浅析汽车电源管理系统研究及运用

刘晓军

（江淮汽车，安徽 合肥 230009）

汽车电源管理系统主要是由电源管理控制模块通过蓄电池电量传感器采集当前的蓄电池状态信息包括电压值、电流值和温度值等信息，管理汽车用电器负载，并协调各个用电器合理工作。同时使发电机发电效率最优化，减少不必要的发动机能量损失。另外在车辆长时间停放时，如果车辆电源出现问题时，车联网通信模块通过网络信号将信息传输给运营商短信平台，运营商短息平台发送短信给用户手机，或者用户自行登录手机APP账号进行查询。本文重点阐述电源管理系统有关的蓄电池电量传感器、智能发电机工作原理以及整车电源管理系统控制策略、远程车联网电量提醒等相关内容。

1 蓄电池电量传感器功能

蓄电池电量传感器（IBS）安装在蓄电池负极上，传感器内部带有专用的微处理器，此微处理器由电子模块组成。通过电子模块测量蓄电池的电压、电流和温度等信息。同时经过处理器内部相关计算把蓄电池充电状态（SOC）、健康状态（SOH）、功能状态（SOF）、电压、电流、温度通过LIN通信发送给电源管理模块。如图1、图2所示。

图1 蓄电池电量传感器原理图1

图2 蓄电池电量传感器原理图2

1）电压测量：蓄电池电压信号在电量传感器内部采用16位AD采样模数转换器进行数字比较转换后，再通过微处理控制器运算处理后得到电压值。

2）电流测量：电流经过电量传感器内部分流器电阻后产生电压信号，经过传感器内部采样输入电路信号调理后，再经过可编程增益放大器放大，然后输入到16位AD采样模数转换器，经过模数转换后经过数字信号处理芯片逻辑算法运算得到电流值。

3）温度测量：温度传感器集成在电量传感器电路中，电压和温度测量共享一个多路转换开关，温度信号测量路径采用比较电路，运算电路和电压测量通道相同。

4）充电状态（SOC）：SOC表示蓄电池荷电状态，其数值上定义为剩余容量占电池的比值，用百分数表示。SOC=Q/Q。其中Q为电池剩余容量，Q为电流I放电时所具有的容量。充满电的蓄电池SOC=100%，完全放电的蓄电池SOC=0%，一般用蓄电池标称容量来代替不同放电倍率的额定容量。但是在一些工况复杂，环境温度变动范围大，Q值会是不一样的，需要通过蓄电池端电压、充放电流及蓄电池内阻、环境温度来计算，一般都采用安时积分和开路电压法结合计算更加精确。

5）健康状态（SOH）：SOH表示当前蓄电池相对于新电池可以储存电荷的能力。通过百分比表示电池从寿命开始到寿命结束期间所处健康度和性能状态等。SOH=C/C，其中C为满充电状态下可放电容量，C为标称蓄电池容量。

6）功能状态（SOF）：SOF表示蓄电池的功能状态。此值是由电池的内阻、电压、电流、温度、充电状态、起动机特性等决定。主要是体现车辆的启动能力，用来作为汽车启停禁止和使能的一个判断条件，防止电池老化后启停不稳定。

2 智能发电机能量管理

汽车上普通发电机不能进行电压的调节，这就会导致发动机功率损失和油耗增加以及过多的尾气污染物排放。在汽车电源管理中增加智能发电机控制系统，智能发电机带有LIN通信的智能可控发电机。汽车在行驶情况下，发动机控制模块根据车辆运行状态并结合当前蓄电池SOC值、电压和温度等信息，计算出车辆所需发电电压，并通过LIN线通信发送发电目标值到发电机控制模块。发电机控制模块根据接收到的信息，确定发电机发电电压和电量输出。在汽车蓄电池出现亏电情况下，需提高发电机对外输出电量，对蓄电池进行补充电。在蓄电池电量充足情况下，降低发电机对外输出电量，防止蓄电池出现过度充电的情况，减少发动机功率损失，使蓄电池维持在合理的发电量。车辆在不同的工作状态下，智能发电机的电压调节策略也不同。在车辆起步和加速工况过程中，通过减小发动机的输出扭矩来减少发电机的发电量，达到降低油耗的目的。在车辆匀速行驶工况下，根据收到的蓄电池状信息，输出合适的电量。在制动减速工况下，发电机输出最大的充电电量。通过对蓄电池电量进行调节和车辆状态这两种方法控制，实施智能发电机的电源管理策略能有效提高蓄电池的使用寿命和发动机能量的利用率。如图3所示。

