董先瑜，鳳亞嬌，張培華（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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高效智能發(fā)電機的控制策略及其應(yīng)用

董先瑜，鳳亞嬌，張培華
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

隨著1.6L及以下節(jié)能環(huán)保汽車新政策、乘用車第IV階段燃料消耗量評價指標草案的陸續(xù)發(fā)布實施，國家的節(jié)能環(huán)保政策與法規(guī)日趨收緊，對油耗越來越嚴格。另外，油耗是消費者用車過程中重點關(guān)注要素之一，也是汽車競爭的關(guān)鍵點。各大汽車公司競相開發(fā)各種節(jié)油技術(shù)以提升產(chǎn)品競爭力。高效智能發(fā)電機技術(shù)由于變動小、節(jié)油效果較好（NEDC循環(huán)可節(jié)油1%～2%[1]），容易移植等特點具有較高的應(yīng)用推廣價值，然而，因智能發(fā)電機回收能量最大化的需要，蓄電池電量需要維持在較低電量，發(fā)電機最低發(fā)電電壓較低，而最大發(fā)電電壓較高。若這些參數(shù)設(shè)計不當，對車輛的電氣系統(tǒng)、冷起動及電平衡都產(chǎn)生較大影響。本文系統(tǒng)地闡述了高效智能發(fā)電機的節(jié)油原理及其控制策略，將其應(yīng)用于轎車上并通過試驗對關(guān)鍵參數(shù)驗證確認，確保高效智能發(fā)電機控制策略在滿足整車使用性能前提下節(jié)油。

智能；發(fā)電機；控制策略；應(yīng)用

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.055

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-170-06

1、節(jié)油原理

使用高效智能發(fā)電機節(jié)油體現(xiàn)在兩塊：一是發(fā)電機高效率，即采用高效率電機代替普通電機，相同發(fā)電量所消耗的燃料更少，達到節(jié)油效果；二是智能發(fā)電機，根據(jù)車輛狀態(tài)控制發(fā)電機的輸出電壓，回收減速制動能量來給車輛供電，達到節(jié)油效果。那就是ECU根據(jù)車輛、蓄電池、發(fā)電機的狀態(tài)信息，通過恰當?shù)目刂撇呗源_定當前發(fā)電電壓并向發(fā)電機發(fā)送電壓控制指令（見圖1），使發(fā)電機根據(jù)需要輸出合適的電壓，達到節(jié)油效果，即減速提高電壓多發(fā)電，加速降低發(fā)電電壓少發(fā)電或不發(fā)電,勻速時設(shè)置合適電壓以最經(jīng)濟電壓發(fā)電（見圖2）。

2、智能發(fā)電機控制策略

智能發(fā)電機的工作邏輯框圖如下：

控制邏輯圖主要從策略的輸入、輸出、邊界條件、控制邏輯和故障診斷及安全保護等方面對智能發(fā)電機的控制策略進行說明，下面從這些方面進行詳細說明。

2.1狀態(tài)檢測模塊

智能發(fā)電機控制模塊通過對蓄電池狀態(tài)、蓄電池電量傳感器EBS狀態(tài)、發(fā)動機狀態(tài)、發(fā)動機水溫狀態(tài)等參數(shù)進行判斷，確定是否開啟智能電壓條件功能。

智能發(fā)電機控制模塊需要判斷的條件有：

EBS是否有故障，當有故障時禁止智能電壓調(diào)節(jié)功能。

SOCstate、SOFV1state值為0x00"deviation > 15%" 或0x 03,"invalid"時禁止智能電壓調(diào)節(jié)功能，當值為0x01,"deviation < 15%" 或 0x02,"deviation < 10%" 時允許智能電壓調(diào)節(jié)功能。

當蓄電池溫度大于標定值時，為避免高電壓充電造成蓄電池失水，禁止智能電壓調(diào)節(jié)功能。

當SOF V1低于標定值時，判斷蓄電池老化，禁止智能電壓調(diào)節(jié)功能。后續(xù)EBS支持SOH后，可以通過SOH的值來進行判斷。

當發(fā)動機水溫過低時禁止智能電壓調(diào)節(jié)功能。

2.2非能量回收過程調(diào)節(jié)電壓制定

2.2.1蓄電池最優(yōu)電量差值的確定

根據(jù)蓄電池供方的電池性能參數(shù)，以蓄電池的溫度和車速兩個參數(shù)來判斷，確定蓄電池的最優(yōu)電量。下面是最優(yōu)電量Map的一個例子，該Map的標定要參考電池廠家提供的Spec，保證電池壽命可靠，此外，該電量能確保起動可靠，以及電池充電效率等因素。

在實際的項目過程中，這個Map中的值可以進行調(diào)整，如最小值調(diào)到70%，80%等，以對節(jié)油性能和對蓄電池的性能影響進行評估，以選擇更合適的值。

