CN101279597A - 一种汽车单电源控制系统 - Google Patents

Abstract

一种汽车单电源控制系统，该系统包括数据采集模块和电源管理模块，数据模块对蓄电池参数进行监测，并将蓄电池的状态参数通过LIN总线实时地发送给电源管理模块，电源管理模块根据接受到的蓄电池的状态参数，根据自身的控制算法判断蓄电池的状况，并切断汽车上相应的用电器，该单电源控制系统能在汽车处于停车未点火状态和行驶状态时对电源进行管理。

Description

一种汽车单电源控制系统

技术领域

本发明涉及一种汽车的单电源控制系统，可以实现蓄电池对负载的智能控制，确保车辆各种功能的可用性和启动能力，保证电池能量的合理利用。

背景技术

随着技术的发展、人们生活水平的提高，对汽车安全性和舒适性的要求也越来越高，伴随而来的是大量用电设备的增加，各种高档配置越来越多。这样便对整车电气系统提出了更高的要求，据统计目前5辆发生故障的车中就有一辆是由于蓄电池原因造成的。在未来的几年中随着drive-by-wire技术以及混合动力车辆的普及这种情况将变得更加严峻，因此提供一种安全有效的汽车电源管理方案势在必行。

发明内容

本发明的目的是提供一汽车单电源控制系统，确保车辆各种功能的可用性和启动能力，保证电源能量的合理使用，特别是在电源能量不足的时候，能够对电源能量进行合理的分配，从而保障汽车的安全性。

单电源控制系统通过精确监测蓄电池的电压，电流和温度，利用自身的控制算法来判断蓄电池的状况，并切断整车上相应的不同优先等级的用电器，在负载用电需求和蓄电池供电能力间建立平衡。此控制系统可以大大提高整车的可靠性和智能化程度。

本发明提供一种汽车单电源控制系统，该系统包括数据采集模块和电源管理模块，数据模块对蓄电池参数进行监测，并将蓄电池的状态参数通过LIN总线实时地发送给电源管理模块，电源管理模块根据接受到的蓄电池的状态参数，根据自身的控制算法判断蓄电池的状况，并切断汽车上相应的用电器，该单电源控制系统能在汽车处于停车未点火状态和行驶状态时对电源进行管理，其特征在于：在汽车处于停车未点火时，在电源管理模块根据蓄电池的荷电量(SOC)选择是否断开负载；在汽车处于行驶状态时，电源管理模块将蓄电池划分为四个电池保护级别，分别是BPL0、BPL1、BPL2和BPL3，同时电源管理模块将汽车中的负载按照使用优先级进行分组，使各组负载与所述的四个电池保护级别相对应，当蓄电池处于不同的保护级别时，切断与该电池保护级别相对应的负载。

在该汽车单电源控制系统中，汽车处于停车未点火状态时，当数据采集模块检测到

a、静态电流高于2A的时间超过100秒

b、静态电流高于200mA的时间超过600秒

c、电压低于11.7V的时间超过20秒

d、蓄电池荷电量低于额定电量(SOClow)

四种情况之一时，电源管理模块切断全部负载。

在该汽车单电源控制系统中，汽车处于停车未点火状态时，控制系统以循环检测的方式对蓄电池电流参数、电压参数和温度参数进行采样，采样周期为1秒，每次采样之后，控制系统进入睡眠状态，等到下一周期重新唤醒，并继续进行采样。

在该汽车单电源控制系统中，当放电电流超过10A的时间超过5秒时，BPL0出现，当放电电流低于0.01A的时间超过5秒时，BPL0消失；电压下降时，当蓄电池电压低于13V的时间超过5秒时，BPL1出现，当蓄电池电压低于12.5V时间超过5秒时，BPL2出现，蓄电池的电压回升时，当电池电压高于13V时间超过5秒时，BPL2消失，当电池电压高于14.2V时间超过5秒时，BPL1消失；BPL3与蓄电池的荷电量有关，当荷电量小于50％的时间超过5秒时，BPL3出现，当荷电量大于70％的时间超过5秒时，BPL3消失。

在该汽车单电源控制系统中，电池保护级出现或消失后，该电池保护级别对应组中的负载关闭或开启，根据其优先级不同，该组中的各个负载逐一地延时关闭或开启，而不是同时关闭或开启。

在该汽车单电源控制系统中，还包括对蓄电池的充电控制，发动机开始运转后即启动动态管理，当蓄电池的荷电量低于额定电量(SOClow)时，终止蓄电池对外放电，并激励发电机，使发电机对蓄电池充电；当蓄电池的实际电量达到额定电量的100％五分钟后，降低发电机功率，使其发电功率与负载的用电功率持平。

