李兵杨殿阁孔伟伟连小珉

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室）

汽车智能电源控制系统研究＊

李兵杨殿阁孔伟伟连小珉

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室）

为解决汽车电器数量和功率的增加对汽车电源系统的影响，提出利用蓄电池电量分区来实现蓄电池保护方法，通过电器分通道独立供电进行供电管理和短路保护，利用发电机智能控制和制动能量回收节约系统能耗。针对某款轿车开发了智能电源系统，试验结果表明，该智能电源控制系统起到了蓄电池亏电保护、供电短路保护及制动回收等功能，可节约燃油约3.7%。

1 前言

近年来，随着汽车电子和通讯技术的发展，越来越多的电子设备被应用于汽车上，使得汽车总电气功率越来越大，因此对汽车电源系统的性能要求也逐渐提高。汽车电气系统产生的能耗和排放随功率的增大而增加，在节能和环保日益受到关注的今天，提高电源系统能量利用效率具有重要意义。另外，保证越来越大的电器功率供应，提高供电安全，也是目前需要解决的主要问题。而蓄电池作为汽车供电系统中的主要储能部件，也要对其启动能力和健康状态进行保护。

为解决上述汽车电源系统问题，目前已开发了蓄电池管理技术[1，2]、供电安全监控与保护技术[3，4]、发电机智能控制技术[5]以及汽车能量管理系统[6，7]等相关技术。本文基于汽车电源管理技术，研究开发一种汽车智能电源控制系统，包括发电机智能控制、制动能量回收、通道独立监控和自动保护的汽车电器供电，以及蓄电池监控和保护等功能，以实现提高汽车电源系统供电能力和安全性及降低能耗的目标。

2 汽车智能电源控制技术

燃油汽车的电源系统主要由发电机和蓄电池构成，对电源系统的智能控制技术主要包括蓄电池监控与保护、供电安全管理、发电机智能控制等3个方面。

2.1 蓄电池监控与保护

电量估计是蓄电池管理的基础，可通过蓄电池传感器采集电压、电流、温度等数据，结合汽车使用条件实现蓄电池的电量估计，其计算方法为：

式中，SoC为蓄电池荷电状态，即相对电量值；U、I分别为蓄电池电压与电流，其中电流以放电为正，充电为负；UF、IF分别为蓄电池充满条件参数；IS为放电电流阈值；tS为时间阈值。

式（1）中，蓄电池电量根据不同条件按3种方式计算，第1种方式（式（1）中第1行）为充满条件计算，当蓄电池充电电压U高于UF、充电电流I小于IF时，即可认为充满（本试验中取UF=13.8 V，IF= 1 A），充满时得到SoC=1；第2种方式（式（1）中第2行）为开路条件计算，当锁车静置时，蓄电池放电电流较小，可近似为开路条件，当放电电流I保持在IS以下的持续时长达到tS时（本试验采用IS=0.1 A，tS=2 h）认为满足静置条件，则利用已标定的开路电压公式FOCV（U）计算得到SoC；在上述2种条件均不满足时，利用安时积分方法FAH迭代计算SoC，即利用第k次计算的SoC值和第k+1次测量的电流值计算新的SoC值（式（1）中第3行）。

图1为蓄电池电量状态区间划分，式（2）为区间的数学关系式。

由图1和式（2）可知，蓄电池状态sB按电量SoC大小划分为亏电区SL、保留区SP、循环区SC和回收区SR等4个分区，其中SoCL、SoCP、SoCC为各电量区间的分界。当得到蓄电池的电量分区后，就可以此为基础进行蓄电池的分区保护，在不同的区间内采取不同的充放电策略。

如表1所列，当蓄电池电量较充足位于回收区时，使蓄电池放电以保留制动能量回收的空间；当蓄电池位于循环区时，蓄电池处于充、放电循环状态，即当充电达到循环区电量上限时切换为放电状态，当放电达到循环区下限时切换为充电状态，使蓄电池电量保持在循环区；当蓄电池位于保留区时，在发动机运行状态下进行正常充电，当发动机关闭时进行1级放电保护，即关闭娱乐、舒适性负载；当蓄电池位于亏电区时，在发动机运行状态下进行快速充电，当发动机关闭时进行2级放电保护，即关闭所有非必要的负载，尽量减少蓄电池放电量。

