智能可控發電系統對整車油耗影響的研究

郭 斌，李平偉，賈 磊，潘寶財，孫國兵 Guo Bin，Li Pingwei，Jia Lei，Pan Baocai，Sun Guobing

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智能可控發電系統對整車油耗影響的研究

郭 斌，李平偉，賈 磊，潘寶財，孫國兵 Guo Bin，Li Pingwei，Jia Lei，Pan Baocai，Sun Guobing

（北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

隨著乘用車燃油消耗量限值日益收緊，各大整車廠針對傳統汽車領域積極采取相關措施來滿足日益嚴苛的油耗限值，為此，引入智能可控發電系統（Electrical Power Management System，EPMS），對此系統進行電控技術標定，通過監測充電電壓、充電電流及電解液溫度，計算出蓄電池荷電狀態（State of Charge，）、蓄電池健康狀態（State of Health，）及蓄電池功能狀態（State Of Function，）。根據蓄電池的不同狀態采取相應的控制策略，從而達到智能可控的能源管理；通過對比智能可控發電系統與常規不可控發電系統對整車油耗的影響，發現智能可控發電系統可使整車燃油消耗量得到一定程度改善，從而提高效率，降低整車油耗。

荷電狀態；健康狀態；功能狀態；能源管理

0 引 言

在GB 19578-2014《乘用車燃料消耗量限值》中，明確對車型進行了分類，針對不同車型有不同的燃油消耗量要求，其目的是為了推動汽車節能技術革新，鼓勵車輛小型化、輕量化，提高對非可再生資源的利用率。而智能可控發電系統，可以一定程度上提高燃油利用率，從而提升產品綜合競爭力。在發動機設計定型的前提下，不改變整車動力總成的組織結構，通過對整車引入智能可控發電系統，可有效降低整車百公里油耗量，使可控發電機根據實際需要進行充放電工作；同時，該功能技術路線簡單，通過安裝電池電量傳感器，進行智能可控發電系統的標定，在車輛行駛時，監測充電狀態，決定系統階段。該智能可控發電系統適用范圍廣，通過NEDC循環工況測試發現，引入智能可控發電系統的整車可有效節油0.2 L/100 km[1]。

1 智能可控發電系統原理

智能可控發電機系統主要由硬件架構和軟件策略2部分組成。首先，在傳統汽車上搭建智能電池管理系統，對蓄電池的運行狀態進行實時監控；其次，軟件策略根據從智能電池管理系統所獲得的信號進行電控標定，讓車輛的發電機始終在蓄電池需要充電的時候引入動力。具體控制流程如圖1所示。

圖1 智能可控發電機控制流程圖

1.1 硬件架構

硬件架構是由蓄電池和智能電池傳感器（Intelligent Battery Sensor，IBS）組成，如圖2所示；由傳統蓄電池栓板嵌入智能蓄電池傳感器，從而實現能源管理。

圖2 硬件架構

與傳統的發電系統相比，通過設計加入IBS，可以實現如圖3所示的能源管理。

圖3 能源管理界面

智能電池管理系統為減少自身IBS的電流消耗并保證電池監控，定義了3種工作模式，其主要目的是在3種模式的轉換過程中節省自身能源，不讓智能電池管理系統長期處于喚醒工作模式，3種模式的具體定義見表1。

表1 智能電池管理系統工作模式

3種工作模式按照以下方式進行轉換。

a. 從喚醒模式到比較模式

發動機電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）發送比較命令，電流小于250 mA，無軟件通信，電流小于250 mA達到10 s；

b. 從比較模式到喚醒模式

發動機ECU發送喚醒命令，喚醒智能電池傳感器，電流大于250 mA，此后每30 min進入該模式監測電壓、電流、溫度，同時更新電池監控系統參數；

c. 從比較模式到睡眠模式

電流小于250 mA達到6 h，同時沒有軟件通信；

d. 從睡眠模式到比較模式

每30 s進入比較模式，比較電流是否大于250 mA；

e. 從睡眠模式到喚醒模式

發動機ECU發送喚醒命令。

圖4 模式轉換界面

1.2 軟件策略

智能電池管理系統通過智能電池傳感器來計算出、、等功能參數。發動機ECU根據智能電池管理系統計算出來的參數進行相關軟件系統控制。相關功能參數定義如下：

蓄電池荷電狀態為

=c/（1）

式中，c為通過智能電池傳感器獲得的蓄電池剩余電量；為蓄電池以恒定電流放電時的容量。

蓄電池健康狀態為

=aged/new（2）

式中，aged為滿電狀態下當前可放電容量；new為標稱電池容量。

蓄電池在使用過程中，隨著時間的推移出現老化現象，該現象是硫酸的鹽化作用導致一定的容量損失，如圖5所示。

圖5 蓄電池健康狀態SOH

蓄電池功能狀態為

=ig（3）

式中，ig為點火期間的最低電池電壓。

蓄電池在試用期間電池的內阻、荷電狀態、起動機特性決定了蓄電池的具體功能狀態，如圖6所示為蓄電池功能狀態隨電壓和時間的變化。

圖6 蓄電池功能狀態SOF

硬件架構通過智能電池管理系統的3種工作模式、3種狀態監測實現對整車能源系統的管理[2]。

發動機控制系統通過蓄電池荷電狀態（）主動劃分系統所屬階段，可控發電系統共3個階段：虧電階段（Bulk）、過渡階段（Absorption）和滿電階段（Float）。電控標定初期設定荷電狀態小于80%時，既定為虧電階段；當荷電狀態高于90%時，既定為滿電階段；當荷電狀態介于兩者之間時為過渡階段。可以根據蓄電池具體情況做出調整，以達到最佳節油狀態。

