燃油經濟模式的蓄電池電壓控制系統研究

祁文治，羅云鋼，宋健民

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海 200129）

自1859年被普蘭特（G.Plante）發明以來，鉛酸蓄電池在種類和性能等方面都獲得了巨大的發展和進步，逐漸成為了汽車必不可少的零部件，在汽車工業中有著舉足輕重的地位。而免維護鉛酸蓄電池由于不需要補充液體，并具有耐震、耐高溫、體積小和自放電小等特點，在現代汽車工業中獲得了廣泛應用。目前汽車免維護鉛酸蓄電池（下文簡稱蓄電池）主要包含3種，分別是液態鉛酸蓄電池（FLA）、增強型液態鉛酸蓄電池（EFB）和吸附式玻璃纖維鉛酸蓄電池（AGM），蓄電池內部主要化學反應如圖1所示。

圖1 蓄電池內部主要化學反應

蓄電池在汽車上與發電機并聯，通過調節發電機的輸出電壓控制蓄電池工作電壓，實現蓄電池化學能和電能的相互轉化，即控制蓄電池充電或放電。蓄電池作為一種直流電源，主要作用有：為起動機提供起動電流，協助發電機為用電器供電，儲存電能，保護用電器。

本文通過對燃油經濟模式的原理和特點進行分析，研究蓄電池在該模式下的電壓控制系統和最優充電電壓的控制算法，并進行車輛試驗驗證，為燃油經濟模式的蓄電池電壓控制提供參考。

1 燃油經濟模式

燃油經濟模式是在蓄電池電量充足的情況下，降低發電機輸出電壓，使蓄電池在較低電壓下工作而放電，從而協助發電機為用電器供電，達到減少發電機負載和燃油消耗 的 一 種 工 作 模 式。

進入燃油經濟模式時需要對車輛狀態進行判斷，包括蓄電池和用電器的工作狀態等。常見的一些判斷條件如下：①蓄電池電量大于一定值；②蓄電池溫度或外部空氣溫度在一定范圍內；③蓄電池電流在一定范圍內；④蓄電池電壓大于一定值；⑤車輛里程數大于一定值；⑥車速不超過一定值；⑦發動機冷卻風扇速度較小且冷卻液溫度較低；⑧空調鼓風機速度較小且液壓較低；⑨前照燈、除霜和后窗除霧等均未開啟。

只有當上述所有條件均滿足時，才可以進入燃油經濟模式，降低蓄電池電壓，使其放電，協助發電機為用電器供電。同樣，為避免引起蓄電池過度放電，進入燃油經濟模式后需要實時對上述條件進行判斷，當某個或多個條件不再滿足時，應控制退出燃油經濟模式。

2 蓄電池電壓控制設計

2.1 蓄電池電壓控制系統

反饋控制系統

自動控制是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動按照預定的規律運行。根據控制方式的不同，自動控制系統分為開環控制系統、反饋控制系統和復合控制系統。其中反饋控制系統也稱閉環控制系統，是按偏差進行控制的，其特點是當被控量偏離輸入量時，會產生一個相應的控制作用去不斷修正被控量和輸入量之間的偏差，使兩者趨于一致。反饋控制系統可以抑制擾動對被控量產生的影響，有較高的控制精度，因此應用較為廣泛，典型的反饋控制系統框圖如圖2所示。

圖2 典型反饋控制系統框圖

反饋控制系統有穩、準、快3大特性，即穩定性、準確性和快速性。

1）穩定性是保證控制系統正常工作的先決條件。穩定的控制系統應使被控量與輸入量的初始偏差隨著時間增長而逐漸減小并趨近于零，即被控量能夠始終跟蹤輸入量的變化。若初始偏差隨著時間增長而振蕩或發散，則系統是不穩定的。

2）準確性是指穩態時被控量與輸入量之間的偏差。理想情況下，過渡過程結束后，被控量達到的穩態值應與輸入量一致。但考慮實際情況，兩者之間總存在著一定誤差，稱為穩態誤差。穩態誤差是衡量控制系統精度的重要指標。

3）快速性表征的是控制系統過渡過程的快慢，也稱為動態性能。不同的控制系統對快速性要求各異，過快或過慢的過渡過程都是不適宜的，而應根據被控對象的特點分配合理的快速性指標。

穩、準、快3大特性是反饋控制系統的基本要求，實際應用中需要根據被控對象的具體特點和工作場景的具體要求進行綜合考慮和設計，并根據試驗情況不斷優化和迭代，最終實現穩、準、快的要求，并滿足實際工程應用的需求。

蓄電池電壓控制系統

蓄電池電壓控制系統采用反饋控制系統，主要由蓄電池、車身控制模塊BCM、發電機和蓄電池傳感器IBS等組成，如圖3所示。

圖3 蓄電池電壓控制系統組成

蓄電池的充放電狀態由其兩端的電壓值決定，該電壓值通過BCM調節發電機輸出電壓控制。為實現化學能和電能的能量轉換最優化，同時使蓄電池的使用壽命最大化，車輛在不同狀態下的蓄電池電壓有不同的期望值，即最優充電電壓。