同時，考慮到蓄電池老化對放電能力的影響，電池老化后，適當提高最佳目標電量，以確保起動可靠性。如果有SOH的信號后，可以用SOH信號對最優(yōu)電量進行修正。下面Map是基于SOF V1（預(yù)估起動電壓）對最優(yōu)電量的修正。

計算當前的SOC值與最優(yōu)電量的差值獲得當前的SOC值與最優(yōu)電量的差值，當蓄電池SOC低于最優(yōu)電量差值時，提高充電電壓，使蓄電池電量達到最優(yōu)電量，當蓄電池SOC超過最優(yōu)電量后，降低充電電壓以實現(xiàn)節(jié)能。

原理框圖：

2.2.2發(fā)動機效率的確定

計算發(fā)動機效率主要目的是，當發(fā)動機工作在高效區(qū)時，增大發(fā)電電壓，工作在低效區(qū)時，降低發(fā)電電壓，以達到節(jié)油的效果。發(fā)動機效率的Map要基于發(fā)動機臺架萬有特性來標定，主要與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和實際輸出扭矩相關(guān)。

實際輸出扭矩是 EMS根據(jù)油門踏板的開度判斷的駕駛員期望扭矩、TCU的扭矩請求，ESC的扭矩請求等輸入計算出的輸出扭矩。如當駕駛員以一個較小的油門開度勻速行駛時，發(fā)動機的扭矩輸出值就會較小，而相應(yīng)的發(fā)動機的效率就比較低。

發(fā)動機效率計算原理框圖如下：

對發(fā)動機效率計算的Map進行補充如下：

橫軸為發(fā)動機轉(zhuǎn)速

縱軸為實際輸出扭矩與200Nm比值的百分比。

數(shù)據(jù)區(qū)為發(fā)動機效率，示例如下：

表1　

2.2.3目標充電電壓的確定

用蓄電池最優(yōu)電量差值和發(fā)動機效率通過 Map獲得蓄電池充電電壓，Map圖示例如下：

表2　

蓄電池充電電壓總體的規(guī)則是，發(fā)動機效率越高，充電電壓越高，發(fā)動機效率越低，充電電壓越低；蓄電池容量越低，充電電壓越高，蓄電池容量越高，充電電壓越低。

目標充電電壓確定的原理框圖如下：

2.2.4蓄電池充電電壓限值的確定

在確定蓄電池充電電壓時，不僅要考慮目標充電電壓，還要考慮在蓄電池的充電電壓上限，和對整車電平衡相關(guān)充電電壓下限。

蓄電池充電電壓上限主要考慮的有通過蓄電池溫度、蓄電池容量計算出的最大允許充電電壓，當蓄電池容量較高時，高電壓充電容易造成蓄電池失水，因此需要降低充電電壓，而低SOC時可以采用較高的充電電壓。同樣，蓄電池溫度高時，高電壓充電容易造成蓄電池失水，因此需要降低充電電壓，而溫度低時可以采用較高的充電電壓。

橫軸為蓄電池溫度；

縱軸為蓄電池SOC；

數(shù)據(jù)區(qū)為充電電壓限制。

表3　

同時，通過制定最大設(shè)定電壓，可以對通過蓄電池溫度和SOC計算的充電電壓進行限制，同時考慮到啟動時限制充電電壓，獲得目標電壓上限。

目標電壓下限主要考慮最小設(shè)定電壓和啟動的影響。在啟動時按照啟動過程發(fā)電電壓，非啟動時按照最小設(shè)定電壓（如下圖）。

2.2.5蓄電池充電電壓限值的確定

將目標充電電壓與目標電壓上限進行比較取最小值，在非能量回收過程時進行輸出。

2.3能量回收過程調(diào)節(jié)電壓制定

當車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速大于閥值時，駕駛員踩制動，或發(fā)動機斷油、或駕駛員扭矩請求小于閥值時，輸出能量回收標志位。

當發(fā)動機進入停機過程時，輸出停機標志位。

當發(fā)動機發(fā)出能量回收標志位或停機標志位時，且IGC功能有效，輸出能量回收信號，此時，發(fā)電機將按照目標上限進行發(fā)電。

以能量回收過程輸出的電壓值或非能量回收過程輸出的電壓值與目標電壓下限進行比較取最大值，即為智能電壓調(diào)節(jié)過程輸出的電壓。

2.4故障模式

當發(fā)電機控制模塊判斷IGC功能不可用時，將取消智能調(diào)節(jié)發(fā)電電壓功能，按照一個傳統(tǒng)發(fā)電機進行發(fā)電。