表1 蓄电池分区控制策略

2.2 供电安全管理

如图2所示，汽车供电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D1、D2、…、Dm共m个不同的供电区域，各区域分别由C1、C2、…、Cm共m个独立的供电通道进行供电，每一供电通道由1个智能继电器模块进行监控和过载保护管理，以提高整车用电安全。

供电区域划分主要原则为：首先将对于行驶安全影响差别较大的电器划分入不同的通道，防止次要区域的供电故障对重要电器的供电发生影响；其次是功能和位置相近的电器尽量划分到同一通道；另外，每一区域的电器总功率不能超出单通道的供电能力；最后，在满足上述条件的情况下尽量采用较少的通道数量。

每个供电区域由1个独立通道进行供电，各通道分别由1个通道管理模块进行控制。通道管理模块的功能主要是通道电流监控和自动过载保护，管理模块对电流的监控可实现不同级别的过载保护，即：式中，Ai=0时表示第i通道供电关闭，即保护机制启动，Ai=1为正常供电；Ii为第i通道的电流，由通道管理模块进行监控；I¯i为第i通道的电流保护阈值，可根据该通道连接电器总功率预先设定。

通过上述方式进行分通道独立供电，可以对整车电器进行有效监控和分配，当电力不足时可以关闭部分电器供电以保证主要电器的使用，当有电器发生过流故障时也可即时关闭以保证电源系统的安全，且不影响其它通道的供电。

2.3 发电机控制

发电机是汽车电源系统中的能量来源，也是汽车电气系统油耗产生的直接来源，因此是控制电源系统中能量流动的关键。传统的汽车发电机由于工作方式和输出电压固定，只能根据电池和负载情况被动调节，难以达到能量的优化分配。智能电源系统中的发电机控制技术是根据对蓄电池分区和汽车运动状态的识别，通过励磁电流控制来动态调节发电机的工作模式，实现制动能量回收、能量的优化分配以及蓄电池的电量控制。

智能电源控制系统中发电机的工作模式为：

a.关闭：关闭发电机的励磁，发电机处于停止或空转状态，可以节约能耗；

b.正常：发电机处于正常工作状态，输出电压为其额定电压；

c.浮充：发电机输出电压降为电池浮充电压，在保证电池电量的条件下降低能耗；

d.快充：提高发电机输出电压，对电池快速充电，制动时提高发电机能量回收功率。

智能电源系统通过与动力系统的通讯识别车辆状态为起动、怠速/匀速、制动、加速或停转（即发动机关闭时）等。

根据上述车辆状态与蓄电池电量分区，发电机的工作模式按表2所示的策略进行控制。在制动时使用快充模式回收制动能量，若已充满则改为浮充以减少能耗；而加速时在电量允许情况下关闭发电机，利用蓄电池供电以减少能耗，正常行驶时通过对发电机模式的调节使电量保持在循环区，既留出制动能量回收的空间，也保留足够的电量供静态条件下使用。图3为应用上述智能发电机控制策略时，发电机的电压在不同行驶条件下的变化情况。

表2 发电机控制策略

3 汽车智能电源控制系统开发与试验

3.1 智能电源控制系统开发

针对某国产轿车，按照上述方法开发了智能电源控制系统，系统架构如图4所示。

图4 中，智能电源控制器为核心控制部分，经过改造的发电机的励磁回路直接连接到控制器中的励磁控制模块；发电机和蓄电池的输出端连接到智能电源的供电控制模块，其输出分5个通道连接到改造的保险盒，分别供给各电器，通道电器的分配如表3所列，其中第4通道和第5通道为舒适性和娱乐性电器的供电通道，在蓄电池亏电时可切断其供电；在蓄电池负接线柱上安装1个蓄电池传感器进行蓄电池参数测量；控制器通过CAN总线与发动机ECU等进行通讯，获取车辆状态。

表3 供电通道划分

3.2 试验

完成上述系统的安装后，对智能电源系统的功能进行了实车测试。图5为供电管理功能试验的1个实例，图5a为5个通道的负载电流，图5b为蓄电池电量变化情况。试验中，在0～500 s时间段内发动机不起动，打开各通道用电器，蓄电池电量逐渐下降；在时间约为500 s时，SoC下降到50%以下，进入亏电状态，此时系统自动关闭了第4通道和第5通道的供电，第4通道和第5通道的电流为零，电量下降趋势变缓；在600 s左右时，测试人员发动汽车，此时蓄电池开始充电，系统自动恢复了第4通道和第5通道的供电。试验结果表明，安装智能电源系统后可以实现不同供电区域电器的分通道独立供电，并根据蓄电池的电量控制电器的供电通断，避免了蓄电池的亏电现象。