图3 智能发电机能量管理原理图

3 整车能量管理系统

3.1 动态电源管理系统

汽车动态电源管理（表1）是协调用电设备的正常工作，将电量按需分配给不同的用电设备，并监测和控制充电系统的状态，当发电机产生电量超过用电器消耗的电量时，便会进行调节，向蓄电池充电，使车辆达到最佳用电状态。电源管理模块通过蓄电池电量传感器（IBS）监测蓄电池的电量（SOC）和电量状态（SOC_STATE）这两个变量。蓄电池电量传感器通过LIN通信把SOC和SOC_STATE变量值发给电源管理模块。电源管理模块通过监控SOC和SOC_STATE变量值，对发动机输出扭矩进行调节。当电压不足时，组合仪表显示界面或是娱乐系统界面显示低电量，提示驾驶人员。电源管理模块用来调节发电机的发电量，使其输出最大发电量；若电压依旧不足时，电源管理模块调整发动机怠速转速补偿来提升发电量。另外通过CAN通信信号发送当前的电源管理信号给用电控制器，用电控制器收到信号时，根据电量状态值降低用电器负荷等级。例如车辆电源过低时，电源管理模块发送电量管理CAN网络信号状态信号PowerManage为0x1给音响娱乐控制器时，音响娱乐系统收到信号时，将音量自行调低。空调控制器接收到网络信号时，将空调鼓风机风量挡位调到最低挡位。另外在仪表显示屏幕弹出低电量提醒：“蓄电池电量不足”用来提示驾驶员。

表1 汽车动态电池管理

电源管理系统根据蓄电池的SOC值划分为两种状态，见表2。在状态1的工况下，蓄电池SOC值处于合理的范围，车辆电源管理系统处于关闭工作状态。在状态2的工况下，由于蓄电池SOC值出现设定值以下的情况，电源管理系统就处于工作状态。在音响显示屏上显示“12V蓄电池电量低”，低电量提醒1min之后，电源管理模块主动切断IGN和ACC继电器，并关闭部分车辆用电器负载，用来降低整车用电器用电量，以确保蓄电池电量能满足下次车辆能正常启动。

表2 蓄电池SOC的两种状态

3.2 远程电源管理系统

远程电源管理系统是车辆在长时间不使用停放期间，车辆控制模块处于休眠状态下，电源管理模块通过蓄电池电量传感器读取整车电压和电流值。当采集到车辆电压值低于设定的阈值，系统出现异常情况，电源管理模块会将相关的电量状态信息发送给车联网通信模块，车联网通信模块上报给车联网服务平台，车联网服务平台通过5G网络信号将信息传输给运营商短信平台，运营商短息平台推送短信信息给车主，提醒车主尽快去检查车辆。同时汽车生产厂家技术人员将主动电话与车主联系。另外车主也可用手机客户端自行下载汽车生产厂家的应用软件程序，通过登录APP账号可以随时查询车辆当前状态。

某公司一款SUV远程电源管理系统策略包括低压提醒功能和控制器休眠异常网络报文记录。

低压提醒策略指的是车联网通信模块在休眠模式下，不主动查询上报整车相关信息状态，只有车主通过手机远程操作时才能查询整车电压信息。整车休眠后，车联网通信模块如接收远程指令被唤醒执行如下工作模式转换和电压低预警。

1）上报一次蓄电池预警信息到汽车制造厂家数据管理后台，预警类型：蓄电池电压上报。

2）当电压U≤12V，持续2s，车联网通信模块直接进入休眠状态。

3）当电压U≤11.5V，持续2s，车联网通信模块直接进入休眠状态，并向数据管理后台上报蓄电池预警信息，预警类型：蓄电池电压低，并在客户端提醒客户整车电量低。

4）当电压U≤9V，持续2s，车联网通信模块进入断电模式。

控制器休眠异常网络报文记录指的是车联网通信模块检测到车辆设防后，则启动网络总线不休眠计数器；若总线不休眠计数器计时超过15min，则启动CAN网络报文记录，存储不少于2min的各总线网络报文。同时向汽车生产厂家数据后台上报休眠异常信息，预警类型：15min不休眠预警。保存的CAN数据信息需要在车联网通信模块远程日志提取时同步打包上传。

4 总结

结合某公司开发一款SUV车型项目，通过本文所述内容介绍了蓄电池电量传感器、智能发电机工作原理以及整车电源管理模块对车辆用电器负载的控制策略。汽车电源管理系统已然成为了汽车发展的关键环节，未来将会随着高级辅助驾驶、信息娱乐和车身电气功能的发展，整车的电气集成化程度越来越高。电源管理系统也随之迅猛发展，汽车生产厂家将会通过车联网服务平台实时获取汽车上每个用电器工作状态信息，并具备远程诊断和自动修复故障功能。汽车电源管理系统也将向着数字化和网联化方向不断发展。