1 汽車電源系統(tǒng)原理

   1.1 汽車電源系統(tǒng)部件介紹

汽車的電源網(wǎng)絡由發(fā)電機、蓄電池雙電源系統(tǒng)，和電氣負載構成。

蓄電池既可作為電源，也可以作為電氣負載。在發(fā)電機不發(fā)電，或者發(fā)電機的發(fā)電量不足以滿足電氣負載的用電需求時，蓄電池對外放電；當發(fā)電機工作而電氣負載小于發(fā)電機的發(fā)電能力時，蓄電池作為電氣負載充電。

發(fā)電機在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時發(fā)電，在一定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機的最大發(fā)電能力受限與于電機規(guī)格，是有一定限度的。

車輛上電能作為驅(qū)動的部件均是電氣負載，如燈光、雨刮、空調(diào)鼓風機、冷卻風扇等，整車負載的大小與開啟的電氣設備種類、數(shù)量相關，負載電流一般在0A-200A，如在發(fā)動機運行，僅開啟近光燈和空調(diào)時，整車負載電流約40A，冷卻風扇工作時電流約70A，而在起動瞬間可達500A。

1.2 汽車電源系統(tǒng)工作原理

由發(fā)電機和蓄電池構成雙電源系統(tǒng)和電器負責構成的汽車電源網(wǎng)絡的原理框圖如下。

    其中：

U₁’為發(fā)電機的目標電壓  U₂’為蓄電池的開路電壓

U₁為發(fā)電機的端電壓      U₂為蓄電池的端電壓

I₁為發(fā)電機的電流         I₂為蓄電池的電流（充電為正值，放電為負值）

R₁為發(fā)電機的等效內(nèi)阻    R₂為蓄電池的等效內(nèi)阻

圖1  電源系統(tǒng)構成

在不考慮導線電壓降的情況下，汽車的電源系統(tǒng)滿足各參數(shù)滿足

I₁=I₂+I₃                               （1）

U₁=U₁’-I₁R₁                              （2）

U₂=U₂’+I₂R₂                           （3）

U₁=U₂                                 （4）

發(fā)電機在一定轉(zhuǎn)速下所能發(fā)出最大電量是有限的，設在一定轉(zhuǎn)速下的最大發(fā)電能力為I₁’。

發(fā)動機起動后，在發(fā)動機一定轉(zhuǎn)速下，當負載電流I₃<I₁’時，發(fā)電機向蓄電池充電，充電電流I₂與蓄電池的端電壓U₂、開路電壓U₂’和蓄電池的充電接收能力相關。隨著蓄電池的電量增加，蓄電池的開路電壓U₂’增加，蓄電池充電電流減小。當蓄電池充滿電時，蓄電池仍會消耗能量，在過充電狀態(tài)下蓄電池出現(xiàn)下面的內(nèi)部氧循環(huán)過程，能量以熱量形式散失。

正極產(chǎn)生氧氣：2H₂O=O₂+4H⁺+4e               （5）

負極吸收氧氣：O₂+4H⁺+4e=2H₂O               （6）

由于發(fā)電機內(nèi)阻的分壓，在發(fā)電機的開路電壓U₁’不變的情況下，隨發(fā)電機電流I₁增加，端電壓U₁會逐漸降低，U₂同步降低，蓄電池的充電電流I₂逐漸減小，當U₁下降到U₂’以下時，蓄電池開始放電。

在普通發(fā)電機，發(fā)電機的目標電壓U₁’一般設定在14.2V±0.3V，不可調(diào)，一般駕駛工況中，電氣負載小于發(fā)電機的發(fā)電能力，蓄電池會持續(xù)處于過充電狀態(tài)。

智能發(fā)電機的目標發(fā)電電壓U₁’可調(diào)節(jié)，可根據(jù)整車的工況條件調(diào)節(jié)目標發(fā)電電壓，實現(xiàn)控制對蓄電池充放電的控制，當U₁’下降使U₁<U₂’時，蓄電池參與供電。

2 智能發(fā)電機閥值設定    

智能發(fā)電機的工作原理框圖如下，主要工作模式分為故障模式，起動優(yōu)化模式，加速模式，減速模式，智能控制模式。

 圖2  智能電機原理框圖

    2.1 故障模式

智能發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)需要整車的信息，如蓄電池電量，發(fā)動機負荷等，當發(fā)動機控制單元無法獲得有效車輛信息，或智能發(fā)電機與EMS之間通訊中斷時，智能發(fā)電機作為普通發(fā)電機使用，此時智能發(fā)電機的目標電壓閥值設定為普通發(fā)電機的閥值，一般為14.4V。

