传统汽车发电机的智能化控制及改造
孔伟伟, 杨殿阁, 李兵, 连小珉
清华大学 汽车工程系, 汽车安全与节能国家重点实验室, 北京 100084
连小珉, 教授, E-mail:lianxm@tsinghua.edu.cn

作者简介: 孔伟伟(1987—), 女(汉), 河南, 博士研究生。

摘要

传统汽车发电机无法进行实时在线的电压调节和智能化控制。该文通过分析传统燃油汽车发电机工作时存在的问题,对传统汽车发电机进行智能化改造,制定了发电机多种工作模式,并结合蓄电池电量及汽车运行状态设计了发电机智能化控制策略,实现了实时在线对发电机输出电压的调节,并通过台架试验和实车试验验证了该智能化控制的可行性和有效性。实车模拟城市工况的试验结果表明: 该发电机智能化控制策略可实现制动能量回收,降低车辆燃油消耗3.7%。

关键词: 汽车发电机; 发电机控制; 智能化控制; 制动能量回收
中图分类号:U27 文献标志码:A 文章编号:1000-0054(2014)06-0738-06
Intelligent control and reformation for conventional automotive generators
Weiwei KONG, Diange YANG, Bing LI, Xiaomin LIAN
State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy, Department of Automotive Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract

Conventional automotive generators do not provide voltage regulation or intelligent control in real time. This paper analyzes intelligent control and multiple working modes for generators. The control system integrates the battery energy and vehicle state to improve generator voltage control in traditional fueled vehicles with reformation. Bench tests and tests on sample vehicles verify the system effectiveness for real-time online adjustments of the generator output voltage and braking energy recovery. The test results show that this intelligent control strategy reduces fuel consumption by 3.7%.

Keyword: automotive generator; generator control; intellectualized control; braking energy recovery

随着近年来汽车电子和总线技术的飞速发展,越来越多的娱乐性、舒适性电器应用到汽车上[1,2], 使得汽车的功率需求越来越大,因此对汽车电源系统的性能要求也逐渐提高[3]。发电机是汽车电源系统的电能来源,研究发电机智能化控制技术,实现发电机输出电压实时在线可控可调,是汽车电子技术和电源系统发展的重要需求; 汽车的能耗和排放随着功率需求的增加而增多,在节能和环保问题备受关注的今天,如何通过发电机智能化控制提高汽车能源利用率具有重要的现实意义[4,5]

目前,汽车上的发电机多为励磁式发电机,其输出电压由电压调节器控制。传统的发电机调节器原理决定了其输出电压值一般为固定值,并且只要发动机开始运行,发电机也一直处于发电工作状态,无法进行调节。然而,当电池电量充足且负载较小时,发电机完全可以停止发电以节省一定的能耗,同时保护蓄电池防止过充。另外,由于传统发电机无法进行智能化控制,当然也无法进行制动能量回收等节能控制。

为了实现对发电机的智能控制,国外对其展开了研究。Bosch公司开发的智能发电机[6], 可进行LIN总线通讯,上位控制器可通过LIN总线信息实时控制发电机的输出电压。宝马公司开发的发电机智能调节器[7]也具备相同的功能。另外,其系统中的发电机还配有离合装置,在发电机不需要发电时可以通过离合断开与发动机的动力连接,进一步降低其转动时机械摩擦带来的能量损失。通用公司在林荫大道轿车上采用了电源管理系统[8], 该系统中发动机控制模块输出脉宽调制信号,通过对磁场电流占空比的调节,实现发电机励磁电流的调节,从而控制其输出电压。丰田汽车公司推出的雷克萨斯LS430轿车,其系统对发电机励磁电流占空比的调节频率为150 Hz, 且调节范围更大,磁场平均电流可从0 A调节到8 A[9]

