智能可控发电系统对整车油耗影响的研究

郭 斌，李平伟，贾 磊，潘宝财，孙国兵 Guo Bin，Li Pingwei，Jia Lei，Pan Baocai，Sun Guobing



智能可控发电系统对整车油耗影响的研究

郭 斌，李平伟，贾 磊，潘宝财，孙国兵 Guo Bin，Li Pingwei，Jia Lei，Pan Baocai，Sun Guobing

（北京汽车研究总院有限公司，北京 101300）

随着乘用车燃油消耗量限值日益收紧，各大整车厂针对传统汽车领域积极采取相关措施来满足日益严苛的油耗限值，为此，引入智能可控发电系统（Electrical Power Management System，EPMS），对此系统进行电控技术标定，通过监测充电电压、充电电流及电解液温度，计算出蓄电池荷电状态（State of Charge，）、蓄电池健康状态（State of Health，）及蓄电池功能状态（State Of Function，）。根据蓄电池的不同状态采取相应的控制策略，从而达到智能可控的能源管理；通过对比智能可控发电系统与常规不可控发电系统对整车油耗的影响，发现智能可控发电系统可使整车燃油消耗量得到一定程度改善，从而提高效率，降低整车油耗。

荷电状态；健康状态；功能状态；能源管理

0 引 言

在GB 19578-2014《乘用车燃料消耗量限值》中，明确对车型进行了分类，针对不同车型有不同的燃油消耗量要求，其目的是为了推动汽车节能技术革新，鼓励车辆小型化、轻量化，提高对非可再生资源的利用率。而智能可控发电系统，可以一定程度上提高燃油利用率，从而提升产品综合竞争力。在发动机设计定型的前提下，不改变整车动力总成的组织结构，通过对整车引入智能可控发电系统，可有效降低整车百公里油耗量，使可控发电机根据实际需要进行充放电工作；同时，该功能技术路线简单，通过安装电池电量传感器，进行智能可控发电系统的标定，在车辆行驶时，监测充电状态，决定系统阶段。该智能可控发电系统适用范围广，通过NEDC循环工况测试发现，引入智能可控发电系统的整车可有效节油0.2 L/100 km[1]。

1 智能可控发电系统原理

智能可控发电机系统主要由硬件架构和软件策略2部分组成。首先，在传统汽车上搭建智能电池管理系统，对蓄电池的运行状态进行实时监控；其次，软件策略根据从智能电池管理系统所获得的信号进行电控标定，让车辆的发电机始终在蓄电池需要充电的时候引入动力。具体控制流程如图1所示。

图1 智能可控发电机控制流程图

1.1 硬件架构

硬件架构是由蓄电池和智能电池传感器（Intelligent Battery Sensor，IBS）组成，如图2所示；由传统蓄电池栓板嵌入智能蓄电池传感器，从而实现能源管理。

图2 硬件架构

与传统的发电系统相比，通过设计加入IBS，可以实现如图3所示的能源管理。

图3 能源管理界面

智能电池管理系统为减少自身IBS的电流消耗并保证电池监控，定义了3种工作模式，其主要目的是在3种模式的转换过程中节省自身能源，不让智能电池管理系统长期处于唤醒工作模式，3种模式的具体定义见表1。

表1 智能电池管理系统工作模式

3种工作模式按照以下方式进行转换。

a. 从唤醒模式到比较模式

发动机电子控制单元（Electronic Control Unit，ECU）发送比较命令，电流小于250 mA，无软件通信，电流小于250 mA达到10 s；

b. 从比较模式到唤醒模式

发动机ECU发送唤醒命令，唤醒智能电池传感器，电流大于250 mA，此后每30 min进入该模式监测电压、电流、温度，同时更新电池监控系统参数；

c. 从比较模式到睡眠模式

电流小于250 mA达到6 h，同时没有软件通信；

d. 从睡眠模式到比较模式

每30 s进入比较模式，比较电流是否大于250 mA；

e. 从睡眠模式到唤醒模式

发动机ECU发送唤醒命令。

图4 模式转换界面

1.2 软件策略

智能电池管理系统通过智能电池传感器来计算出、、等功能参数。发动机ECU根据智能电池管理系统计算出来的参数进行相关软件系统控制。相关功能参数定义如下：

蓄电池荷电状态为

=c/（1）

式中，c为通过智能电池传感器获得的蓄电池剩余电量；为蓄电池以恒定电流放电时的容量。

蓄电池健康状态为

=aged/new（2）

式中，aged为满电状态下当前可放电容量；new为标称电池容量。

蓄电池在使用过程中，随着时间的推移出现老化现象，该现象是硫酸的盐化作用导致一定的容量损失，如图5所示。

图5 蓄电池健康状态SOH

蓄电池功能状态为

=ig（3）

式中，ig为点火期间的最低电池电压。

蓄电池在试用期间电池的内阻、荷电状态、起动机特性决定了蓄电池的具体功能状态，如图6所示为蓄电池功能状态随电压和时间的变化。

图6 蓄电池功能状态SOF

硬件架构通过智能电池管理系统的3种工作模式、3种状态监测实现对整车能源系统的管理[2]。

发动机控制系统通过蓄电池荷电状态（）主动划分系统所属阶段，可控发电系统共3个阶段：亏电阶段（Bulk）、过渡阶段（Absorption）和满电阶段（Float）。电控标定初期设定荷电状态小于80%时，既定为亏电阶段；当荷电状态高于90%时，既定为满电阶段；当荷电状态介于两者之间时为过渡阶段。可以根据蓄电池具体情况做出调整，以达到最佳节油状态。

