智能可控發(fā)電系統(tǒng)對整車油耗影響的研究

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

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智能可控發(fā)電系統(tǒng)對整車油耗影響的研究

郭 斌，李平偉，賈 磊，潘寶財(cái)，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(tǒng)汽車領(lǐng)域積極采取相關(guān)措施來滿足日益嚴(yán)苛的油耗限值，為此，引入智能可控發(fā)電系統(tǒng)（Electrical Power Management System，EPMS），對此系統(tǒng)進(jìn)行電控技術(shù)標(biāo)定，通過監(jiān)測充電電壓、充電電流及電解液溫度，計(jì)算出蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge，）、蓄電池健康狀態(tài)（State of Health，）及蓄電池功能狀態(tài)（State Of Function，）。根據(jù)蓄電池的不同狀態(tài)采取相應(yīng)的控制策略，從而達(dá)到智能可控的能源管理；通過對比智能可控發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)不可控發(fā)電系統(tǒng)對整車油耗的影響，發(fā)現(xiàn)智能可控發(fā)電系統(tǒng)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(tài)；健康狀態(tài)；功能狀態(tài)；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(jìn)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(jié)能技術(shù)革新，鼓勵(lì)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(fā)電系統(tǒng)，可以一定程度上提高燃油利用率，從而提升產(chǎn)品綜合競爭力。在發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)定型的前提下，不改變整車動力總成的組織結(jié)構(gòu)，通過對整車引入智能可控發(fā)電系統(tǒng)，可有效降低整車百公里油耗量，使可控發(fā)電機(jī)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行充放電工作；同時(shí)，該功能技術(shù)路線簡單，通過安裝電池電量傳感器，進(jìn)行智能可控發(fā)電系統(tǒng)的標(biāo)定，在車輛行駛時(shí)，監(jiān)測充電狀態(tài)，決定系統(tǒng)階段。該智能可控發(fā)電系統(tǒng)適用范圍廣，通過NEDC循環(huán)工況測試發(fā)現(xiàn)，引入智能可控發(fā)電系統(tǒng)的整車可有效節(jié)油0.2 L/100 km[1]。

1 智能可控發(fā)電系統(tǒng)原理

智能可控發(fā)電機(jī)系統(tǒng)主要由硬件架構(gòu)和軟件策略2部分組成。首先，在傳統(tǒng)汽車上搭建智能電池管理系統(tǒng)，對蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；其次，軟件策略根據(jù)從智能電池管理系統(tǒng)所獲得的信號進(jìn)行電控標(biāo)定，讓車輛的發(fā)電機(jī)始終在蓄電池需要充電的時(shí)候引入動力。具體控制流程如圖1所示。

圖1 智能可控發(fā)電機(jī)控制流程圖

1.1 硬件架構(gòu)

硬件架構(gòu)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(tǒng)蓄電池栓板嵌入智能蓄電池傳感器，從而實(shí)現(xiàn)能源管理。

圖2 硬件架構(gòu)

與傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)相比，通過設(shè)計(jì)加入IBS，可以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)為減少自身IBS的電流消耗并保證電池監(jiān)控，定義了3種工作模式，其主要目的是在3種模式的轉(zhuǎn)換過程中節(jié)省自身能源，不讓智能電池管理系統(tǒng)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(tǒng)工作模式

3種工作模式按照以下方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

a. 從喚醒模式到比較模式

發(fā)動機(jī)電子控制單元（Electronic Control Unit，ECU）發(fā)送比較命令，電流小于250 mA，無軟件通信，電流小于250 mA達(dá)到10 s；

b. 從比較模式到喚醒模式

發(fā)動機(jī)ECU發(fā)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(jìn)入該模式監(jiān)測電壓、電流、溫度，同時(shí)更新電池監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)；

c. 從比較模式到睡眠模式

電流小于250 mA達(dá)到6 h，同時(shí)沒有軟件通信；

d. 從睡眠模式到比較模式

每30 s進(jìn)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(fā)動機(jī)ECU發(fā)送喚醒命令。

圖4 模式轉(zhuǎn)換界面

1.2 軟件策略

智能電池管理系統(tǒng)通過智能電池傳感器來計(jì)算出、、等功能參數(shù)。發(fā)動機(jī)ECU根據(jù)智能電池管理系統(tǒng)計(jì)算出來的參數(shù)進(jìn)行相關(guān)軟件系統(tǒng)控制。相關(guān)功能參數(shù)定義如下：

蓄電池荷電狀態(tài)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(shí)的容量。

蓄電池健康狀態(tài)為

=aged/new（2）

式中，aged為滿電狀態(tài)下當(dāng)前可放電容量；new為標(biāo)稱電池容量。

蓄電池在使用過程中，隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)老化現(xiàn)象，該現(xiàn)象是硫酸的鹽化作用導(dǎo)致一定的容量損失，如圖5所示。

圖5 蓄電池健康狀態(tài)SOH

蓄電池功能狀態(tài)為

=ig（3）

式中，ig為點(diǎn)火期間的最低電池電壓。

蓄電池在試用期間電池的內(nèi)阻、荷電狀態(tài)、起動機(jī)特性決定了蓄電池的具體功能狀態(tài)，如圖6所示為蓄電池功能狀態(tài)隨電壓和時(shí)間的變化。

圖6 蓄電池功能狀態(tài)SOF

硬件架構(gòu)通過智能電池管理系統(tǒng)的3種工作模式、3種狀態(tài)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對整車能源系統(tǒng)的管理[2]。

