汽車14V電氣能量管理系統及其應用

紀光霽，韓玉濤，王晶淼，Gaertner Christian

(1.博世(中國)投資有限公司，上海 200335； 2.中國第一汽車集團公司技術中心，長春 130011；3.博世工程技術公司，德國斯圖加特 74003)

2016067

汽車14V電氣能量管理系統及其應用

紀光霽1，韓玉濤2，王晶淼2，Gaertner Christian3

(1.博世(中國)投資有限公司，上海 200335； 2.中國第一汽車集團公司技術中心，長春 130011；3.博世工程技術公司，德國斯圖加特 74003)

針對傳統的車輛電氣系統中，發電機的輸出電壓與蓄電池的狀態難以監測和部分電負載不可控制的問題，本文中對14V電氣能量管理(14V-EEM)系統進行研究。該系統可在發動機和蓄電池的有利工作狀態下，適時主動地調節發電機的輸出電壓和控制部分與安全無關的大功率電負載，在滿足整車電氣能量需求的同時，提高了整車燃油經濟性和整車電氣網絡可靠性。最后以一汽紅旗H7某款車型作為14V-EEM系統運行載體，進行了NEDC工況下的測試。結果表明，油耗約降低2%，蓄電池的電平衡為正值，達到了預期效果。

汽車14V電氣系統；電氣能量管理；應用

前言

隨著我國企業平均油耗法規(CAFC)所定義的第3和第4階段的油耗法規的逐步實施，如何提高整車燃油經濟性已成為國內各大汽車生產企業關注的熱點。發揮整車電氣系統的節油潛力是在成本增加有限的基礎上降低油耗的有效手段之一。14V-EEM系統可在發動機和蓄電池有利的工作狀態下，適時主動地調節發電機的輸出電壓和控制部分與安全無關的大功率電負載，在滿足整車電氣能量需求的同時，提高整車燃油經濟性和整車電氣網絡可靠性。14V-EEM系統目前在國外已成為大部分新車型的標準配置，其相關研究較多。文獻[1]中在2001年指出了在傳統車輛電氣系統中存在一定的節油潛力。文獻[2]中根據發動機/整車的工作點和蓄電池的荷電狀態(SOC)對發電機的輸出電壓進行適時調節，達到了在NEDC下節油2%～3%的效果。文獻[3]中則重點研究了制動能量回收功能，并在演示樣車上實現了該功能。文獻[4]中指出如果在小排量發動機+大功率電負載的配置車上應用EEM中的發電機控制，則節油效果會更加明顯。文獻[5]中從模型仿真角度闡述了發電機控制功能。文獻[6]中則通過發電機勵磁電流的調節改變發動機的運行工作點，使之處于或接近發動機油耗較低的工作區域。文獻[7]中則對發電機數學模型進行解析，分析了整車電氣能量產生/消耗的平衡關系。文獻[8]中則分析了在雙電源系統(42V/14V)內發電機的設計技術與控制問題。國內關于14V-EEM的研究相對較少。文獻[9]中簡要介紹了發電機電壓控制策略，指出在不同的駕駛工況下輸出的電壓值不同。文獻[10]中提出了車載低壓電源管理系統的4種工作模式，可以根據外界負載的需求優化發電機的輸出電壓，控制蓄電池的充放電電流，達到整車節油2.6%的效果。

1 14V-EEM系統構成和功能描述

14V-EEM系統架構示意見圖1，其主要包含控制算法軟件和相關零部件。其中控制算法軟件功能包括駕駛狀態判斷DSD、智能發電機控制IGC、怠速提高請求控制ISI、整車電平衡控制APC、功率分時滿足控制PS和靜態電流監控與管理QPM。相關零部件主要有：帶有LIN總線接口的電壓調節器與電池狀態傳感器和采用AGM技術的鉛酸蓄電池。

圖1 14V-EEM系統架構示意圖

1.1 14V-EEM控制算法介紹

由圖1可知，LIN總線中的主節點集成了14V-EEM控制算法，從節點主要是發電機電壓調節器和電池狀態傳感器。主節點通過CAN總線(通常為整車動力系統CAN總線和舒適性系統CAN總線)獲取輸入信號。因此，14V-EEM軟件易于集成在帶有CAN/LIN接口的ECU中(如網關ECU和車身控制模塊BCM)。14V-EEM大體上可按功能分為：駕駛狀態判斷DSD、智能發電機控制IGC、怠速提高請求控制ISI、整車電平衡控制APC、功率分時滿足控制PS和靜態電流監控與管理QPM等6大模塊。