图6 为供电过载保护功能测试实例。本系统第5通道的过载电流设计为30 A，测试人员人为地增加该通道的电流，当电流增加到30 A以上并达到0.2 s时，系统过载保护功能启动，自动切断该通道的供电，电流降为零。试验表明，智能电源系统的过载保护功能可以实现电路的过载和短路情况的保护，过载时间设置为0.2 s可以保留单个电器保险丝的熔断时间的情况下尽量提高供电安全，同时其它通道的供电不受影响。

另外，进行了行驶油耗的对比试验，试验模拟城市行驶工况进行，平均行驶车速约为20 km/h，最高车速约为50 km/h。采用智能电源控制和传统供电方式的实时油耗对比结果如图7所示，可见在相同的行驶里程内，应用智能电源控制的油耗较低，百公里油耗由传统方式的11.07 L降低到10.66 L，节约燃油约3.7%。

试验工况中有约9%的制动时段，在制动时智能电源系统控制发电机提高电压到14.5 V，蓄电池充电电流可达55 A左右，同时并未产生额外的油耗，即系统回收制动能量的功率约为800 W。回收的能量储存在蓄电池中，在其它工况下为电器供电，进而减少对发电机的使用，降低油耗。

4 结束语

针对燃油汽车的供电问题，综合应用蓄电池管理、供电监控与保护、发电机智能控制等技术，开发了一种智能电源控制系统。试验表明，该系统能够实现多通道独立供电、蓄电池亏电保护、制动能量回收等功能，能够有效地提高汽车供电安全性并降低油耗，且系统成本较低，因此具有一定的应用价值。

1Meissner E，Richer G.Battery Monitoring and Electrical EnergyManagementPreconditionforFutureVehicle Electric Power Systems.Journal of Power Sources，2003，116:79～98.

2Meissner E，Richer G.The Challenge to the Automotive Battery Industry:the Battery Has to Become an Increasingly Integrated Component within the Vehicle Electric Power System.Journal of Power Sources，2005，144:438～460.

3张新丰，杨殿阁，薛雯，等.车载电源管理系统设计.电工技术学报，2009，24（5）:209～214.

4张新丰，连小珉.全电子汽车系统.汽车工程，2012，34（6）: 535～539.

5王忠，魏长河，王宇成，等.基于集成起动机/发电机的整车控制策略仿真研究.汽车工程，2010，32（4）:288～292.

6梁立学.一汽奥迪A6L轿车蓄电池电源管理控制（上）.汽车维修技师，2006（4）:15～19.

7徐群群，宋珂，洪先建，等.基于自适应遗传算法的增程式电动汽车能量管理策略优化.汽车技术，2012（10）:19～23.

（责任编辑文楫）

修改稿收到日期为2013年7月18日。

Research on Intelligent Automotive Electrical Power Control System

Li Bing，Yang Diange，Kong Weiwei，Lian Xiaomin
（State Key Laboratory of Automobile Safety and Energy Conservation，Tsinghua University）

To protect the automotive power supply system from the adverse effect of addition of automotive electric appliance and power，a battery electricity partition method is proposed for battery protection is proposed，in which power supply is provided to electric appliance separately by different channels for power supply management and short-circuit protection，and intelligent generator control and braking energy recovery are applied to reduce system energy consumption. A car intelligent electrical power system is developed.Test results indicate that this system has functions of battery insufficient voltage protection，short-circuit protection and braking energy recovery，etc.，in addition this system can reduce fuel consumption of approx.3.7%.

Automobile Power Source,Battery Management,Power Supply Management,Alternator Control,Brake Energy Regeneration

智能电源控制系统蓄电池保护制动能量回收

U463.63

：A文献标识码：1000-3703（2014）02-0044-04

工信部电子信息产业发展基金项目《汽车智能网络研发与产业化》，国家863科技攻关项目《基于车联网的车辆智能化技术研究》（编号：2012AA111901）。