一種乘用車的電源管理系統

謝璞光， 范程程， 涂 斌， 范宇希， 郭亞強， 柴 浩

（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

目前為了保護環境，國家大力支持汽車節能減排的研發，大力倡導節能科技研發與應用，針對汽車節能減排研究與應用進入了快速發展的軌道。電源管理系統［1］（包括動態電源管理及休眠電流管理）的應用，可以使車輛的啟動性能和電池的壽命明顯地提高和改善，且能夠有效降低整車的油耗。

現在乘用車型上搭載電源管理系統存在以下缺點：①功能單一，僅具有制動能量回收［2］功能，且結構較為復雜；②未考慮起動過程對蓄電池及其他用電器穩壓（蓄電池頻繁啟動會導致蓄電池的使用壽命降低）；③現用的電源管理系統不具有穩壓功能。

因此本方案設計了一種新型的電源管理系統，可有效降低蓄電池的深放電及制動過程中的能量浪費等問題，同時具有穩壓功能，可以防止車輛在智能啟停過程中因電壓過低導致部分電器件的重啟。

1 方案介紹

圖1為總體設計方案圖。該電源管理系統主要涉及超級電容、發動機ECU、EBS、智能發電機等。發動機ECU發出智能啟停信號，超級電容［3］負責儲存/放出電量。下面對各個系統邏輯進行說明。

圖1 12V電源管理系統總體方案

1）超級電容：在起動過程中放電，對蓄電池進行電壓補償，防止因蓄電池電壓跌落過低，導致部分電器件重啟。

2）發動機ECU：檢測整車是否滿足智能啟停條件，并將智能啟停的信號發送給PMU控制器。

3）EBS：檢測蓄電池的電壓、SOC等，并將相應的信息傳送給發動機ECU及PMU控制器。

4）PMU控制器：①接收發動機ECU發出的智能啟停信號，將超級電容存儲的電量補償給蓄電池；開關K2的閉合時間點與蓄電池被拉低的電壓值有關。例如，在起動過程中，當蓄電池電壓被拉低至10V時，開關K1斷開，K2閉合，此時蓄電池與超級電容串聯，起動機兩端電壓在15V左右，保證起動過程中整車電壓不至于過低。②在行駛過程中將智能發電機產生的14V電壓經過內部2#DC/DC轉換成5V，給超級電容充電。③接收EBS發送過來的電池狀態信息，起動之前對蓄電池電量進行評估，判定是否需要超級電容放電輔助普通鉛酸電池對發動機進行起動。

2 12V電源管理系統工作原理

支持LIN、CAN通信以及其他通信協議。

2.1 整車休眠情況下

開關K1閉合，K2、K3斷開，蓄電池負極通過開關K1與整車搭鐵連接在一起，此時PMU控制器無功能（相當于該控制器被短路，且不消耗整車靜態電流）。

2.2 整車喚醒狀態下（非著車）

開關K1閉合，K2、K3斷開，PMU控制器首先檢測超級電容的電壓值，判定超級電容是否需要充電，然后檢測蓄電池的電壓值（蓄電池的電壓值信號由EBS傳輸給PMU控制器）是否滿足對超級電容進行充電，最后對比超級電容的電壓與蓄電池的電壓的比值，判定是否需要通過蓄電池對超級電容進行充電。

若超級電容電壓＜閾值U4，蓄電池電壓值＞閾值U1，且蓄電池電壓/超級電容電壓≥N（需要給出一個值）時，開關K2斷開，K1、K3閉合，對超級電容進行充電30s。整車喚醒狀態下（非著車），PMU控制器工作流程如圖2所示。

圖2 整車喚醒狀態下（非著車）PMU控制器工作流程圖

2.3 整車起動過程中

2.3.1 非智能啟停過程

1）當普通鉛酸電池電量充足的情況下（電池SOC滿足起動要求），起動過程中開關K1閉合，K2斷開，使用鉛酸電池將整車起動。

2）當普通鉛酸電池電量不足的情況下（電池SOC不滿足起動要求），起動前K1閉合，K2、K3斷開，在起動過程中，當PMU控制器檢測到蓄電池電壓≤10V時，開關K2閉合，K1、K3斷開，鉛酸電池和超級電容（串聯）共同作用將整車起動。整車非智能啟停過程，PMU控制器工作流程如圖3所示。

圖3 整車非智能啟停過程，PMU控制器工作流程圖

2.3.2 智能起停啟動過程

PMU控制器信號端接收發動機ECU傳輸的啟停信號，開關K1閉合，K3、K2斷開，起動過程中，當PMU控制器檢測到蓄電池電壓≤10V時，開關K2閉合，K1、K3斷開，鉛酸電池和超級電容（串聯）共同作用將整車起動，防止蓄電池因起動過程被拉低，導致部分電氣負載重啟。整車智能啟停過程，PMU控制器工作流程如圖4所示。

圖4 整車智能啟停過程，PMU控制器工作流程圖

2.4 整車著車過程中

整車起動過程結束后，開關K1、K3閉合，K2斷開，此時發電機通過PMU控制器通過2#DC/DC對超級電容進行充電。

步驟1：每次充電30s后，2#DC/DC斷開。

步驟2：PMU控制器檢測超級電容的電壓，若超級電容電壓達到U2，充電結束。

步驟3：若超級電容電壓未達到U2，則重復步驟1和2，直至超級電容的電壓值達到預定值U2。

2.5 制動能量回收

當車輛處于制動過程中，智能發電機電機在制動過程中以最大的發電電壓發電，PMU接收制動系統傳來的信號，開關K1、K3閉合，K2斷開，智能發電機電機在制動過程中產生的15V發電電壓通過2#DC/DC降低至6V對超級電容進行充電。制動能量回收過程結束后，PMU控制器檢測超級電容的電壓是否達到預定值U3。若達到預定值U3，則下次制動能量回收過程不再對超級電容進行充電；若未達到預定值U3，則下次制動能量回收過程繼續對超級電容進行充電。整車制動能量回收過程，PMU控制器工作流程如圖5所示。

圖5 整車制動能量回收過程，PMU控制器工作流程圖

3 結語

本文就目前乘用車市場的電源系統進行簡單介紹，就能量回收系統及電源穩壓系統進行簡單說明，從國家對于乘用車排放要求越來越嚴格的趨勢上來看，超級電容因其充電時間短、循環壽命長等優點，且在制動能量回收方面效果明顯，未來會得到越來越廣泛的應用。