可见,国外各大车企致力于发电机智能控制技术的研究,纷纷推出相关智能管理系统,应用于一些高端车型。其技术方法为本文的研究提供了有力的基础,但国外的管理系统均需要对原车作较大的改动,如改变发动机控制单元等,因此相关产品成本高昂,未能在更普及的中低端车辆上应用。另外,目前的汽车电源管理技术主要掌握在外国企业手中,国内在此方面的技术仍然缺乏。针对此问题,本文研究汽车发电机的智能化控制技术,并开发智能控制系统,以实现发电机工作状态和输出电压的实时在线调节; 结合蓄电池和车辆运行状态控制发电机工作模式,有效保护蓄电池,实现制动能量回收[10], 从而减少汽车能量消耗。

1 传统汽车发电机智能化需求

根据汽车电气系统的工作特点,对发电机的控制需要满足以下要求:

1) 稳压。汽车电器中许多电子设备对电压波动较为敏感。因此,发电机的电压波动不能过大,以避免电压冲击对敏感电子器件造成的破坏,一般要求发电机电压波动幅值小于0.1 V。

2) 电压调节。传统发电机的输出电压基本固定,不能在不同条件下得到最优性能。智能发电机需要针对不同的车辆和蓄电池状态进行电压的自动调节,如蓄电池亏电时调高电压进行快速充电,制动或下坡时提高发电机功率回收能量等。

3) 节能。在满足汽车电器使用需求和安全的条件下,尽可能地节约燃料。改变发电机工作模式,提高发电机工作效率; 利用制动或下坡时回收能量到蓄电池中; 当蓄电池电量充足时,关闭发电机利用回收得到的能量供电,以减少能耗。

2 传统汽车发电机的智能化控制
2.1 智能发电机的工作模式

本文设计智能发电机的多工作模式。根据发电机智能化控制需求,智能发电机主要有以下基本工作模式:

1) 正常模式。与传统的发电机相同的工作模式,发电机正常发电,标准温度(25 ℃)下的发电电压为 UN

2) 快充模式。当蓄电池亏电时,提高发电机的输出电压,对蓄电池进行快速充电,标准温度下的快

充电压为 UH

3) 回收模式。当车辆制动或下坡时,提高发电机的输出电压,增大能量回收功率,标准温度下的回收电压为 UR

4) 浮充模式。当进行能量回收时,若蓄电池已充满,则使蓄电池保持浮充状态,标准温度下的浮充电压为 UF

5) 低压模式。当汽车进行加速或上坡等需要较大动力输出时,调低发电机输出电压,标准温度下的低压为 UL

6) 关闭模式。在必要时切断发电机的励磁,停止发电,发电机处于关闭状态,以降低燃料消耗。

在上述的发电机不同工作模式中,其发电电压值均为标准温度下的电压值。实际工作时,可根据需要对其进行温度补偿,温度补偿公式如式(1)所示[10],

FT(U)=U-kT(T-T0).(1)

其中: U为标准温度下的充电电压; FT( U)为温度 T时的修正电压; T0为标准温度,取25 ℃; kT为温度修正系数,根据试验标定为0 .024 V/℃。

2.2 发电机的智能化控制策略

发电机的智能化控制策略,是根据车辆运行状态和蓄电池电量状态,控制发电机以最适当的工作模式运行,以达到最优性能。因此,蓄电池电量状态[11,12](state of charge, SoC)和车辆运行状态是实现发电机智能化控制的基础。

2.2.1 蓄电池电量状态分区

根据蓄电池电量多少对蓄电池进行状态分区,图1所示为根据SoC进行区间划分的结果。蓄电池电量按SoC大小划分为4个区间,分别为回收区 SR、 循环区 SC、 保留区 SP, 以及亏电区 SL。划分方式如式(2)所示。

SBSL,SoCSoCL;SP,SoCL<SoCSoCP;SC,SoCP<SoCSoCC;SR,SoCC<SoC<1.2

其中: 亏电区电量为供汽车起动的电量,当蓄电池SoC处于亏电区时需要及时补充电量; 保留区电量为供汽车停车时电器使用及车辆静态电流消耗用电,因此保留区的电量也应该尽量保证; 回收区是供存储回收的制动能量的空间,因此这部分电量应尽量空出; 循环区是保留区和回收区之间的过渡区间,一般情况下使蓄电池电量位于此区间。