最優充電電壓是BCM根據車輛狀態（主要是蓄電池、發電機和用電器等的狀態）進行實時調節的。BCM將最優充電電壓轉化為發電機占空比請求信號，發電機根據占空比請求信號調節輸出電壓，從而控制蓄電池電壓。IBS將采集到的蓄電池電壓信號回傳給BCM，BCM將其與最優充電電壓比較，根據比較后的電壓偏差值調節發電機占空比請求信號，再通過發電機修正蓄電池電壓，減小與最優充電電壓的偏差。通過電壓控制系統不斷減小該偏差，最終使蓄電池電壓穩定跟蹤最優充電電壓，蓄電池更加合理地充放電。蓄電池電壓控制系統框圖如圖4所示。

圖4 蓄電池電壓控制系統框圖

蓄電池電壓控制系統的穩定性、準確性和快速性直接影響著蓄電池的工作電壓，進而對蓄電池的能量轉換和使用壽命造成影響。

1）對于電壓控制系統，負反饋保證了其穩定性，即當蓄電池電壓高于最優充電電壓時，則減小發電機占空比請求信號，使發電機降低輸出電壓；若蓄電池電壓低于最優充電電壓時，則增大發電機占空比請求信號，使發電機提高輸出電壓。

2）準確性通過設置蓄電池電壓的穩態誤差實現，當蓄電池電壓落在穩態誤差范圍內時，無需再繼續減小/增大發電機占空比請求信號，即認為此時的蓄電池電壓已經達到期望值，即最優充電電壓。

3）發電機占空比請求信號減小/增大的步長形式和大小決定了系統調節的快速性。

2.2 最優充電電壓控制算法

一般情況下，進入燃油經濟模式時最優充電電壓值比較高，需要調節到最優充電電壓的期望值。

燃油經濟模式的最優充電電壓控制也采用反饋控制的思想，以最優充電電壓的期望值為輸入量，最優充電電壓作為被控量，其控制系統如圖5所示。進入燃油經濟模式后，通過每次比較實際值與期望值的偏差量，逐步減小或增大最優充電電壓，使其逐漸落在期望值的誤差帶內。

圖5 最優充電電壓控制系統

考慮到反饋控制的穩定性、準確性和快速性，設計最優充電電壓控制算法的流程圖如圖6所示。

圖6 最優充電電壓控制流程圖

3 試驗驗證

3.1 系統參數選取

根據大數據采集到的信息和蓄電池壽命實驗數據，取燃油經濟模式的最優充電電壓期望值為OptiCharVolt_FE，取蓄電池電壓控制和最優充電電壓控制的軟件執行周期為0.5s。系統控制參數選取如表1所示。

表1 控制參數選取

3.2 試驗結果分析

按上述系統參數選取配置軟件，進行車輛在燃油經濟模式的試驗，試驗中采集總線數據，繪制蓄電池電量、發電機占空比請求信號、最優充電電壓、蓄電池電壓和電流的曲線，如圖7所示。

由圖7可知，進入燃油經濟模式后，最優充電電壓未控制在期望值，而是在期望值附近波動，發電機占空比請求信號波動，蓄電池的電壓和電流也都出現波動。分析可知，最優充電電壓的波動引起蓄電池電壓控制系統的輸入量波動，導致被控量跟蹤輸入量的波動，即蓄電池電壓波動，進而引起放電電流的波動。

圖7 試驗結果曲線

3.3 參數優化驗證

對試驗數據和控制算法分析可知，最優充電電壓在期望值附近波動的原因是調節步長和誤差帶不匹配，即調節步長大于誤差帶導致了最優充電電壓的波動。

綜合考慮燃油經濟模式下最優充電電壓控制的穩定性、準確性和快速性要求，保持調節步長不變，誤差帶參數優化為[-0.150V，0.150V]。再次進行車輛在燃油經濟模式的試驗，試驗中采集總線數據，繪制數據曲線如圖8所示。

圖8 誤差帶優化后的試驗結果曲線

由圖8可知，優化誤差帶參數后，最優充電電壓在進入燃油經濟模式后最終控制在期望值的誤差帶內，發電機占空比請求信號穩定、蓄電池電壓控制穩定、放電電流控制穩定，即最優充電電壓控制滿足穩、準、快的要求，蓄電池電壓控制系統也滿足穩、準、快的要求。

4 結論

本文分析了蓄電池的工作原理和在汽車上的主要應用，介紹了燃油經濟模式降低車輛燃油消耗的原理和特點，考慮能量轉換和電池壽命提出最優充電電壓概念，研究了基于反饋控制的蓄電池電壓控制系統，設計了最優充電電壓控制算法，并通過車輛在燃油經濟模式的試驗進行驗證，進而優化參數設計，使系統和算法更加合理和穩健。