高效智能发电机的控制策略及其应用

董先瑜，凤亚娇，张培华（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



高效智能发电机的控制策略及其应用

董先瑜，凤亚娇，张培华
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

随着1.6L及以下节能环保汽车新政策、乘用车第IV阶段燃料消耗量评价指标草案的陆续发布实施，国家的节能环保政策与法规日趋收紧，对油耗越来越严格。另外，油耗是消费者用车过程中重点关注要素之一，也是汽车竞争的关键点。各大汽车公司竞相开发各种节油技术以提升产品竞争力。高效智能发电机技术由于变动小、节油效果较好（NEDC循环可节油1%～2%[1]），容易移植等特点具有较高的应用推广价值，然而，因智能发电机回收能量最大化的需要，蓄电池电量需要维持在较低电量，发电机最低发电电压较低，而最大发电电压较高。若这些参数设计不当，对车辆的电气系统、冷起动及电平衡都产生较大影响。本文系统地阐述了高效智能发电机的节油原理及其控制策略，将其应用于轿车上并通过试验对关键参数验证确认，确保高效智能发电机控制策略在满足整车使用性能前提下节油。

智能；发电机；控制策略；应用

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.055

CLC NO.: U463.6Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-170-06

1、节油原理

使用高效智能发电机节油体现在两块：一是发电机高效率，即采用高效率电机代替普通电机，相同发电量所消耗的燃料更少，达到节油效果；二是智能发电机，根据车辆状态控制发电机的输出电压，回收减速制动能量来给车辆供电，达到节油效果。那就是ECU根据车辆、蓄电池、发电机的状态信息，通过恰当的控制策略确定当前发电电压并向发电机发送电压控制指令（见图1），使发电机根据需要输出合适的电压，达到节油效果，即减速提高电压多发电，加速降低发电电压少发电或不发电,匀速时设置合适电压以最经济电压发电（见图2）。

2、智能发电机控制策略

智能发电机的工作逻辑框图如下：

控制逻辑图主要从策略的输入、输出、边界条件、控制逻辑和故障诊断及安全保护等方面对智能发电机的控制策略进行说明，下面从这些方面进行详细说明。

2.1状态检测模块

智能发电机控制模块通过对蓄电池状态、蓄电池电量传感器EBS状态、发动机状态、发动机水温状态等参数进行判断，确定是否开启智能电压条件功能。

智能发电机控制模块需要判断的条件有：

EBS是否有故障，当有故障时禁止智能电压调节功能。

SOCstate、SOFV1state值为0x00"deviation > 15%" 或0x 03,"invalid"时禁止智能电压调节功能，当值为0x01,"deviation < 15%" 或 0x02,"deviation < 10%" 时允许智能电压调节功能。

当蓄电池温度大于标定值时，为避免高电压充电造成蓄电池失水，禁止智能电压调节功能。

当SOF V1低于标定值时，判断蓄电池老化，禁止智能电压调节功能。后续EBS支持SOH后，可以通过SOH的值来进行判断。

当发动机水温过低时禁止智能电压调节功能。

2.2非能量回收过程调节电压制定

2.2.1蓄电池最优电量差值的确定

根据蓄电池供方的电池性能参数，以蓄电池的温度和车速两个参数来判断，确定蓄电池的最优电量。下面是最优电量Map的一个例子，该Map的标定要参考电池厂家提供的Spec，保证电池寿命可靠，此外，该电量能确保起动可靠，以及电池充电效率等因素。

在实际的项目过程中，这个Map中的值可以进行调整，如最小值调到70%，80%等，以对节油性能和对蓄电池的性能影响进行评估，以选择更合适的值。

同时，考虑到蓄电池老化对放电能力的影响，电池老化后，适当提高最佳目标电量，以确保起动可靠性。如果有SOH的信号后，可以用SOH信号对最优电量进行修正。下面Map是基于SOF V1（预估起动电压）对最优电量的修正。

计算当前的SOC值与最优电量的差值获得当前的SOC值与最优电量的差值，当蓄电池SOC低于最优电量差值时，提高充电电压，使蓄电池电量达到最优电量，当蓄电池SOC超过最优电量后，降低充电电压以实现节能。

原理框图：

2.2.2发动机效率的确定

计算发动机效率主要目的是，当发动机工作在高效区时，增大发电电压，工作在低效区时，降低发电电压，以达到节油的效果。发动机效率的Map要基于发动机台架万有特性来标定，主要与发动机转速和实际输出扭矩相关。

实际输出扭矩是 EMS根据油门踏板的开度判断的驾驶员期望扭矩、TCU的扭矩请求，ESC的扭矩请求等输入计算出的输出扭矩。如当驾驶员以一个较小的油门开度匀速行驶时，发动机的扭矩输出值就会较小，而相应的发动机的效率就比较低。