1.2.1 亏电阶段

当蓄电池荷电状态决定充电系统处于亏电阶段时，蓄电池进行充电的方式见表2。由于蓄电池在低温状态下，充电能力会受到影响，故将充电电压根据电解液温度进行调整，以达到最佳荷电状态。

表2 亏电阶段充电电压

1.2.2 过渡阶段

当蓄电池荷电状态决定充电系统处于过渡阶段时，充电模式为：当标定下限<<标定上限，且车速高于70 km/h时，允许进行高、低电压交替充电。蓄电池高充电电压见表3。

表3 过渡阶段高充电电压 V

当充电时间满足标定的时间限值时，跳转到过渡阶段低充电电压，蓄电池低充电电压见表4。

表4 过渡阶段低充电电压 V

高、低电压在指定时间区间内往复跳转，同时允许对更具体的电解液温度和荷电状态的充电电压进行详细划分。

1.2.3 满电阶段

当蓄电池荷电状态决定充电系统处于满电阶段时，蓄电池充电方式见表5。

表5 满电阶段充电电压

蓄电池在低温状态下充电能力会受到影响，将充电电压根据电解液温度进行调整，达到最佳荷电状态。

智能可控发电系统在运行过程中还针对加速、减速等工况进行智能充、放电。当加速踏板实际位置大于如下开度时，默认进入加速模式，见表6。

表6 加速模式踏板限值 %

在加速模式，为使车辆尽快提速，智能可控发电系统进行低电压充电，将所有能量尽可能用于加速，见表7。

表7 加速模式充电电压 V

当实际加速踏板开度小于表8中标定给定的开度时，默认进入减速模式。

进入减速模式后，为尽快减速并回收发动机多余的能量，进行高电压充电，见表9。

发动机控制系统通过蓄电池健康状态获得蓄电池的不可逆老化程度，根据蓄电池实际老化情况做出正确判断，将更换电池信号发送给发动机电子控制器，电子控制器将此信号发送到CAN网络上，最终由仪表显示给驾驶员。

表8 减速模式踏板限值 %

表9 减速模式充电电压 V

发动机控制系统通过蓄电池功能状态获得蓄电池点火期间的最低电压，根据蓄电池实际点火电压辅助判断蓄电池工作能力，此类判断是为了防止蓄电池内阻变大导致点火困难，同时可对驾驶员进行提示。

2 油耗对比验证试验

对智能可控发电系统与不可控充电系统（常规整车充电系统）进行油耗验证试验，试验按照《乘用车循环外技术/装置节能效果评价方法》来评价试验结果，具体实施如下。

1）试验分2组：一组安装智能可控发电系统，另一组为不可控充电系统；

2）转鼓试验整车安装油耗仪；

3）转鼓试验整车连接尾气分析仪（通过稀释法获得碳平衡法油耗）；

4）对比试验按照NEDC工况进行，循环工况分2个阶段，一阶段市区工况，二阶段郊区工况，如图7所示；

图7 NEDC工况曲线

5）对比2组试验，得出综合平均油耗见表10。

表10 NEDC工况油耗对比结果

为保证试验结果的真实性与准确性，分别采用油耗仪和碳平衡法对整车油耗结果进行校验，结果表明：搭载智能可控发电系统的整车与传统非可控发电系统的整车在进行NEDC工况测试时，智能可控发电系统可为整车节省燃油消耗量至少0.2 L/100 km。

3 结 论

在油耗对比验证试验中，安装智能可控发电系统的某车型至少可节油0.2 L/100 km。智能可控发电系统主要以智能电池管理系统为基础，发动机控制系统为核心，对整车发电系统进行最优化处理。智能电池管理系统通过3种模式的有效切换实现自身节能，同时通过计算得出蓄电池的荷电状态、健康状态、功能状态。发动机控制单元可以有效根据以上运算结果，对整车能源系统进行合理有效的控制，将整车运行工况进行详细划分，实现发动机能源合理有效利用。发动机技术发展较为缓慢，不是所有汽车制造厂商都能够使用最先进的发动机技术达到节油目的，智能可控发电系统操作简单，适用性强，能够实现节油功能。

[1] 鲁植雄. 汽车电子控制基础[M]. 北京：清华大学出版，2011.

[2] 林学东. 发动机原理[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

2017-04-24

1002-4581（2017）05-0024-05

U467.4+98

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2017.05.007