發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)通過蓄電池荷電狀態(tài)（）主動劃分系統(tǒng)所屬階段，可控發(fā)電系統(tǒng)共3個(gè)階段：虧電階段（Bulk）、過渡階段（Absorption）和滿電階段（Float）。電控標(biāo)定初期設(shè)定荷電狀態(tài)小于80%時(shí)，既定為虧電階段；當(dāng)荷電狀態(tài)高于90%時(shí)，既定為滿電階段；當(dāng)荷電狀態(tài)介于兩者之間時(shí)為過渡階段?？梢愿鶕?jù)蓄電池具體情況做出調(diào)整，以達(dá)到最佳節(jié)油狀態(tài)。

1.2.1 虧電階段

當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)決定充電系統(tǒng)處于虧電階段時(shí)，蓄電池進(jìn)行充電的方式見表2。由于蓄電池在低溫狀態(tài)下，充電能力會受到影響，故將充電電壓根據(jù)電解液溫度進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳荷電狀態(tài)。

表2 虧電階段充電電壓

1.2.2 過渡階段

當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)決定充電系統(tǒng)處于過渡階段時(shí)，充電模式為：當(dāng)標(biāo)定下限<<標(biāo)定上限，且車速高于70 km/h時(shí)，允許進(jìn)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(dāng)充電時(shí)間滿足標(biāo)定的時(shí)間限值時(shí)，跳轉(zhuǎn)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(shí)間區(qū)間內(nèi)往復(fù)跳轉(zhuǎn)，同時(shí)允許對更具體的電解液溫度和荷電狀態(tài)的充電電壓進(jìn)行詳細(xì)劃分。

1.2.3 滿電階段

當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)決定充電系統(tǒng)處于滿電階段時(shí)，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(tài)下充電能力會受到影響，將充電電壓根據(jù)電解液溫度進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到最佳荷電狀態(tài)。

智能可控發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中還針對加速、減速等工況進(jìn)行智能充、放電。當(dāng)加速踏板實(shí)際位置大于如下開度時(shí)，默認(rèn)進(jìn)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(fā)電系統(tǒng)進(jìn)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(dāng)實(shí)際加速踏板開度小于表8中標(biāo)定給定的開度時(shí)，默認(rèn)進(jìn)入減速模式。

進(jìn)入減速模式后，為盡快減速并回收發(fā)動機(jī)多余的能量，進(jìn)行高電壓充電，見表9。

發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)通過蓄電池健康狀態(tài)獲得蓄電池的不可逆老化程度，根據(jù)蓄電池實(shí)際老化情況做出正確判斷，將更換電池信號發(fā)送給發(fā)動機(jī)電子控制器，電子控制器將此信號發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)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(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)通過蓄電池功能狀態(tài)獲得蓄電池點(diǎn)火期間的最低電壓，根據(jù)蓄電池實(shí)際點(diǎn)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(nèi)阻變大導(dǎo)致點(diǎn)火困難，同時(shí)可對駕駛員進(jìn)行提示。

2 油耗對比驗(yàn)證試驗(yàn)

對智能可控發(fā)電系統(tǒng)與不可控充電系統(tǒng)（常規(guī)整車充電系統(tǒng)）進(jìn)行油耗驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)按照《乘用車循環(huán)外技術(shù)/裝置節(jié)能效果評價(jià)方法》來評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，具體實(shí)施如下。

1）試驗(yàn)分2組：一組安裝智能可控發(fā)電系統(tǒng)，另一組為不可控充電系統(tǒng)；

2）轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)整車安裝油耗儀；

3）轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)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(yàn)按照NEDC工況進(jìn)行，循環(huán)工況分2個(gè)階段，一階段市區(qū)工況，二階段郊區(qū)工況，如圖7所示；

圖7 NEDC工況曲線

5）對比2組試驗(yàn)，得出綜合平均油耗見表10。

表10 NEDC工況油耗對比結(jié)果

為保證試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，分別采用油耗儀和碳平衡法對整車油耗結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，結(jié)果表明：搭載智能可控發(fā)電系統(tǒng)的整車與傳統(tǒng)非可控發(fā)電系統(tǒng)的整車在進(jìn)行NEDC工況測試時(shí)，智能可控發(fā)電系統(tǒng)可為整車節(jié)省燃油消耗量至少0.2 L/100 km。

3 結(jié) 論

在油耗對比驗(yàn)證試驗(yàn)中，安裝智能可控發(fā)電系統(tǒng)的某車型至少可節(jié)油0.2 L/100 km。智能可控發(fā)電系統(tǒng)主要以智能電池管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)為核心，對整車發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)化處理。智能電池管理系統(tǒng)通過3種模式的有效切換實(shí)現(xiàn)自身節(jié)能，同時(shí)通過計(jì)算得出蓄電池的荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、功能狀態(tài)。發(fā)動機(jī)控制單元可以有效根據(jù)以上運(yùn)算結(jié)果，對整車能源系統(tǒng)進(jìn)行合理有效的控制，將整車運(yùn)行工況進(jìn)行詳細(xì)劃分，實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)能源合理有效利用。發(fā)動機(jī)技術(shù)發(fā)展較為緩慢，不是所有汽車制造廠商都能夠使用最先進(jìn)的發(fā)動機(jī)技術(shù)達(dá)到節(jié)油目的，智能可控發(fā)電系統(tǒng)操作簡單，適用性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)油功能。

[1] 魯植雄. 汽車電子控制基礎(chǔ)[M]. 北京：清華大學(xué)出版，2011.

[2] 林學(xué)東. 發(fā)動機(jī)原理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)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