发动机效率计算原理框图如下：

对发动机效率计算的Map进行补充如下：

横轴为发动机转速

纵轴为实际输出扭矩与200Nm比值的百分比。

数据区为发动机效率，示例如下：

表1　

2.2.3目标充电电压的确定

用蓄电池最优电量差值和发动机效率通过 Map获得蓄电池充电电压，Map图示例如下：

表2　

蓄电池充电电压总体的规则是，发动机效率越高，充电电压越高，发动机效率越低，充电电压越低；蓄电池容量越低，充电电压越高，蓄电池容量越高，充电电压越低。

目标充电电压确定的原理框图如下：

2.2.4蓄电池充电电压限值的确定

在确定蓄电池充电电压时，不仅要考虑目标充电电压，还要考虑在蓄电池的充电电压上限，和对整车电平衡相关充电电压下限。

蓄电池充电电压上限主要考虑的有通过蓄电池温度、蓄电池容量计算出的最大允许充电电压，当蓄电池容量较高时，高电压充电容易造成蓄电池失水，因此需要降低充电电压，而低SOC时可以采用较高的充电电压。同样，蓄电池温度高时，高电压充电容易造成蓄电池失水，因此需要降低充电电压，而温度低时可以采用较高的充电电压。

横轴为蓄电池温度；

纵轴为蓄电池SOC；

数据区为充电电压限制。

表3　

同时，通过制定最大设定电压，可以对通过蓄电池温度和SOC计算的充电电压进行限制，同时考虑到启动时限制充电电压，获得目标电压上限。

目标电压下限主要考虑最小设定电压和启动的影响。在启动时按照启动过程发电电压，非启动时按照最小设定电压（如下图）。

2.2.5蓄电池充电电压限值的确定

将目标充电电压与目标电压上限进行比较取最小值，在非能量回收过程时进行输出。

2.3能量回收过程调节电压制定

当车速、发动机转速大于阀值时，驾驶员踩制动，或发动机断油、或驾驶员扭矩请求小于阀值时，输出能量回收标志位。

当发动机进入停机过程时，输出停机标志位。

当发动机发出能量回收标志位或停机标志位时，且IGC功能有效，输出能量回收信号，此时，发电机将按照目标上限进行发电。

以能量回收过程输出的电压值或非能量回收过程输出的电压值与目标电压下限进行比较取最大值，即为智能电压调节过程输出的电压。

2.4故障模式

当发电机控制模块判断IGC功能不可用时，将取消智能调节发电电压功能，按照一个传统发电机进行发电。

3、高效智能发电机控制策略的应用

通过将发电机由普效普通型（58%效率，固定电压发电）更换成高效智能发电机（63%效率，可变电压发电）、蓄电池更换成支持深充放电式、改造BCM和新增电池传感器等硬件改造（见参考文献1），在江淮一款轿车上应用高效智能发电机技术，并应用前述控制策略。具体应用如下：

3.1电池最优电量确定

电池最优电量值作为ECU控制蓄电池电量的基准参数。蓄电池的充电效率与电池荷电量多少有关，电池荷电量越低充电效率越高，智能发电机能量回收效率越高，但是，电池荷电量越低，将直接影响车辆低温起动性和储运要求。因此，电池电量需要控制在一定水平，电池电量设定值就是这一水平的量化指标。根据冷起动试验、车辆储运时间试验和车辆油耗试验结合经验数据将电池电量设定值确定为70%满电电量（0℃以上），在电池温度低于0℃时，电池活性低，易出现起动困难，电池电量设定值加大处理，以保证车辆低温起动性。其值增加量由电池温度和车速决定，并随温度减低和车速增加线性加大，见下图（X为电池温度，Y为车速）：

表4　

3.2发电机目标电压的确定

3.2.1发电机最小和最大目标充电电压设定

发电机目标充电电压范围由最小目标充电电压和最大目标充电电压确定。发电机最小目标充电电压影响蓄电池电量和节油效果，设定过低，电池易亏电，影响车辆起动性，设定过高，车辆油耗大，影响节油效果。发电机最大目标电压影响能量回收量和车辆用电器寿命，设定过低，能量回收少，节油效果差，设定过高则降低车辆用电器使用寿命。根据车辆电平衡试验、冷起动试验、车辆油耗试验和可靠性试验结合经验数据确定发电机最小目标充电电压为13V（电池相对不亏电时），最大目标充电电压为15.5V。在电池亏电情况下，最小目标充电电压加大处理，以最经济的发电电压保持电池电量足够。其值增加量由相对亏电量和发动机燃油效率共同确定，并随亏电量增加和发动机燃油效率增加线性加大（x为电池实际电量与最优电量差值，y为发动机效率）。

3.2.2发电机当前目标充电电压的确定

发电机当前目标充电电压取决于电池实际荷电状态。在车辆运行过程中(除减速和停车过程中），当蓄电池当前电量高于电池电量设定值，在上述最大与最小目标电压所确定的电压范围内确定一较小的电压值作为当前发电机目标电压，使蓄电池放电；当蓄电池当前电量低于电池电量设定值，在上述最大与最小目标电压所确定的电压范围内确定一较高的电压值作为当前发电机目标电压，使蓄电池充电，保持蓄电池电量在设定值合理范围内波动，从而保证了制动能量部分回收效率的同时满足整车起动性和储运要求。

