淺析汽車電源管理系統研究及運用

劉曉軍

（江淮汽車，安徽 合肥 230009）

汽車電源管理系統主要是由電源管理控制模塊通過蓄電池電量傳感器采集當前的蓄電池狀態信息包括電壓值、電流值和溫度值等信息，管理汽車用電器負載，并協調各個用電器合理工作。同時使發電機發電效率最優化，減少不必要的發動機能量損失。另外在車輛長時間停放時，如果車輛電源出現問題時，車聯網通信模塊通過網絡信號將信息傳輸給運營商短信平臺，運營商短息平臺發送短信給用戶手機，或者用戶自行登錄手機APP賬號進行查詢。本文重點闡述電源管理系統有關的蓄電池電量傳感器、智能發電機工作原理以及整車電源管理系統控制策略、遠程車聯網電量提醒等相關內容。

1 蓄電池電量傳感器功能

蓄電池電量傳感器（IBS）安裝在蓄電池負極上，傳感器內部帶有專用的微處理器，此微處理器由電子模塊組成。通過電子模塊測量蓄電池的電壓、電流和溫度等信息。同時經過處理器內部相關計算把蓄電池充電狀態（SOC）、健康狀態（SOH）、功能狀態（SOF）、電壓、電流、溫度通過LIN通信發送給電源管理模塊。如圖1、圖2所示。

圖1 蓄電池電量傳感器原理圖1

圖2 蓄電池電量傳感器原理圖2

1）電壓測量：蓄電池電壓信號在電量傳感器內部采用16位AD采樣模數轉換器進行數字比較轉換后，再通過微處理控制器運算處理后得到電壓值。

2）電流測量：電流經過電量傳感器內部分流器電阻后產生電壓信號，經過傳感器內部采樣輸入電路信號調理后，再經過可編程增益放大器放大，然后輸入到16位AD采樣模數轉換器，經過模數轉換后經過數字信號處理芯片邏輯算法運算得到電流值。

3）溫度測量：溫度傳感器集成在電量傳感器電路中，電壓和溫度測量共享一個多路轉換開關，溫度信號測量路徑采用比較電路，運算電路和電壓測量通道相同。

4）充電狀態（SOC）：SOC表示蓄電池荷電狀態，其數值上定義為剩余容量占電池的比值，用百分數表示。SOC=Q/Q。其中Q為電池剩余容量，Q為電流I放電時所具有的容量。充滿電的蓄電池SOC=100%，完全放電的蓄電池SOC=0%，一般用蓄電池標稱容量來代替不同放電倍率的額定容量。但是在一些工況復雜，環境溫度變動范圍大，Q值會是不一樣的，需要通過蓄電池端電壓、充放電流及蓄電池內阻、環境溫度來計算，一般都采用安時積分和開路電壓法結合計算更加精確。

5）健康狀態（SOH）：SOH表示當前蓄電池相對于新電池可以儲存電荷的能力。通過百分比表示電池從壽命開始到壽命結束期間所處健康度和性能狀態等。SOH=C/C，其中C為滿充電狀態下可放電容量，C為標稱蓄電池容量。

6）功能狀態（SOF）：SOF表示蓄電池的功能狀態。此值是由電池的內阻、電壓、電流、溫度、充電狀態、起動機特性等決定。主要是體現車輛的啟動能力，用來作為汽車啟停禁止和使能的一個判斷條件，防止電池老化后啟停不穩定。

2 智能發電機能量管理

汽車上普通發電機不能進行電壓的調節，這就會導致發動機功率損失和油耗增加以及過多的尾氣污染物排放。在汽車電源管理中增加智能發電機控制系統，智能發電機帶有LIN通信的智能可控發電機。汽車在行駛情況下，發動機控制模塊根據車輛運行狀態并結合當前蓄電池SOC值、電壓和溫度等信息，計算出車輛所需發電電壓，并通過LIN線通信發送發電目標值到發電機控制模塊。發電機控制模塊根據接收到的信息，確定發電機發電電壓和電量輸出。在汽車蓄電池出現虧電情況下，需提高發電機對外輸出電量，對蓄電池進行補充電。在蓄電池電量充足情況下，降低發電機對外輸出電量，防止蓄電池出現過度充電的情況，減少發動機功率損失，使蓄電池維持在合理的發電量。車輛在不同的工作狀態下，智能發電機的電壓調節策略也不同。在車輛起步和加速工況過程中，通過減小發動機的輸出扭矩來減少發電機的發電量，達到降低油耗的目的。在車輛勻速行駛工況下，根據收到的蓄電池狀信息，輸出合適的電量。在制動減速工況下，發電機輸出最大的充電電量。通過對蓄電池電量進行調節和車輛狀態這兩種方法控制，實施智能發電機的電源管理策略能有效提高蓄電池的使用壽命和發動機能量的利用率。如圖3所示。