除了上述4种状态外,蓄电池电量状态还包括电池充满时的已充满状态(SoC =1), 以及系统初始化时的未确定状态。

2.2.2 车辆运行状态

车辆运行状态主要分为以下5种:

1) 起动: 发动机起动过程中;

2) 匀速: 车辆匀速行驶,其中发动机怠速状态可作为一种特殊的匀速状态;

3) 加速: 车辆加速行驶过程;

4) 制动: 车辆减速制动过程;

5) 熄火: 指汽车熄火,发动机不运转时的状态,不包含怠速状态。

2.2.3 发电机智能控制策略

蓄电池电量状态与车辆运行状态组合得到一个2维状态空间,发电机的控制策略即是针对该状态空间中的每个状态选择最优的发电机工作模式。因此,可以得到发电机控制策略矩阵,如表1所示。

表1 发电机控制策略矩阵

表1中,第1行为车辆运行状态,第1列为蓄电池电量状态,两者的组合状态栏对应的即为发电机的工作模式。

当发动机起动时,为了不增加起动负载,发电机处于关闭模式,使蓄电池完全用于汽车起动用电。

当车辆处于制动状态时,只要蓄电池电量未满就将发电机置于回收模式,用较大功率利用制动能量为蓄电池充电; 在蓄电池充满时则变为浮充模式以保护蓄电池。

在加速状态下,为提高动力系统的功率分配,在蓄电池电量充足时关闭发电机; 而当蓄电池电量在保留区和亏电区时分别按浮充和快充模式进行充电; 电量不确定的情况下也按浮充模式充电。

在车辆匀速运行时,电量处于回收区以上时,关闭发电机使电池放电,为回收能量留出空间; 处于保留区或不确定时发电机按正常发电模式工作; 在亏电区内发电机按快充模式充电,即适当提高发电机输出电压,为蓄电池恒压充电,为了减少对电池寿命的影响,充电电压不能过高,一般不高于15 V; 而在循环区时,发电机则处于正常和关闭2种模式循环工作,当电池电量达到循环区上限时,由正常模式切换为关闭模式,当电量达到循环区下限时由关闭模式切换为正常发电模式。

3 发电机的智能化改造

发电机的智能化改造包括两部分工作: 1) 改造发电机的励磁电路以实现对不同工作模式的控制, 2) 通过控制器实现发电机智能化控制策略。

3.1 发电机的励磁控制

在传统发电机的基础上增加励磁智能控制模块,取代原发电机调节器对励磁电流进行控制,从而实现发电机的不同工作模式切换。该励磁控制原理示意图如图2所示。

图2所示,发电机的发电部分和其励磁线圈与原发电机系统一致,将原调节器部分替换为新的励磁控制电路,主要包括电压采集和电压比较模块,以及一个控制励磁回路通断的三极管。其中: 电压采集模块实时采集发电机的输出电压即 B点电压,将电压反馈至上位控制器,同时送到电压比较模块; 电压比较模块将反馈电压与上位机输出的参考电压进行比较,根据比较结果驱动三极管控制 F点电压,实现励磁回路的通断。上位机通过控制参考电压大小,就可以实现发电机输出电压的控制,从而实现发电机不同的发电工作模式; 当将参考电压设定为很小的值时(如0 V), 由于发电机输出端与蓄电池相连,因而反馈电压总是高于参考电压,励磁回路始终断开,励磁电流为0, 发电机就处于关闭模式。

通过对发电机的励磁控制实现了多种工作模式的调节和切换,这种单纯电控的控制方式未改变发电机与发动机之间的机械连接和工作状态,因此发电机在切换过程中不会对发动机的正常工作造成影响。