1.2.1 虧電階段

當蓄電池荷電狀態決定充電系統處于虧電階段時，蓄電池進行充電的方式見表2。由于蓄電池在低溫狀態下，充電能力會受到影響，故將充電電壓根據電解液溫度進行調整，以達到最佳荷電狀態。

表2 虧電階段充電電壓

1.2.2 過渡階段

當蓄電池荷電狀態決定充電系統處于過渡階段時，充電模式為：當標定下限<<標定上限，且車速高于70 km/h時，允許進行高、低電壓交替充電。蓄電池高充電電壓見表3。

表3 過渡階段高充電電壓 V

當充電時間滿足標定的時間限值時，跳轉到過渡階段低充電電壓，蓄電池低充電電壓見表4。

表4 過渡階段低充電電壓 V

高、低電壓在指定時間區間內往復跳轉，同時允許對更具體的電解液溫度和荷電狀態的充電電壓進行詳細劃分。

1.2.3 滿電階段

當蓄電池荷電狀態決定充電系統處于滿電階段時，蓄電池充電方式見表5。

表5 滿電階段充電電壓

蓄電池在低溫狀態下充電能力會受到影響，將充電電壓根據電解液溫度進行調整，達到最佳荷電狀態。

智能可控發電系統在運行過程中還針對加速、減速等工況進行智能充、放電。當加速踏板實際位置大于如下開度時，默認進入加速模式，見表6。

表6 加速模式踏板限值 %

在加速模式，為使車輛盡快提速，智能可控發電系統進行低電壓充電，將所有能量盡可能用于加速，見表7。

表7 加速模式充電電壓 V

當實際加速踏板開度小于表8中標定給定的開度時，默認進入減速模式。

進入減速模式后，為盡快減速并回收發動機多余的能量，進行高電壓充電，見表9。

發動機控制系統通過蓄電池健康狀態獲得蓄電池的不可逆老化程度，根據蓄電池實際老化情況做出正確判斷，將更換電池信號發送給發動機電子控制器，電子控制器將此信號發送到CAN網絡上，最終由儀表顯示給駕駛員。

表8 減速模式踏板限值 %

表9 減速模式充電電壓 V

發動機控制系統通過蓄電池功能狀態獲得蓄電池點火期間的最低電壓，根據蓄電池實際點火電壓輔助判斷蓄電池工作能力，此類判斷是為了防止蓄電池內阻變大導致點火困難，同時可對駕駛員進行提示。

2 油耗對比驗證試驗

對智能可控發電系統與不可控充電系統（常規整車充電系統）進行油耗驗證試驗，試驗按照《乘用車循環外技術/裝置節能效果評價方法》來評價試驗結果，具體實施如下。

1）試驗分2組：一組安裝智能可控發電系統，另一組為不可控充電系統；

2）轉鼓試驗整車安裝油耗儀；

3）轉鼓試驗整車連接尾氣分析儀（通過稀釋法獲得碳平衡法油耗）；

4）對比試驗按照NEDC工況進行，循環工況分2個階段，一階段市區工況，二階段郊區工況，如圖7所示；

圖7 NEDC工況曲線

5）對比2組試驗，得出綜合平均油耗見表10。

表10 NEDC工況油耗對比結果

為保證試驗結果的真實性與準確性，分別采用油耗儀和碳平衡法對整車油耗結果進行校驗，結果表明：搭載智能可控發電系統的整車與傳統非可控發電系統的整車在進行NEDC工況測試時，智能可控發電系統可為整車節省燃油消耗量至少0.2 L/100 km。

3 結 論

在油耗對比驗證試驗中，安裝智能可控發電系統的某車型至少可節油0.2 L/100 km。智能可控發電系統主要以智能電池管理系統為基礎，發動機控制系統為核心，對整車發電系統進行最優化處理。智能電池管理系統通過3種模式的有效切換實現自身節能，同時通過計算得出蓄電池的荷電狀態、健康狀態、功能狀態。發動機控制單元可以有效根據以上運算結果，對整車能源系統進行合理有效的控制，將整車運行工況進行詳細劃分，實現發動機能源合理有效利用。發動機技術發展較為緩慢，不是所有汽車制造廠商都能夠使用最先進的發動機技術達到節油目的，智能可控發電系統操作簡單，適用性強，能夠實現節油功能。

[1] 魯植雄. 汽車電子控制基礎[M]. 北京：清華大學出版，2011.

[2] 林學東. 發動機原理[M]. 北京：機械工業出版社，2012.

2017-04-24

1002-4581（2017）05-0024-05

U467.4+98

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.05.007