圖3 智能發電機能量管理原理圖

3 整車能量管理系統

3.1 動態電源管理系統

汽車動態電源管理（表1）是協調用電設備的正常工作，將電量按需分配給不同的用電設備，并監測和控制充電系統的狀態，當發電機產生電量超過用電器消耗的電量時，便會進行調節，向蓄電池充電，使車輛達到最佳用電狀態。電源管理模塊通過蓄電池電量傳感器（IBS）監測蓄電池的電量（SOC）和電量狀態（SOC_STATE）這兩個變量。蓄電池電量傳感器通過LIN通信把SOC和SOC_STATE變量值發給電源管理模塊。電源管理模塊通過監控SOC和SOC_STATE變量值，對發動機輸出扭矩進行調節。當電壓不足時，組合儀表顯示界面或是娛樂系統界面顯示低電量，提示駕駛人員。電源管理模塊用來調節發電機的發電量，使其輸出最大發電量；若電壓依舊不足時，電源管理模塊調整發動機怠速轉速補償來提升發電量。另外通過CAN通信信號發送當前的電源管理信號給用電控制器，用電控制器收到信號時，根據電量狀態值降低用電器負荷等級。例如車輛電源過低時，電源管理模塊發送電量管理CAN網絡信號狀態信號PowerManage為0x1給音響娛樂控制器時，音響娛樂系統收到信號時，將音量自行調低。空調控制器接收到網絡信號時，將空調鼓風機風量擋位調到最低擋位。另外在儀表顯示屏幕彈出低電量提醒：“蓄電池電量不足”用來提示駕駛員。

表1 汽車動態電池管理

電源管理系統根據蓄電池的SOC值劃分為兩種狀態，見表2。在狀態1的工況下，蓄電池SOC值處于合理的范圍，車輛電源管理系統處于關閉工作狀態。在狀態2的工況下，由于蓄電池SOC值出現設定值以下的情況，電源管理系統就處于工作狀態。在音響顯示屏上顯示“12V蓄電池電量低”，低電量提醒1min之后，電源管理模塊主動切斷IGN和ACC繼電器，并關閉部分車輛用電器負載，用來降低整車用電器用電量，以確保蓄電池電量能滿足下次車輛能正常啟動。

表2 蓄電池SOC的兩種狀態

3.2 遠程電源管理系統

遠程電源管理系統是車輛在長時間不使用停放期間，車輛控制模塊處于休眠狀態下，電源管理模塊通過蓄電池電量傳感器讀取整車電壓和電流值。當采集到車輛電壓值低于設定的閾值，系統出現異常情況，電源管理模塊會將相關的電量狀態信息發送給車聯網通信模塊，車聯網通信模塊上報給車聯網服務平臺，車聯網服務平臺通過5G網絡信號將信息傳輸給運營商短信平臺，運營商短息平臺推送短信信息給車主，提醒車主盡快去檢查車輛。同時汽車生產廠家技術人員將主動電話與車主聯系。另外車主也可用手機客戶端自行下載汽車生產廠家的應用軟件程序，通過登錄APP賬號可以隨時查詢車輛當前狀態。

某公司一款SUV遠程電源管理系統策略包括低壓提醒功能和控制器休眠異常網絡報文記錄。

低壓提醒策略指的是車聯網通信模塊在休眠模式下，不主動查詢上報整車相關信息狀態，只有車主通過手機遠程操作時才能查詢整車電壓信息。整車休眠后，車聯網通信模塊如接收遠程指令被喚醒執行如下工作模式轉換和電壓低預警。

1）上報一次蓄電池預警信息到汽車制造廠家數據管理后臺，預警類型：蓄電池電壓上報。

2）當電壓U≤12V，持續2s，車聯網通信模塊直接進入休眠狀態。

3）當電壓U≤11.5V，持續2s，車聯網通信模塊直接進入休眠狀態，并向數據管理后臺上報蓄電池預警信息，預警類型：蓄電池電壓低，并在客戶端提醒客戶整車電量低。

4）當電壓U≤9V，持續2s，車聯網通信模塊進入斷電模式。

控制器休眠異常網絡報文記錄指的是車聯網通信模塊檢測到車輛設防后，則啟動網絡總線不休眠計數器；若總線不休眠計數器計時超過15min，則啟動CAN網絡報文記錄，存儲不少于2min的各總線網絡報文。同時向汽車生產廠家數據后臺上報休眠異常信息，預警類型：15min不休眠預警。保存的CAN數據信息需要在車聯網通信模塊遠程日志提取時同步打包上傳。

4 總結

結合某公司開發一款SUV車型項目，通過本文所述內容介紹了蓄電池電量傳感器、智能發電機工作原理以及整車電源管理模塊對車輛用電器負載的控制策略。汽車電源管理系統已然成為了汽車發展的關鍵環節，未來將會隨著高級輔助駕駛、信息娛樂和車身電氣功能的發展，整車的電氣集成化程度越來越高。電源管理系統也隨之迅猛發展，汽車生產廠家將會通過車聯網服務平臺實時獲取汽車上每個用電器工作狀態信息，并具備遠程診斷和自動修復故障功能。汽車電源管理系統也將向著數字化和網聯化方向不斷發展。