DSD模塊主要根據發動機轉速、車速等關鍵信號，實時判斷出當前車輛所處的狀態。DSD輸出信號(DrvSt_Out)定義見表1。其它模塊主要是IGC，ISI和PS模塊，將根據DSD的輸出采取對應的控制策略。

表1 DSD輸出定義

IGC模塊是14V-EEM中最重要也最復雜的模塊。它主要根據DSD的輸出、蓄電池的狀態和當前整車電負載使用情況，適時地計算出“最優”的發電機輸出電壓目標值。通過對發電機輸出電壓的控制，主動調節蓄電池SOC。圖2為IGC的基本工作原理示例。假設在初始階段蓄電池的SOC較低。IGC則采用較高的目標電壓值(如15.5V)對蓄電池進行快速充電，直至其SOC達到或接近設定的SOC(如75%)范圍。在車輛加速狀態下或蓄電池SOC過高(如90%)，可將該目標電壓值調低直至蓄電池支撐整車用電需求。在制動階段，可根據發動機的反拖狀態適時地提高發電機目標電壓值，實現部分制動能量的回收。由鉛酸蓄電池的電化學特性可知，高電壓充電容易導致電池內部產生析氣現象[11]，這對于AGM鉛酸蓄電池而言則更加關鍵。因此，發電機輸出目標電壓值還應考慮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動機控制單元發送目標怠速，以實現蓄電池的電平衡。由發電機的輸出特性可知，發電機的最大輸出電流取決于轉速。特別是在發動機已完成預熱或空調未開啟時，其怠速在600～800r/min之間。如果此時有較大的負載開啟，如電動助力轉向或后風窗加熱，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原理圖見圖3。發電機的最大輸出電功率PGenMax為發電機的轉速、溫度和負荷的函數。而蓄電池可用的電功率PBattAva與SOC有關。該兩種電功率(PGenMax和PBattAva)之和應不小于實際負載需求的電功率(PBasicLd+PCtrlLd)。如何使該要求時刻得到滿足是APC的主要任務。由圖3可知，對與安全無關的大功率負載(如座椅加熱等)功率請求進行分等級地滿足，可更加有效地利用電源的能量。APC對電負載控制電路要求為線控方式(CAN或LIN總線)，即負載電流受相關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。該功能只對與安全無關的大功率負載在有利的駕駛狀態下進行分時控制類似于市用電網中的錯峰調節。圖4給出了其基本工作原理。例如在加速狀態時，如果蓄電池的SOC狀態良好(如高于80%)，PS將此時的電負載進行功率降級控制。這里的功率降級控制可以理解為：如果該負載為開關型負載，可以將負載關閉，即零功率請求；如果該負載為多等級控制方式負載，可將當前的等級下調。而在減速狀態，可將原來沒有滿足的電功率請求盡可能地進行補償。

QPM模塊則是在車輛處于駐車狀態下才被激活。該模塊較為簡單，主要是根據電池狀態傳感器發送的靜態電流值進行判斷，如果超過定義的閾值，如15mA，則將該異常的靜態電流值進行記錄。

1.2 帶有LIN總線接口的電壓調節器

與傳統的發電機不同，14V-EEM系統要求發電機的輸出電壓可調。目前具備該要求的電壓調節器多采用LIN接口。圖5為具有LIN接口的CR665D電壓調節器。該調節器接受來自14V-EEM發出的目標電壓值(電壓范圍：10.6～16.0V)，通過改變勵磁電流來改變輸出電壓。

圖5 LIN電壓調節器

1.3 帶有LIN總線接口的電池狀態傳感器

圖6 電池傳感器

電池狀態傳感器(BSD)安裝在蓄電池負極柱上，通過其內部的“shunt”測量蓄電池電流。電池狀態傳感器實物見圖6。該傳感器根據采集的蓄電池電壓、電流和溫度信號算出SOC，SOF(State of Function)和SOH(State of Health)等一些關鍵電池狀態參數，供Start/Stop和14V-EEM系統使用。