3、高效智能發(fā)電機控制策略的應(yīng)用

通過將發(fā)電機由普效普通型（58%效率，固定電壓發(fā)電）更換成高效智能發(fā)電機（63%效率，可變電壓發(fā)電）、蓄電池更換成支持深充放電式、改造BCM和新增電池傳感器等硬件改造（見參考文獻1），在江淮一款轎車上應(yīng)用高效智能發(fā)電機技術(shù)，并應(yīng)用前述控制策略。具體應(yīng)用如下：

3.1電池最優(yōu)電量確定

電池最優(yōu)電量值作為ECU控制蓄電池電量的基準參數(shù)。蓄電池的充電效率與電池荷電量多少有關(guān)，電池荷電量越低充電效率越高，智能發(fā)電機能量回收效率越高，但是，電池荷電量越低，將直接影響車輛低溫起動性和儲運要求。因此，電池電量需要控制在一定水平，電池電量設(shè)定值就是這一水平的量化指標。根據(jù)冷起動試驗、車輛儲運時間試驗和車輛油耗試驗結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)將電池電量設(shè)定值確定為70%滿電電量（0℃以上），在電池溫度低于0℃時，電池活性低，易出現(xiàn)起動困難，電池電量設(shè)定值加大處理，以保證車輛低溫起動性。其值增加量由電池溫度和車速決定，并隨溫度減低和車速增加線性加大，見下圖（X為電池溫度，Y為車速）：

表4　

3.2發(fā)電機目標電壓的確定

3.2.1發(fā)電機最小和最大目標充電電壓設(shè)定

發(fā)電機目標充電電壓范圍由最小目標充電電壓和最大目標充電電壓確定。發(fā)電機最小目標充電電壓影響蓄電池電量和節(jié)油效果，設(shè)定過低，電池易虧電，影響車輛起動性，設(shè)定過高，車輛油耗大，影響節(jié)油效果。發(fā)電機最大目標電壓影響能量回收量和車輛用電器壽命，設(shè)定過低，能量回收少，節(jié)油效果差，設(shè)定過高則降低車輛用電器使用壽命。根據(jù)車輛電平衡試驗、冷起動試驗、車輛油耗試驗和可靠性試驗結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)確定發(fā)電機最小目標充電電壓為13V（電池相對不虧電時），最大目標充電電壓為15.5V。在電池虧電情況下，最小目標充電電壓加大處理，以最經(jīng)濟的發(fā)電電壓保持電池電量足夠。其值增加量由相對虧電量和發(fā)動機燃油效率共同確定，并隨虧電量增加和發(fā)動機燃油效率增加線性加大（x為電池實際電量與最優(yōu)電量差值，y為發(fā)動機效率）。

3.2.2發(fā)電機當前目標充電電壓的確定

發(fā)電機當前目標充電電壓取決于電池實際荷電狀態(tài)。在車輛運行過程中(除減速和停車過程中），當蓄電池當前電量高于電池電量設(shè)定值，在上述最大與最小目標電壓所確定的電壓范圍內(nèi)確定一較小的電壓值作為當前發(fā)電機目標電壓，使蓄電池放電；當蓄電池當前電量低于電池電量設(shè)定值，在上述最大與最小目標電壓所確定的電壓范圍內(nèi)確定一較高的電壓值作為當前發(fā)電機目標電壓，使蓄電池充電，保持蓄電池電量在設(shè)定值合理范圍內(nèi)波動，從而保證了制動能量部分回收效率的同時滿足整車起動性和儲運要求。

3.3動態(tài)電壓控制

ECU根據(jù)發(fā)動機的扭矩變化以及駕駛員的加速及制動操作等判斷車輛的加速、勻速及減速工況，加速或勻速時根據(jù)蓄電池荷電量確定較低的發(fā)電電壓，減速時設(shè)定最大發(fā)電電壓，實現(xiàn)電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)。這樣一方面降低了加速時發(fā)動機負荷，提高加速性能，另一方面勻速時發(fā)電機以經(jīng)濟的動態(tài)充電電壓充電，減速時車輛制動能量的部分回收，實現(xiàn)節(jié)油。（如下圖）

3.4優(yōu)化發(fā)動機起動

發(fā)動機起動時，ECU設(shè)定比電池電壓低得多的發(fā)電電壓，讓發(fā)電機不發(fā)電，減輕發(fā)動機負荷，實現(xiàn)快速起動，提高駕駛性舒適性，這一優(yōu)點對起停車輛尤為重要。同時起動過程中起動機拖動時間縮短，提高了起動機的壽命。

下面兩圖為車輛應(yīng)用上述控制策略后實際測量發(fā)電機發(fā)電電壓等參數(shù)變化情況。

該兩圖為NEDC市郊循環(huán)和城市循環(huán)工況中智能發(fā)電機系統(tǒng)運用簽署控制策略后相關(guān)參數(shù)變化情況。圖中不難看出，發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)過程如下：