2.2 起動優(yōu)化模式

普通發(fā)電機開始發(fā)電的時刻由發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制，在發(fā)動機起動時，在起動機還在拖動過程中，發(fā)電機就開始發(fā)電，此時發(fā)電機會消耗一部分起動機的扭矩，增加起動的難度，也會額外增加蓄電池的電量消耗。

智能發(fā)電機可以在發(fā)動機起動階段抑制發(fā)電機的發(fā)電，在發(fā)動機起動成功后再開始發(fā)電，發(fā)電機的目標電壓U₁’緩慢增加，避免發(fā)動機扭矩發(fā)生劇烈變化，提高車輛的舒適性。

在起動優(yōu)化模塊下，智能發(fā)電機的目標是發(fā)電機不發(fā)電，整車需要的電量由蓄電池供應，此時I₁=0，,由式（1）（2）（3）（4）知：

U₁’=U₂’+I₂R₂                    （7）

由于I₂<0

U₁’<U₂’

U₂’為蓄電池的開路電壓，圖3為某型號閥控式鉛酸蓄電池的開路電壓與電量的曲線，蓄電池電量為10%時對應的電壓是11.7V，考慮在此電量下起動時發(fā)電機不發(fā)電，目標電壓閥值應小于11.7V效率，一般可設為為11.5V。

圖3  蓄電池開路電壓與電量關系

    2.3 減速模式

當車輛減速時，在普通發(fā)電機車型，發(fā)電機的發(fā)電電壓不變，蓄電池的充電量不變，車輛的動能通過制動盤的摩擦轉(zhuǎn)化為熱能散失。在智能發(fā)電機車型，當車輛減速時，可通過提高發(fā)電機的目標電壓U₁’,使蓄電池接收更大充電電流，實現(xiàn)制動能量回收。

由式（2）（3）（4）知：

U₁’-I₁R₁=U₂’+I₂R，                    （8）

當發(fā)電機目標電壓提高U₁’時，由于蓄電池的開路電壓U₂’不會立即增加，蓄電池的充電電流增大，制動能量回收的效果與發(fā)電機目標電壓U₁’成正比。

發(fā)電機目標電壓不是越大越好，目標電壓的值主要受限于兩方面因素。一是整車上的電氣部件工作狀態(tài)，根據(jù)ISO16750-2標準，12V系統(tǒng)電氣部件的工作電壓范圍一般在9V-16V，因此制動能量回收的電壓值不能高于16V，同時考慮到發(fā)電機的目標電壓在實際控制中存在一定范圍的波動，智能發(fā)電機的目標電壓設定要有一定的安全余量，一般設定在15.6V以下。二是蓄電池的充電接收能力，當發(fā)電機目標電壓高于一定值時，即使提高充電電壓也不能提升蓄電池的充電電流。圖5為某車型在其他條件相同的情況下，發(fā)電機電壓與蓄電池充電電流的關系，當發(fā)電機電壓從15V提高到15.6V后，蓄電池的充電電流沒有明顯提升。一般可將減速模式下充電電壓設定為15V。

圖4  某車型充電電壓和蓄電池電流關系

    2.4 加速模式

當車輛加速時，智能發(fā)電機可通過降低發(fā)電電壓，減小發(fā)電機對發(fā)動機的扭矩消耗，提升車輛的動力性。理論上，發(fā)電機的電壓降低到不發(fā)電，整車的電量全部由蓄電池供電可獲得最大的加速性能，但實際應用中，不僅要考慮動力性，同時要考慮蓄電池的放電能力和壽命。蓄電池在頻繁大電流放電時，會嚴重的影響蓄電池的壽命。以EN 50342標準中70Ah AGM蓄電池起停循環(huán)壽命計算，每次放電0.75Ah，循環(huán)壽命為12個單元，共計43200次，而在加速過程中，如果蓄電池不發(fā)電，以整車電氣負載70A，每次加速時間20s計算，每次加速蓄電池放電0.38Ah，相當于0.5個起停循環(huán)，會造成蓄電池壽命大大縮短，因此在加速模式以發(fā)電機供電為主，目標電壓可降低電壓到蓄電池參與放電的臨界值。