1.4 具有AGM技術的鉛酸蓄電池

由于14V-EEM的功能定義了蓄電池將在一些駕駛狀態下放電，這對蓄電池的循環充放電能力提出了更高的要求。傳統的富液式蓄電池在頻繁地充放電條件下極易產生電解質分層現象[12]。一種玻璃纖維隔板(又稱AGM)技術可將液態的電解質溶液吸附在纖維所形成的孔隙中，從而有效解決電解質分層問題，同時提高了蓄電池的循環充放電能力[12]。因此AGM電池往往被應用在啟停和14V-EEM系統中，但電池成本也隨之上升。目前有一種增強性富液電池(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考慮車輛實際電平衡需求等因素。

2 14V-EEM在紅旗H7上的應用

一汽紅旗H7搭載了眾多先進控制系統，其中整車電氣能量管理系統便引入了14V-EEM系統，在提高整車電源系統可靠性的同時，可回收部分制動能量，改善了整車燃油經濟性。下面以H7系列中一款搭載啟停系統的車型為例，介紹14V-EEM系統在紅旗車上的應用。

2.1 系統集成

紅旗H7車上14V-EEM系統的拓撲圖參見圖7。

圖7 系統拓撲圖

系統中的關鍵軟硬件資源見表2。14V-EEM軟件功能模塊集成于網關控制器中；網關控制器是整車CAN通信網絡的樞紐，可以方便地從動力CAN、舒適CAN和信息CAN獲取所需的車輛各種信息，同時將控制指令或顯示信息通過CAN總線發送到舒適CAN、信息CAN和儀表CAN；另外，網關控制器作為LIN總線主節點，調度控制發電機電壓調節器和蓄電池傳感器從節點LIN數據幀獲取發電機及蓄電池相關信息，并將控制指令通過LIN總線發送至發電機電壓調節器。

表2 紅旗14V-EEM系統中的關鍵軟硬件資源

2.2 功能標定

14V-EEM功能標定主要分蓄電池標定、發電機標定和整車標定，其中前兩個標定主要是基于所選用發電機和蓄電池的臺架標定，其標定結果主要用于APC/PS功能中電平衡計算和IGC中的發電機閉環控制參數確定；而整車標定主要是使EEM功能更加適用于整車環境，以達到更好的能量回收和電平衡管理等效果。

2.2.1 蓄電池標定

該標定主要是測試不同溫度和不同SOC下蓄電池的最大可用能量(也可稱為安全可用能量)。在留有一定安全余量的前提下，測量蓄電池在不同狀態下的特征參數，如可用功率。由于鉛酸蓄電池在低溫下的充放電能力較弱，因此低溫下標定數據相對重要。最終的測量數據經處理后制成多維表格，存儲在網關控制器中。

2.2.2 發電機標定

在14V-EEM模型中設有發電機物理模型用于預測發電機在不同轉速、負荷、溫度和設定電壓下的最大可用功率。發電機模型參數和閉環控制所需的數據可通過發電機臺架試驗獲取。發電機臺架主要由驅動電機、可控負載箱和測量控制系統組成。圖8為所選的LIN發電機在臺架中的安裝實物圖。驅動電機直接驅動發電機，最高轉速為20 000r/min。可控負載箱可模擬車上電負載使用情況。測量控制系統則具有調節電機轉速、負載箱功率和發電機輸出電壓的功能。此外，為了模擬發電機所處的發動機艙環境，臺架環境溫度可調。

圖8 發電機測試臺架實物圖

2.2.3 整車標定

整車標定主要是根據車輛實際狀態調整14V-EEM中的參數，使其在車輛上更加合理有效地運行，以達到更好的能量回收和電平衡管理等效果。整車標定可分為轉鼓標定和實際道路標定。圖9顯示了H7在轉鼓上的標定實景。整車標定可根據控制算法中的6大功能進行，相關說明見表3。

圖9 H7在轉鼓上的標定測試實物圖

功能標定說明DSD標定參數使EEM更為準確快速地判斷車輛所處狀態,保證其它功能模塊可以正常工作;DSD標定有偏向節油和偏向可靠性兩個標定方向IGC根據車輛實際電源網絡狀態,如蓄電池、發動機和電氣負載等,調整發電機控制參數,使發電機工作更加合理,進而使電源網絡穩定性和節能減排性能得到保障APC+PS根據車輛實際負載、蓄電池及發電機狀態,調整EEM參數,使車輛在電源網絡狀態較差的時候,盡可能保證車輛穩定性ISI調整發動機怠速提升請求的目標轉速和請求時機要求,保證車輛發電機有足夠的能力盡快補充電源網絡所缺電能,進而保證車輛穩定QPM根據車輛實際靜電流狀態調整參數,調整EEM靜電流報警合理性,輔助完成對車輛控制器故障診斷