3.2 发电机的控制系统

发电机控制系统如图3所示,包括电池状态感知模块、车辆状态感知模块、计算模块,以及励磁控制模块。其中,电池状态感知模块通过传感器获得蓄电池相关参数估计蓄电池的电量状态; 车辆状态感知模块通过发动机ECU(engine control unit)等车辆控制器进行通讯,获得车辆的当前运行状态; 计算模块根据电池状态感知模块和车辆状态感知模块获得蓄电池和车辆状态信息,根据发电机控制策略决定发电机的工作模式,输出参考电压至励磁控制模块; 励磁控制模块即第3.1中介绍的发电机励磁控制电路,励磁控制模块直接连接到发电机的供电输出端和励磁线圈,根据计算模块输出的参考电压控制发电机的工作模式。

4 试验及结果
4.1 发电机电压控制试验

发电机电压控制试验在试验台上进行。一台可调速电动机模拟发动机带动发电机,转速由计算机进行控制; 放电仪模拟汽车电器,其负载大小通过计算机进行调节控制。

4.1.1 稳压试验

设置控制器程序控制发电机输出电压为14 V, 改变发电机转速,采集发电机输出电压及电动机转速变化曲线如图4所示。

图4 变转速条件下发电机电压控制

图4所示,电动机转速(虚线)从270 r/min增加到1 400 r/min再下降到270 r/min(对应于发电机转速变化范围约为1 800~9 500 r/min, 相当于汽车发动机800~4 000 r/min), 发电机电压(实线)基本保持不变,其最大、最小值分别为14.06 V和14.03 V, 与目标值14 V相比,最大控制误差为0.06 V。如图5所示,观察电压曲线细节,其电压波纹幅值平均约为0.01 V, 最大波动不超过0.02 V。

变负载条件下的发电机电压控制如图6所示,负载(虚线)由0上升到50 A, 再下降到0, 可以看到发电机电压(实线)始终保持在14 V左右,电压最大值为14.01 V, 最小值为13.98 V, 电压波纹幅值小于0.01 V。

图6 变负载条件下发电机电压控制

根据上述试验,在发电机转速和负载变化的情况下,控制系统能准确地控制发电机稳定输出,电压波动幅值控制在0.1 V以内,达到了第1节描述的发电机智能化需求中的稳压需求。

4.1.2 电压调节

控制转速与负载不变,设定不同电压值,电压控制结果如表2所示。

表2 不同设定电压下发电机电压数据

可见,在13.0~15.5 V范围内,控制器均能够较为准确地控制发电机输出电压值,其最大误差值不超过0.1 V, 电压波纹幅值小于0.02 V。

4.2 燃油消耗试验

在某样车上安装该发电机控制系统模拟城市工况,进行智能发电机的燃油消耗试验。通过软件控制既可使该样车实现智能工作,也可还原传统发电机的固定电压工作方式。

试验工况: 沿试验场对角方向往复变速行驶,首先原地起步加速至约50 km/h, 减速调头,怠速10 s后,加速至20 km/h调头,如此往复循环。分别对智能发电机和传统发电机进行对比测试,测试

结果如图7所示,测试数据对比分析如表3所示。

图7 智能发电机和传统发电机对比测试结果

表3 油耗测试数据对比

图7c可以看到,测试中包含部分制动工况,统计制动时间约占8.9%。对比智能发电机系统和传统发电机的油耗结果(图7a和7d,表3), 平均每100 km节油0.41 L, 节油比约3.7%。

5 结 论

本文分析了传统燃油汽车发电机工作时存在的问题,指出相应的发电机智能化需求,并制定了发电机多种工作模式,结合蓄电池电量及汽车运行状态设计了发电机智能化控制策略。此外,本文完成了对发电机的智能化改造与开发,通过台架实验证明了智能发电机能够准确地实现对输出电压的实时在线控制,在不同转速、负载、电压设定值下,电压控制误差均不超过0.1 V, 电压波纹幅值小于0.02 V。实车试验结果表明,该发电机智能化控制策略实现了制动能量回收,降低车辆燃油消耗3.7%。

The authors have declared that no competing interests exist.

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