基于整车的智能发电机阀值研究

作者：李创举
单位：安徽江淮汽车集团股份有限公司

摘要：随着汽车燃油消耗限值越来越严格，在传统燃油车型应用智能发电机成为必然趋势。智能发电机通过调节发电电压，实现对发电机发电能力的控制。不同的发电电压，不仅影响智能发电机的节油效果，同时影响蓄电池的寿命和车辆的使用性能。文章对智能发电机发电阀值对车辆的影响进行分析，确定合理的发电阀值。

引言
智能发电机已经在传统燃油车辆广泛应用，在由发电机、蓄电池和电气负载构成的整车电源网络中，引入智能发电机后，可通过动态的调节发电机的目标电压，实现节油和提升整车的动力性。智能发电机的目标电压设定与车辆的使用状态，如制动请求、加速请求相关，也与车辆的蓄电池状态和车辆开启的电气负载相关。本文通过对不同工况下的车辆状态进行分析，确定在智能发电机的发电阀值。

1 汽车电源系统原理
1.1 汽车电源系统部件介绍
汽车的电源网络由发电机、蓄电池双电源系统，和电气负载构成。
蓄电池既可作为电源，也可以作为电气负载。在发电机不发电，或者发电机的发电量不足以满足电气负载的用电需求时，蓄电池对外放电；当发电机工作而电气负载小于发电机的发电能力时，蓄电池作为电气负载充电。
发电机在发动机运转时发电，在一定的发动机转速下，发电机的最大发电能力受限与于电机规格，是有一定限度的。
车辆上电能作为驱动的部件均是电气负载，如灯光、雨刮、空调鼓风机、冷却风扇等，整车负载的大小与开启的电气设备种类、数量相关，负载电流一般在0A-200A，如在发动机运行，仅开启近光灯和空调时，整车负载电流约40A，冷却风扇工作时电流约70A，而在起动瞬间可达500A。
1.2 汽车电源系统工作原理
由发电机和蓄电池构成双电源系统和电器负责构成的汽车电源网络的原理框图如下。

    其中：
U1’为发电机的目标电压 U2’为蓄电池的开路电压
U1为发电机的端电压 U2为蓄电池的端电压
I1为发电机的电流 I2为蓄电池的电流（充电为正值，放电为负值）
R1为发电机的等效内阻 R2为蓄电池的等效内阻
图1 电源系统构成

在不考虑导线电压降的情况下，汽车的电源系统满足各参数满足
I1=I2+I3 （1）
U1=U1’-I1R1 （2）
U2=U2’+I2R2 （3）
U1=U2 （4）
发电机在一定转速下所能发出最大电量是有限的，设在一定转速下的最大发电能力为I1’。
发动机起动后，在发动机一定转速下，当负载电流I3<I1’时，发电机向蓄电池充电，充电电流I2与蓄电池的端电压U2、开路电压U2’和蓄电池的充电接收能力相关。随着蓄电池的电量增加，蓄电池的开路电压U2’增加，蓄电池充电电流减小。当蓄电池充满电时，蓄电池仍会消耗能量，在过充电状态下蓄电池出现下面的内部氧循环过程，能量以热量形式散失。
正极产生氧气：2H2O=O2+4H++4e （5）
负极吸收氧气：O2+4H++4e=2H2O （6）
由于发电机内阻的分压，在发电机的开路电压U1’不变的情况下，随发电机电流I1增加，端电压U1会逐渐降低，U2同步降低，蓄电池的充电电流I2逐渐减小，当U1下降到U2’以下时，蓄电池开始放电。
在普通发电机，发电机的目标电压U1’一般设定在14.2V±0.3V，不可调，一般驾驶工况中，电气负载小于发电机的发电能力，蓄电池会持续处于过充电状态。
智能发电机的目标发电电压U1’可调节，可根据整车的工况条件调节目标发电电压，实现控制对蓄电池充放电的控制，当U1’下降使U1<U2’时，蓄电池参与供电。

2 智能发电机阀值设定
智能发电机的工作原理框图如下，主要工作模式分为故障模式，起动优化模式，加速模式，减速模式，智能控制模式。

 图2 智能电机原理框图
2.1 故障模式
智能发电机的电压调节需要整车的信息，如蓄电池电量，发动机负荷等，当发动机控制单元无法获得有效车辆信息，或智能发电机与EMS之间通讯中断时，智能发电机作为普通发电机使用，此时智能发电机的目标电压阀值设定为普通发电机的阀值，一般为14.4V。
2.2 起动优化模式
普通发电机开始发电的时刻由发电机的转速控制，在发动机起动时，在起动机还在拖动过程中，发电机就开始发电，此时发电机会消耗一部分起动机的扭矩，增加起动的难度，也会额外增加蓄电池的电量消耗。
智能发电机可以在发动机起动阶段抑制发电机的发电，在发动机起动成功后再开始发电，发电机的目标电压U1’缓慢增加，避免发动机扭矩发生剧烈变化，提高车辆的舒适性。
在起动优化模块下，智能发电机的目标是发电机不发电，整车需要的电量由蓄电池供应，此时I1=0，,由式（1）（2）（3）（4）知：
U1’=U2’+I2R2 （7）
由于I2<0
U1’<U2’
U2’为蓄电池的开路电压，图3为某型号阀控式铅酸蓄电池的开路电压与电量的曲线，蓄电池电量为10%时对应的电压是11.7V，考虑在此电量下起动时发电机不发电，目标电压阀值应小于11.7V效率，一般可设为为11.5V。

