燃油经济模式的蓄电池电压控制系统研究

祁文治，罗云钢，宋健民

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海 200129）

自1859年被普兰特（G.Plante）发明以来，铅酸蓄电池在种类和性能等方面都获得了巨大的发展和进步，逐渐成为了汽车必不可少的零部件，在汽车工业中有着举足轻重的地位。而免维护铅酸蓄电池由于不需要补充液体，并具有耐震、耐高温、体积小和自放电小等特点，在现代汽车工业中获得了广泛应用。目前汽车免维护铅酸蓄电池（下文简称蓄电池）主要包含3种，分别是液态铅酸蓄电池（FLA）、增强型液态铅酸蓄电池（EFB）和吸附式玻璃纤维铅酸蓄电池（AGM），蓄电池内部主要化学反应如图1所示。

图1 蓄电池内部主要化学反应

蓄电池在汽车上与发电机并联，通过调节发电机的输出电压控制蓄电池工作电压，实现蓄电池化学能和电能的相互转化，即控制蓄电池充电或放电。蓄电池作为一种直流电源，主要作用有：为起动机提供起动电流，协助发电机为用电器供电，储存电能，保护用电器。

本文通过对燃油经济模式的原理和特点进行分析，研究蓄电池在该模式下的电压控制系统和最优充电电压的控制算法，并进行车辆试验验证，为燃油经济模式的蓄电池电压控制提供参考。

1 燃油经济模式

燃油经济模式是在蓄电池电量充足的情况下，降低发电机输出电压，使蓄电池在较低电压下工作而放电，从而协助发电机为用电器供电，达到减少发电机负载和燃油消耗 的 一 种 工 作 模 式。

进入燃油经济模式时需要对车辆状态进行判断，包括蓄电池和用电器的工作状态等。常见的一些判断条件如下：①蓄电池电量大于一定值；②蓄电池温度或外部空气温度在一定范围内；③蓄电池电流在一定范围内；④蓄电池电压大于一定值；⑤车辆里程数大于一定值；⑥车速不超过一定值；⑦发动机冷却风扇速度较小且冷却液温度较低；⑧空调鼓风机速度较小且液压较低；⑨前照灯、除霜和后窗除雾等均未开启。

只有当上述所有条件均满足时，才可以进入燃油经济模式，降低蓄电池电压，使其放电，协助发电机为用电器供电。同样，为避免引起蓄电池过度放电，进入燃油经济模式后需要实时对上述条件进行判断，当某个或多个条件不再满足时，应控制退出燃油经济模式。

2 蓄电池电压控制设计

2.1 蓄电池电压控制系统

反馈控制系统

自动控制是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动按照预定的规律运行。根据控制方式的不同，自动控制系统分为开环控制系统、反馈控制系统和复合控制系统。其中反馈控制系统也称闭环控制系统，是按偏差进行控制的，其特点是当被控量偏离输入量时，会产生一个相应的控制作用去不断修正被控量和输入量之间的偏差，使两者趋于一致。反馈控制系统可以抑制扰动对被控量产生的影响，有较高的控制精度，因此应用较为广泛，典型的反馈控制系统框图如图2所示。

图2 典型反馈控制系统框图

反馈控制系统有稳、准、快3大特性，即稳定性、准确性和快速性。

1）稳定性是保证控制系统正常工作的先决条件。稳定的控制系统应使被控量与输入量的初始偏差随着时间增长而逐渐减小并趋近于零，即被控量能够始终跟踪输入量的变化。若初始偏差随着时间增长而振荡或发散，则系统是不稳定的。

2）准确性是指稳态时被控量与输入量之间的偏差。理想情况下，过渡过程结束后，被控量达到的稳态值应与输入量一致。但考虑实际情况，两者之间总存在着一定误差，称为稳态误差。稳态误差是衡量控制系统精度的重要指标。

3）快速性表征的是控制系统过渡过程的快慢，也称为动态性能。不同的控制系统对快速性要求各异，过快或过慢的过渡过程都是不适宜的，而应根据被控对象的特点分配合理的快速性指标。

稳、准、快3大特性是反馈控制系统的基本要求，实际应用中需要根据被控对象的具体特点和工作场景的具体要求进行综合考虑和设计，并根据试验情况不断优化和迭代，最终实现稳、准、快的要求，并满足实际工程应用的需求。

蓄电池电压控制系统

蓄电池电压控制系统采用反馈控制系统，主要由蓄电池、车身控制模块BCM、发电机和蓄电池传感器IBS等组成，如图3所示。

图3 蓄电池电压控制系统组成

蓄电池的充放电状态由其两端的电压值决定，该电压值通过BCM调节发电机输出电压控制。为实现化学能和电能的能量转换最优化，同时使蓄电池的使用寿命最大化，车辆在不同状态下的蓄电池电压有不同的期望值，即最优充电电压。