3.3动态电压控制

ECU根据发动机的扭矩变化以及驾驶员的加速及制动操作等判断车辆的加速、匀速及减速工况，加速或匀速时根据蓄电池荷电量确定较低的发电电压，减速时设定最大发电电压，实现电压的动态调节。这样一方面降低了加速时发动机负荷，提高加速性能，另一方面匀速时发电机以经济的动态充电电压充电，减速时车辆制动能量的部分回收，实现节油。（如下图）

3.4优化发动机起动

发动机起动时，ECU设定比电池电压低得多的发电电压，让发电机不发电，减轻发动机负荷，实现快速起动，提高驾驶性舒适性，这一优点对起停车辆尤为重要。同时起动过程中起动机拖动时间缩短，提高了起动机的寿命。

下面两图为车辆应用上述控制策略后实际测量发电机发电电压等参数变化情况。

该两图为NEDC市郊循环和城市循环工况中智能发电机系统运用签署控制策略后相关参数变化情况。图中不难看出，发电机电压调节过程如下：

1）当前电量75%大于70%的电量设定值，因此最小目标发电电压为13V，而最大目标发电电压为15.5V。

2）在加速或匀速行驶时，发电机发电电压稍高于13V，减速时以最大目标电压15.5V发电，从而实现节油。

4、高效智能发电机控制策略对车辆其他系统或性能的影响

高效智能发电机的控制参数如最优电量、最高最低充电电压等的设定需要结合车辆实际状况进行合理的设计，否则，会对车辆的起动性能、可靠性、电平衡等产生消极影响。为此，需要进行相关试验来验证控制策略与整车搭配的合理性。下面以智能发电机控制策略应用于上述江淮某款轿车为例进行阐述。

4.1整车电平衡

因控制策略设计不当会导致整车发电量与用电量不匹配，易造成造成蓄电池亏电，因此开展整车怠速电平衡验证。试验边界：1）发动机怠速转速维持在800r/min；2）试验时间为4h，且关键用电器全打开。

试验前蓄电池SOC为70%，过程中 SOC保持在71%～72%，试验结束时SOC为71%（如下图所示），且车辆可以再次启动，电平衡合格。

4.2整车冷起动

智能策略导致电池最优电量仅为70%满电电量，因此需要冷起动验证。试验参照《标准汽车起动性能试验方法GB/T 12535-2007》，在-30℃环境下进行两次冷起动，均合格（见下图、表）。

次数 　试验温度最低电压最大电流起动时间是否成功第1次起动 　7.22 　435.34 　2.07 　是-30℃第2次起动7.04 　456.64 　1.51 　是

4.3车辆储运时间验证

储运时间要求就是车辆放置42天后仍能起动，它等于电池放电电量除以静态电流。在智能发电机系统中，由于电池控制电量仅为70%，未达到普通车辆满电状态，因此进行储运时间验证。验证结果为52天，满足要求。

表5　电池充放电量测试

4.4整车可靠性试验

完成30000km整车可靠性试验，智能发电机系统工作正常，整车未出现电平衡和零部件故障。可靠性试验各种道路里程分配如下：

表6　

验证结果表明，高效智能发电机控制策略能够满足车辆实际需要。

5、结论

高效智能发电机控制策略可分为非能量回收、能量回收和故障模式状态，前两种状态都能实现整车节油，故障模式在智能系统故障时提供跛行功能；

高效智能发动机控制策略决定了其对车辆节油效果的影响程度，适当的控制参数才能实现较为理想的节油，但控制参数设定必须综合考虑其对整车其它性能的影响。

[1]董先瑜.高效智能发电机应用研究.汽车制造业[J]2016第1期.

Efficient intelligent generator's control strategy and it's applications

Dong Xianyu,Feng Yajiao,Zhang Peihua
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601）

With the promulgation and enforcementof new policy for clean cars and the draftof thestageIV fuel consumption evaluation index for Passenger cars,the policies and regulations of the country's energy conservation and environmental protectionis getting tighter day by day ,and more strict to the cars' fuel consumption.In addition,the fuel consumption is one of the focusing elements during the course of using car,and is also the key point of car competition.Major car companies compete to develop various oil-saving technologies to enhance the product competitiveness.due to smaller changes and betteroil-saving effect (fuel can be saved by 1%～2% in the NEDC cycle[1]) and more easily to be transplanted and so on,the efficient intelligent generator technology has higher application promotion value.however,due to the need of intelligent generators recyclingmaximum energy,the power of storage battery and the minimum powervoltage of generator need to maintain lower and the maximum power voltage of generator need to be set higher.If these parameters are not properly designed,the vehicle's electrical system,cold starting performance and electric balance performance will be greatly influenced.This paper systematically describes the efficient fuel-efficient principle of the efficient intelligent generator and its control strategy and its application on a car and the processesof the validation and confirmation of the key parameters toEnsure more fuel efficient On the precondition ofmeeting vehicle' s performance.

intelligent; generator; control strategy; applications

U463.6

A

1671-7988（2016）08-170-06

董先瑜（1971-），男，中级工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，从事汽车发动机研发工作。