图3 蓄电池开路电压与电量关系

2.3 减速模式
当车辆减速时，在普通发电机车型，发电机的发电电压不变，蓄电池的充电量不变，车辆的动能通过制动盘的摩擦转化为热能散失。在智能发电机车型，当车辆减速时，可通过提高发电机的目标电压U1’,使蓄电池接收更大充电电流，实现制动能量回收。
由式（2）（3）（4）知：
U1’-I1R1=U2’+I2R， （8）
当发电机目标电压提高U1’时，由于蓄电池的开路电压U2’不会立即增加，蓄电池的充电电流增大，制动能量回收的效果与发电机目标电压U1’成正比。
发电机目标电压不是越大越好，目标电压的值主要受限于两方面因素。一是整车上的电气部件工作状态，根据ISO16750-2标准，12V系统电气部件的工作电压范围一般在9V-16V，因此制动能量回收的电压值不能高于16V，同时考虑到发电机的目标电压在实际控制中存在一定范围的波动，智能发电机的目标电压设定要有一定的安全余量，一般设定在15.6V以下。二是蓄电池的充电接收能力，当发电机目标电压高于一定值时，即使提高充电电压也不能提升蓄电池的充电电流。图5为某车型在其他条件相同的情况下，发电机电压与蓄电池充电电流的关系，当发电机电压从15V提高到15.6V后，蓄电池的充电电流没有明显提升。一般可将减速模式下充电电压设定为15V。

图4 某车型充电电压和蓄电池电流关系

2.4 加速模式

当车辆加速时，智能发电机可通过降低发电电压，减小发电机对发动机的扭矩消耗，提升车辆的动力性。理论上，发电机的电压降低到不发电，整车的电量全部由蓄电池供电可获得最大的加速性能，但实际应用中，不仅要考虑动力性，同时要考虑蓄电池的放电能力和寿命。蓄电池在频繁大电流放电时，会严重的影响蓄电池的寿命。以EN 50342标准中70Ah AGM蓄电池起停循环寿命计算，每次放电0.75Ah，循环寿命为12个单元，共计43200次，而在加速过程中，如果蓄电池不发电，以整车电气负载70A，每次加速时间20s计算，每次加速蓄电池放电0.38Ah，相当于0.5个起停循环，会造成蓄电池寿命大大缩短，因此在加速模式以发电机供电为主，目标电压可降低电压到蓄电池参与放电的临界值。

图3型号的阀控式铅酸蓄电池，蓄电池80% SOC时的开路电压是12.85V，考虑让蓄电池在80%SOC以下不参与放电，在80%以上可少量参与放电，发电机的端电压U1大于蓄电池的开路电压12.85V，在加速模式可将发电机目标电压设定为13V。

2.5 智能控制模式

蓄电池作为车辆的电源，除了稳压和对发电机供电进行补充作用外，更重要的作用是在起动发动机，为了保证车辆的起动性能，蓄电池在车辆停车时要有充足的电量。同时，蓄电池长期处于亏电状态，会造成极板硫酸盐化，加速蓄电池的老化，也需要蓄电池保持充足电量。在整车设计时，需要保证车辆在停放了一个月甚至更长的时间后，车辆能够正常起动，一般需要蓄电池的电量保持在80%以上。

在智能控制模式下，发电机根据蓄电池的电量，温度，车辆的速度、发动机的效率等信息，对目标电压进行动态调节。基于蓄电池电量要保持在80%以上，智能控制模式根据蓄电池电量分为大电流充电模式和浮充模式。当蓄电池电量低于一定阀值时，发电机以较高电压充电，一般以普通发电机相当的14.4V充电，目的是快速将蓄电池电量提升到80%以上。当电量高于阀值，蓄电池进入浮充模式，发电机目标电压U1’降低到一个较低的值，使蓄电池处于充放电的临界状态。下面主要对浮充模式的目标电压和蓄电池电量阀值进行研究。

2.5.1 浮充模式电压阀值
以图3的铅酸蓄电池为例，蓄电池电量SOC 80%对应的开路电压U2’是12.85V，SOC 90%对应的开路电压U2’是12.98V，要保证蓄电池电量80%时蓄电池不放电，发电机的目标电压需大于12.85V，分别对浮充模式发电机目标电压13V和13.1V进行测试。