汽车电源智能控制系统的研发

田光辉

（四川职业技术学院汽车工程系，四川 遂宁 629000）

汽车电源智能控制系统的研发

田光辉

（四川职业技术学院汽车工程系，四川 遂宁 629000）

发电机与发动机连接方式固定，输出电压只能根据蓄电池荷电量和负载功率大小被动且有限调节，因而输出电压只能在一定范围内基本稳定，难以使发电机到达最佳工作状态和最优工作性能.文章在深度剖析发电机结构、工作模式、控制模块基础上，通过建立汽车电源系统控制策略，只需对发电机进行适度的智能化改造，就能实现适时、在线、全工况条件下对发电机输出电压的调节，确保发电机始终处于最佳工作状态和最优工作性能.

汽车电源；智能；控制系统；研发

随着汽车电控和数据总线技术的快速发展，大量娱乐性、舒适性电器应用到汽车上，在增加用电设备功率同时必然要求提高发电机的输出功率否则会导致发电机负荷过大.目前发电机多为励磁式，作为汽车主电源，其输出电压由电压调节器进行调节控制，而且发电机与发动机之间通过带传动，只要发动机运行，发电机始终处于运行状态，这必然在消耗发动机能源同时导致对蓄电池的过充电，必然缩短蓄电池的使用寿命.因此研发汽车电源智能控制系统既满足发展、需求的需要，又具有节能、降耗的现实意义.

1 实现目标

通过对汽车电源进行智能控制系统的研发，可实现：

（1）稳压输出电压.汽车电子设备对电压波动很敏感.因此，为确保其正常工作就要求发电机的输出电压波动幅值必需精准控制在0.1V以内.

（2）调节输出电压.发电机的输出电压只能在一定范围内基本稳定，不能确保全工况条件下获得最优性能.通过建立汽车电源智能控制系统策略，对发电机进行适度的智能化改造，从而实现适时、在线、全工况对发电机输出电压的调节，确保发电机始终处于最佳工作状态和最优工作性能.

（3）节约能源.在满足汽车用电设备使用安全和负荷需求前提下，尽可能降低发动机能耗；以蓄电池荷电量状态参数和车辆运行状态参数为控制基础，设计发电机控制策略，使发电机获得最优工作性能，从而实现既有效保护蓄电池，又实现能量回收.

2 汽车电源智能控制系统的研发

2.1 控制策略

汽车电源智能控制系统是根据蓄电池荷电量状态和车辆运行状态，控制发电机以最适当的工作模式运行，以达到最优性能.因此，蓄电池荷电量状态和车辆运行状态是实现发电机智能控制的基础.

2.1.1 蓄电池智能控制策略

蓄电池监控与保护是汽车电源智能控制系统的基础，在分析处理蓄电池传感器采集到的电压、电流、温度等信号基础上，对蓄电池的荷电量进行估算和能量状态区间进行划分（通常按荷电状态分为能量回收区、能量循环区、能量保留区、能量亏电区）.以此为基础制定出不同的区间采取相应的充放电策略，借助此策略对蓄电池进行监控与保护，蓄电池智能控制策略如表1所示.

表1 蓄电池智能控制策略

2.1.2 发电机智能控制策略

发电机是汽车电源智能控制系统的核心，由于发电机与发动机连接方式是固定的，输出电压只能根据蓄电池荷电量和负载情况被动调节，其值在一定范围基本稳定，难以实现最佳工作状态和最优工作性能.汽车电源智能控制系统是以蓄电池智能控制策略为基础，结合汽车运行状态等多种参数检测、处理，运用信息反馈原理，针对蓄电池电量状态和汽车运行状态组合得到若干个二维状态空间，发电机智能控制策略以每个二维状态空间为基础，通过实时、在线、全工况控制发电机的励磁电流来自动调节发电机至最优的工作状态，实现对发电机的准准控制和能量回收，发电机智能控制策略如表2所示.

表2 发电机智能控制策略

2.2 汽车电源智能控制系统的研发

结合蓄电池和发电机控制策略，研发出汽车电源智能化控制系统，系统架构如图1所示的.

图1 汽车电源智能控制系统架构示意图

2.2.1 主要特点：

（1）以智能电源控制系统为控制核心，经过改造后的发电机励磁线圈控制电路直接连接到智能电源控制系统中的励磁线圈智能控制模块上.

（2）智能供电模块采用分通道独立供电管理方式，将各用电负载按重要性、功能、功率划分为多个不同的用电设备，从而对整车电器进行有效监控和分配，每个供电通道由1个智能断电器模块进行监控和过载保护，以确保整车用电安全.

（3）蓄电池智能传感器连接在智能蓄电池和智能电源控制系统的负极柱上，可准确测定蓄电池的荷电状态（简称SOC）和技术状态（简称SO H）；车辆运行状态传感器与发动机电控单元ECU等车辆控制器之间建立信息中心，获取车辆的适时运行状态参数.

（4）智能电源控制系统通过数据总线（CAN、L I N）与发动机电控单元（ECU）等进行信息通讯，获取车辆状态参数.