1）當前電量75%大于70%的電量設(shè)定值，因此最小目標發(fā)電電壓為13V，而最大目標發(fā)電電壓為15.5V。

2）在加速或勻速行駛時，發(fā)電機發(fā)電電壓稍高于13V，減速時以最大目標電壓15.5V發(fā)電，從而實現(xiàn)節(jié)油。

4、高效智能發(fā)電機控制策略對車輛其他系統(tǒng)或性能的影響

高效智能發(fā)電機的控制參數(shù)如最優(yōu)電量、最高最低充電電壓等的設(shè)定需要結(jié)合車輛實際狀況進行合理的設(shè)計，否則，會對車輛的起動性能、可靠性、電平衡等產(chǎn)生消極影響。為此，需要進行相關(guān)試驗來驗證控制策略與整車搭配的合理性。下面以智能發(fā)電機控制策略應(yīng)用于上述江淮某款轎車為例進行闡述。

4.1整車電平衡

因控制策略設(shè)計不當會導(dǎo)致整車發(fā)電量與用電量不匹配，易造成造成蓄電池虧電，因此開展整車怠速電平衡驗證。試驗邊界：1）發(fā)動機怠速轉(zhuǎn)速維持在800r/min；2）試驗時間為4h，且關(guān)鍵用電器全打開。

試驗前蓄電池SOC為70%，過程中 SOC保持在71%～72%，試驗結(jié)束時SOC為71%（如下圖所示），且車輛可以再次啟動，電平衡合格。

4.2整車冷起動

智能策略導(dǎo)致電池最優(yōu)電量僅為70%滿電電量，因此需要冷起動驗證。試驗參照《標準汽車起動性能試驗方法GB/T 12535-2007》，在-30℃環(huán)境下進行兩次冷起動，均合格（見下圖、表）。

次數(shù) 　試驗溫度最低電壓最大電流起動時間是否成功第1次起動 　7.22 　435.34 　2.07 　是-30℃第2次起動7.04 　456.64 　1.51 　是

4.3車輛儲運時間驗證

儲運時間要求就是車輛放置42天后仍能起動，它等于電池放電電量除以靜態(tài)電流。在智能發(fā)電機系統(tǒng)中，由于電池控制電量僅為70%，未達到普通車輛滿電狀態(tài)，因此進行儲運時間驗證。驗證結(jié)果為52天，滿足要求。

表5　電池充放電量測試

4.4整車可靠性試驗

完成30000km整車可靠性試驗，智能發(fā)電機系統(tǒng)工作正常，整車未出現(xiàn)電平衡和零部件故障?？煽啃栽囼灨鞣N道路里程分配如下：

表6　

驗證結(jié)果表明，高效智能發(fā)電機控制策略能夠滿足車輛實際需要。

5、結(jié)論

高效智能發(fā)電機控制策略可分為非能量回收、能量回收和故障模式狀態(tài)，前兩種狀態(tài)都能實現(xiàn)整車節(jié)油，故障模式在智能系統(tǒng)故障時提供跛行功能；

高效智能發(fā)動機控制策略決定了其對車輛節(jié)油效果的影響程度，適當?shù)目刂茀?shù)才能實現(xiàn)較為理想的節(jié)油，但控制參數(shù)設(shè)定必須綜合考慮其對整車其它性能的影響。

[1]董先瑜.高效智能發(fā)電機應(yīng)用研究.汽車制造業(yè)[J]2016第1期.

Efficient intelligent generator's control strategy and it's applications

Dong Xianyu,Feng Yajiao,Zhang Peihua
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601）

With the promulgation and enforcementof new policy for clean cars and the draftof thestageIV fuel consumption evaluation index for Passenger cars,the policies and regulations of the country's energy conservation and environmental protectionis getting tighter day by day ,and more strict to the cars' fuel consumption.In addition,the fuel consumption is one of the focusing elements during the course of using car,and is also the key point of car competition.Major car companies compete to develop various oil-saving technologies to enhance the product competitiveness.due to smaller changes and betteroil-saving effect (fuel can be saved by 1%～2% in the NEDC cycle[1]) and more easily to be transplanted and so on,the efficient intelligent generator technology has higher application promotion value.however,due to the need of intelligent generators recyclingmaximum energy,the power of storage battery and the minimum powervoltage of generator need to maintain lower and the maximum power voltage of generator need to be set higher.If these parameters are not properly designed,the vehicle's electrical system,cold starting performance and electric balance performance will be greatly influenced.This paper systematically describes the efficient fuel-efficient principle of the efficient intelligent generator and its control strategy and its application on a car and the processesof the validation and confirmation of the key parameters toEnsure more fuel efficient On the precondition ofmeeting vehicle' s performance.

intelligent; generator; control strategy; applications

U463.6

A

1671-7988（2016）08-170-06

董先瑜（1971-），男，中級工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，從事汽車發(fā)動機研發(fā)工作。