圖3型號的閥控式鉛酸蓄電池，蓄電池80% SOC時的開路電壓是12.85V，考慮讓蓄電池在80%SOC以下不參與放電，在80%以上可少量參與放電，發(fā)電機的端電壓U₁大于蓄電池的開路電壓12.85V，在加速模式可將發(fā)電機目標電壓設定為13V。

2.5 智能控制模式

蓄電池作為車輛的電源，除了穩(wěn)壓和對發(fā)電機供電進行補充作用外，更重要的作用是在起動發(fā)動機，為了保證車輛的起動性能，蓄電池在車輛停車時要有充足的電量。同時，蓄電池長期處于虧電狀態(tài)，會造成極板硫酸鹽化，加速蓄電池的老化，也需要蓄電池保持充足電量。在整車設計時，需要保證車輛在停放了一個月甚至更長的時間后，車輛能夠正常起動，一般需要蓄電池的電量保持在80%以上。

在智能控制模式下，發(fā)電機根據(jù)蓄電池的電量，溫度，車輛的速度、發(fā)動機的效率等信息，對目標電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)。基于蓄電池電量要保持在80%以上，智能控制模式根據(jù)蓄電池電量分為大電流充電模式和浮充模式。當蓄電池電量低于一定閥值時，發(fā)電機以較高電壓充電，一般以普通發(fā)電機相當?shù)?4.4V充電，目的是快速將蓄電池電量提升到80%以上。當電量高于閥值，蓄電池進入浮充模式，發(fā)電機目標電壓U₁’降低到一個較低的值，使蓄電池處于充放電的臨界狀態(tài)。下面主要對浮充模式的目標電壓和蓄電池電量閥值進行研究。

2.5.1 浮充模式電壓閥值

以圖3的鉛酸蓄電池為例，蓄電池電量SOC 80%對應的開路電壓U₂’是12.85V，SOC 90%對應的開路電壓U₂’是12.98V，要保證蓄電池電量80%時蓄電池不放電，發(fā)電機的目標電壓需大于12.85V，分別對浮充模式發(fā)電機目標電壓13V和13.1V進行測試。

發(fā)電機目標電壓13V，開啟近光燈和空調(diào)，整車電氣負載電流約42A，發(fā)電機端電壓12.78V，蓄電池電量大于80%時，蓄電池參與放電，直到蓄電池電量降低到了約80%，因此整車蓄電池電量會長期處于80%以下，即使因為制動能量回收電量高于80%，也會很快放電到80%以下。

圖5  目標電壓13V時蓄電池電流與電量關系

 圖6  目標電壓13.1V時蓄電池電流與電量關系

  發(fā)電機目標電壓13.1V，開啟近光燈和空調(diào)，整車電氣負載電流約42A，發(fā)電機端電壓12.89V，蓄電池電量和電流關系如圖6，蓄電池處于充放電臨界狀態(tài)，可保持蓄電池電量穩(wěn)定。

因此在浮充模式，發(fā)電機目標電壓可設為13.1V。

2.6 浮充模式蓄電池電量閥值

在智能發(fā)電機應用中，除減速模式智能能量回收外，節(jié)能主要是體現(xiàn)浮充模式，蓄電池電量閥值越低，越容易進入浮充模式，從節(jié)能的角度考慮，進入浮充的電量閥值越低越好。考慮到在車輛停車時，期望蓄電池電量大于80%。對蓄電池電量閥值70%進行研究。

在蓄電池電量70%時進入浮充模式，發(fā)電機目標電壓13.1V，開啟大燈和空調(diào)，整車電氣負載電流約40A，持續(xù)跟蹤2小時，蓄電池電量變化如下。

 圖7  目標電壓13.1V時蓄電池隨時間變化

蓄電池電量SOC 70%時，在目標電壓13.1V充電2小時，蓄電池電量僅增加1%，整車失去了對蓄電池持續(xù)充電能力，蓄電池電量無法達到80%以上。

進入浮充模式后，蓄電池處于充放電的臨界狀態(tài)，為保證在停車時蓄電池電量在80%以上，進入浮充模式的蓄電池電量閥值設定為80%。

3 總結

本文對智能發(fā)電機不同工作模式下，發(fā)電電壓對整車的影響進行分析，確定智能發(fā)電機的發(fā)電閥值，使智能發(fā)電機在實現(xiàn)節(jié)能的同時，對整車性能的影響降低最低，實現(xiàn)節(jié)能和使用性能的平衡。