2.2.2 智能蓄电池结构及传感器

智能蓄电池是在普通铅酸蓄电池结构上增加了安全蓄电池接线柱（简称SB K）、智能传感器组简称I BS、触发模块、蓄电池电缆监控系统等组成，在实际应用中还需要通过其它传感器获取相应参数，并通过串行数据线（简称BSD）进行通讯联系，实现数据共享，其结构如图2所示.SB K柱通过专用连接器直接与蓄电池正极连接在一起，若出现事故，瞬间引爆SB K柱，断开启动机、蓄电池、发电机三者之间的连接电路，将可能发生燃烧爆炸的危险降至最低；若出现事故，触发模块给SB K柱一个引爆信号；蓄电池电缆监控系统用于监控蓄电池电缆不正常的状态参数，通过数据传输线将其状态参数传输给发动机ECU，确保车辆更加安全可靠；智能蓄电池传感器是在普通传感器基础上增加智能芯片，它是智能电源控制系统中最重要部件之一，安装在蓄电池负极，通常由机械元件、智能芯片和软件等组成，其内部含有微控制器（简称μC，一种机电式部件），主要用于连续测量蓄电池电压、蓄电池充电/放电电流和蓄电池电解液温度等参数.

图2 智能蓄电池架构示意图

2.2.3 发电机励磁线圈控制电路的设计

在借鉴国内外汽车发电机智能控制原理基础上，剖析发电机控制现状，结合汽车电源智能化控制系统设计理念，本着实用、简化原则，对发电机励磁线圈控制电路进行了适度的设计.（1）不改变发电机驱动与连接方式，只对其励磁线圈电路进行电控，（2）对其内部结构拆分：保留三相交流发电机和整流器作为发电部分不变；而将励磁线圈作为用电器进行智能化改造，确保发电机始终处于最佳工作状态和最优工作性能.（3）取消原发电机电压调节器，增加励磁线圈智能控制模块，用励磁线圈智能控制模块对发电机的输出电压进行控制、调节，从而实现发电机全工况模式下工作模式的自动切换.发电机励磁线圈智能控制模块如图3所示.

图3 发电机励磁线圈智能控制原理图

发电机励磁线圈智能控制原理图主要由交流发电机、电压采集模块和电压比较模块和功率三极管等组成，以励磁线圈智能控制模块为核心，以参考电压原始数据为基础，将功率三极管串联在励磁线圈搭铁端从而控制励磁线圈电路的接通与断开.电压采集模块适时采集发电机的输出电压并将该电压反馈至控制模块，同时将发电机输出电压送至电压比较模块；电压比较模块将反馈电压与参考电压进行比较、分析，控制三极管基极电压，进而控制三极管通断，从而控制发电机励磁线圈电路的接通与断开.只要合理设定参考电压原始数据，就可以适时、在线、全工况下对发电机工作模式及其输出电压进行精准的控制，确保发电机始终处于最佳工作状态和最优工作性能.

4 验证

针对以上设计，需要在仿真试验台架上进行汽车发电机工作模式转换实验、汽车发电机稳定输出电压调节测试和汽车燃油消耗测试等工作，通过系列仿真测试一方面获取动态状态参数来验证设计、制作效果，另一方面发现设计、制作过程中的不足.以便后期不断改进、完善，这项工作目前仍在进行中.

5 结论

针对目前国内外汽车电源智能控制系统的研发空白，在消化吸收国内外学者的研究成果，结合目前车用发电机结构、应用现状基础上，提出了汽车电源智能控制系统的研究思路，尽管仍处于理论研究阶段，还有待于一系列的仿真测试，还有待于进一步完善.但我相信该项研究对汽车电源能量管理与控制、对供电安全管理、确保发电机始终处于最佳工作状态和最优工作性能等都具有一定的应用推广价值，值得后期进一步深化研究与完善.

[1]李兵，杨殿阁．汽车智能电源控制系统研究[J]．汽车技术，2014，（2）．

[2]孔伟伟，杨殿阁．传统汽车发电机的智能化控制及改造[J]．清华大学学报（自然科学版），2014，（6）．

[3]张宗荣．宝马智能蓄电池[J]．汽车电器，2013，（7）．

[4]潘潘惠，丰邱洪亮．传统汽车电机的智能化控制及改造研究[J]．中国高新技术企业，2016，（1）．

Research and Development of Intelligent Control System for Automobile Power Supply

TIAN Guanghui
(Sichuan Vocational and Technical College,Suining Sichuan629000)

Generator and engine connection is fixed,the output voltage can only be passively and limited regulated based on battery load and load power.So the output voltage can only be basically stable within a certain range,it is difficult to make the generator to reach the best working condition and optimal work performance.Based on the deep analysis of the generator structure,working mode and control module,this paper establishes the control strategy of the automobile power supply system,to ensure that the generator is always in the best working condition and optimal performance.

Automotive Power Supply;Intelligence;Control System;Research and Development

U46

A

1672-2094(2016)05-0176-03

责任编辑：张隆辉

2016-03-15

四川省教育厅自然科学一般项目阶段性研究成果（编号：15Z B0355）。

田光辉（1967-），男，四川大英人，四川职业技术学院副教授。研究方向：汽车电子及控制技术。