衡為正值)。

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Automotive 14V Electrical Energy Management and Its Application

Ji Guangji1, Han Yutao2, Wang Jingmiao2& Gaertner Christian3

1.BOSCH(China)InvestmentCo.,Ltd.,Shanghai200335; 2.ChinaFAWGroupCorporationR&DCenter,Changchun130011;3.BOSCHEngineeringGmbH,Stuttgart74003,Germany

In view of that in traditional vehicle electric system, the output voltage of generator and the states of battery are difficult to monitor and some on-board electric appliances are uncontrollable, the 14V electrical energy management (14V-EEM) system is investigated in this paper. The system can actively and timely regulate the output voltage of generator and exert control on some non-safety-related high-power appliances under the beneficial working states of engine and battery, to enhance the fuel economy of vehicle and the reliability of on-board electric network while meeting the electric energy demands of vehicle. Finally a 14V-EEM system is installed on a FAW H7 vehicle to conduct a test with NEDC cycle. The results show that its fuel consumption reduces by around 2% with a positive electric balance, attaining the expected results.

automotive 14V electric system; electrical energy management; application

原稿收到日期為2014年11月17日，修改稿收到日期為2015年2月3日。