3 性能分析與評價

3.1 燃油經濟性分析

為了驗證燃油經濟性，通常選擇NEDC作為駕駛循環工況并進行多次測量。測試條件見表4。

表4 NEDC測試條件

油耗測量結果見圖10(出于數據保密，暫不能公布具體油耗數據)。當開啟EEM功能時，油耗降低約2%～3%。當發動機啟停Start/Stop和EEM均開啟時，油耗降低約8%～9%。為進一步了解EEM對油耗的貢獻，發動機瞬時油耗、發電機負荷和蓄電池的電流/電壓被選為分析對象。

圖10 14V-EEM對整車降油耗的貢獻分析

圖11為NEDC下的發動機瞬時油耗對比。由圖可見，發動機的怠速瞬時油耗在Start/Stop開啟的情況下均為零，進一步降低了油耗。

圖11 NEDC下的發動機瞬時油耗對比

圖12為NEDC下的發電機負荷對比。由圖可見，發電機的負荷信號在EEM的作用下波動較大。加速階段發電機負荷接近于零，而制動階段幾乎接近于100%，即在車輛處于加速時，蓄電池處于放電狀態(見圖13和圖14)，放電電流為整車消耗的電流值，約30～35A。而發電機處于零勵磁或弱勵磁狀態，因此發動機輸出的驅動轉矩比強勵磁狀態時小，從而節省了一部分燃油消耗。當車輛減速時，蓄電池處于充電狀態(見圖13和圖14)，充電電壓在15V左右。此時由于制動能量回收發電機處于強勵磁狀態。但需要說明的是，在減速狀態下發電機驅動轉矩來自于車輛制動能量的轉換，不消耗燃油。

圖12 NEDC下的發電機負荷對比

圖13 NEDC下的蓄電池電流對比

圖14 NEDC下的蓄電池電壓對比

由14V-EEM所帶來的整車電壓波動現象必然對一些敏感性負載(如空調鼓風機、鹵素前照燈等)在開啟狀態下帶來不利的駕駛體驗。但可通過以下技術措施得到解決：(1)通過對電壓幅值及其變化梯度進行限制；(2)一旦檢測到敏感性負載開啟，IGC功能將進入默認模式，即發電機輸出電壓恒定；(3)在敏感性供電網絡上添加穩壓單元。

3.2 電平衡分析

14V-EEM對蓄電池的SOC進行了主動管理，因此蓄電池的充放電平衡應得到保障。一般而言，電平衡QChB的計算公式為

式中蓄電池的電流IBatt是指在整個駕駛循環工況下的蓄電池充放電電流的統稱。充電電流被定義為正數；放電電流為負數。如果QChB為負值，則說明在該工況下蓄電池所釋放的電量要高于其充電的電量。原因為：(1)發電機功率較小；(2)蓄電池的內阻增加導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，可根據車輛加速和在發動機燃油控制進入斷油模式下對蓄電池的充放電電流進行分別提取(見圖15中的充放電電流曲線),并對提取的電流分別進行積分計算，發現即使在發動機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到電平衡狀態，即QChB為正值(即圖16中的0.027 5A·h)。在發動機進入斷油模式下所回收的電能在兩次測試中分別為1.721 1和1.479 2A·h，如圖16所示。在加速工況下，由于負載功率不變，蓄電池放電量累計基本在2.1A·h左右。在怠速等其它工況下，蓄電池損失的能量通過發電機的正常發電模式得到補償。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，最終電平衡數值比較小的主要原因是發電機在發動機停止時不工作，完全由蓄電池向整車提供電能。因此蓄電池的放電時間增多而導致較小的電平衡數值。

圖16 NEDC下的電平衡分析

4 結論

本文中所討論的電氣能量管理系統是通過在有利的發動機工作狀態以及蓄電池的荷電狀態下，適時主動地調節發電機的輸出電壓和控制部分與安全無關的大功率電負載。14V-EEM系統正是電氣能量管理系統的一種具體實現。在滿足電氣能量需求的同時，14V-EEM提高了整車燃油經濟性并改善了整車電平衡。14V-EEM在紅旗H7上的成功應用為在其它車型上的集成提供了借鑒。14V-EEM系統具有如下特點：

(1) 14V-EEM在Start/Stop車型上應用成本更低；

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

(3) 14V-EEM系統可提高整車燃油經濟性(油耗約降低2%)和電氣網絡可靠性(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。