最优充电电压是BCM根据车辆状态（主要是蓄电池、发电机和用电器等的状态）进行实时调节的。BCM将最优充电电压转化为发电机占空比请求信号，发电机根据占空比请求信号调节输出电压，从而控制蓄电池电压。IBS将采集到的蓄电池电压信号回传给BCM，BCM将其与最优充电电压比较，根据比较后的电压偏差值调节发电机占空比请求信号，再通过发电机修正蓄电池电压，减小与最优充电电压的偏差。通过电压控制系统不断减小该偏差，最终使蓄电池电压稳定跟踪最优充电电压，蓄电池更加合理地充放电。蓄电池电压控制系统框图如图4所示。

图4 蓄电池电压控制系统框图

蓄电池电压控制系统的稳定性、准确性和快速性直接影响着蓄电池的工作电压，进而对蓄电池的能量转换和使用寿命造成影响。

1）对于电压控制系统，负反馈保证了其稳定性，即当蓄电池电压高于最优充电电压时，则减小发电机占空比请求信号，使发电机降低输出电压；若蓄电池电压低于最优充电电压时，则增大发电机占空比请求信号，使发电机提高输出电压。

2）准确性通过设置蓄电池电压的稳态误差实现，当蓄电池电压落在稳态误差范围内时，无需再继续减小/增大发电机占空比请求信号，即认为此时的蓄电池电压已经达到期望值，即最优充电电压。

3）发电机占空比请求信号减小/增大的步长形式和大小决定了系统调节的快速性。

2.2 最优充电电压控制算法

一般情况下，进入燃油经济模式时最优充电电压值比较高，需要调节到最优充电电压的期望值。

燃油经济模式的最优充电电压控制也采用反馈控制的思想，以最优充电电压的期望值为输入量，最优充电电压作为被控量，其控制系统如图5所示。进入燃油经济模式后，通过每次比较实际值与期望值的偏差量，逐步减小或增大最优充电电压，使其逐渐落在期望值的误差带内。

图5 最优充电电压控制系统

考虑到反馈控制的稳定性、准确性和快速性，设计最优充电电压控制算法的流程图如图6所示。

图6 最优充电电压控制流程图

3 试验验证

3.1 系统参数选取

根据大数据采集到的信息和蓄电池寿命实验数据，取燃油经济模式的最优充电电压期望值为OptiCharVolt_FE，取蓄电池电压控制和最优充电电压控制的软件执行周期为0.5s。系统控制参数选取如表1所示。

表1 控制参数选取

3.2 试验结果分析

按上述系统参数选取配置软件，进行车辆在燃油经济模式的试验，试验中采集总线数据，绘制蓄电池电量、发电机占空比请求信号、最优充电电压、蓄电池电压和电流的曲线，如图7所示。

由图7可知，进入燃油经济模式后，最优充电电压未控制在期望值，而是在期望值附近波动，发电机占空比请求信号波动，蓄电池的电压和电流也都出现波动。分析可知，最优充电电压的波动引起蓄电池电压控制系统的输入量波动，导致被控量跟踪输入量的波动，即蓄电池电压波动，进而引起放电电流的波动。

图7 试验结果曲线

3.3 参数优化验证

对试验数据和控制算法分析可知，最优充电电压在期望值附近波动的原因是调节步长和误差带不匹配，即调节步长大于误差带导致了最优充电电压的波动。

综合考虑燃油经济模式下最优充电电压控制的稳定性、准确性和快速性要求，保持调节步长不变，误差带参数优化为[-0.150V，0.150V]。再次进行车辆在燃油经济模式的试验，试验中采集总线数据，绘制数据曲线如图8所示。

图8 误差带优化后的试验结果曲线

由图8可知，优化误差带参数后，最优充电电压在进入燃油经济模式后最终控制在期望值的误差带内，发电机占空比请求信号稳定、蓄电池电压控制稳定、放电电流控制稳定，即最优充电电压控制满足稳、准、快的要求，蓄电池电压控制系统也满足稳、准、快的要求。

4 结论

本文分析了蓄电池的工作原理和在汽车上的主要应用，介绍了燃油经济模式降低车辆燃油消耗的原理和特点，考虑能量转换和电池寿命提出最优充电电压概念，研究了基于反馈控制的蓄电池电压控制系统，设计了最优充电电压控制算法，并通过车辆在燃油经济模式的试验进行验证，进而优化参数设计，使系统和算法更加合理和稳健。