在该汽车单电源控制系统中，该系统通过CAN通讯接口与其它控制系统进行实时高速数据交换。

在该汽车单电源控制系统中，该系统通过内部信号接口检测信号并且对没有独立控制器的负载发送断电信号，将所述负载按组关闭。

单电源控制系统始终以安全性作为第一要点，行驶性作为第二要点，同时考虑人性化设计。

发电机、蓄电池正常工作，且蓄电池电压高于13V时，整车所有用电器均可正常工作，不受限制；

1、当由于长期怠速或发电机故障，使得蓄电池亏电较严重，将会影响车辆的安全行驶，这时通过限制优先等级最低的用电器工作，以保证车辆安全行驶，同时在关闭前与驾驶员进行信息交互，在征得驾驶员确认后才能执行。

2、当供电状况进一步恶化，通过限制中级用电器的使用，以此保障车辆短时间行驶并提示维修。同时在关闭前与驾驶员进行信息交互，在征得驾驶员确认后才能执行。

3、对于突发性的电源线路故障，在蓄电池正极输出端均设置过电流保护装置，以保护整个电路安全，避免线束过热产生危险；

4、以最优的方式对蓄电池进行充电以改善电池的循环寿命，包括以合适的电压、防止长时间过充等；

5、电源控制系统具有诊断功能，便于对故障进行分析、记忆；

6、电源控制系统可与整车进行信息交互，便于信息传输、显示、自动快速反应，同时能让驾驶者更好的了解整车的状况并做出正确的判断。

附图说明

图1是本发明的电源控制系统框图；

图2是本发明的静态电流管理框图；

图3是本发明的汽车行驶时电池安全性控制过程；

图4是本发明的信号接口框图。

具体实施方式

图1是本发明的电源控制系统框图，如图1所示，单电源控制系统主要由两部分组成，一个是数据采集模块，另一个是电源管理模块。数据采集模块主要是电池参数的监测，它将蓄电池的状态参数通过LIN总线实时发送给电源管理模块，包括蓄电池电压、电流和温度。电源管理模块根据接收到的蓄电池电压、电流和温度，利用自身的控制算法来判断蓄电池的状况，并切断相应整车上的不同优先等级的用电器，来保证整车的安全行驶及整车的启动。对具有独立控制器的用电设备，电源管理模块通过CAN信息桢发送控制命令，对不具有独立控制器的用电设备，电源管理模块通过驱动继电器或其它开关器件控制设备开断。

数据采集

数据的准确监测是电源控制系统的基础，所有的控制过程都是建立在这个基础上，因此，在电路设计时应尽量提高监测精度，选用性价比最合适的传感器。

(1)电流检测  电流检测包括汽车行驶时电池的充放电电流，以及汽车停止时的静态放电电流。

(2)电压检测  电压检测是指检测电池正负极之间的电压，本系统所检测的汽车蓄电池为额定电压为12V的铅酸蓄电池。

(3)温度检测  温度检测是指检测蓄电池的外表温度(根据蓄电池在汽车上的安装情况，确定一个可能的最高温度点，将检测到的这个点的温度看成是电池温度)而不是内部化学部分的温度。

电源管理

电源管理模块是电源控制系统的核心，它的功能也是电源控制系统的意义所在。这个模块将在数据采集模块的基础上，对电池所剩的电能做出估计，并根据所剩电能的多少，对车内的用电设备做出电能分配。它包括SOC(电池的荷电量)和SOH(健康状况)估计、静态电流管理、汽车行驶时的电能安全性控制、以及电池的动态管理几个部分。

(1)SOC、SOH估计

系统将结合电池厂商给的电池的参数，根据检测到的电池电压、电流、温度，对电池的荷电量(SOC)、健康状况(SOH)做出判断。SOC的估计可以事先在存储器里做好电池状态参数表，通过查表，结合电流累积法，对SOC做出判断，系统要求SOC的精度达到8％。得到的SOC将通过CAN总线发送到组合仪表上显示出来，对车主进行提示。

(2)静态电流管理

当车辆处于停车状态，点火钥匙开关在OFF档时，绝大多数控制器都停止了工作，只有极少数控制器或负载保持工作状态。虽然如此，有时汽车的静态电流依然很大，时间一长，将消耗大量的蓄电池电能。为了确保汽车停放一段时间后能够正常启动，需要对整车的静态电流进行管理。图2是本发明的静态电流管理框图。

为了减少电源控制系统自身的静态功耗，电池的电流和电压采用循环检测的方式来采样，因为电池的电压、电流本身变化比较慢，所以采样周期定为1秒钟。每次采样之后，控制器进入睡眠状态，等到下一周期到来时，重新唤醒，继续进行采样，然后再次进入睡眠状态。

静态电流管理的关键是判断控制条件，为了保证汽车在停放一个月后，蓄电池电量还能启动发动机，应检查在将汽车不必要的负载全部关闭之后，汽车蓄电池的放电电流，以这个电流值为准，估算一个月时间里蓄电池要放多少电量，根据蓄电池的额定容量和电池特性即可得知在SOC为多少值时为电池不可再放电点，设这个点为SOClow。汽车停车状态时，当出现以下三种情况之一时，电源控制系统会将所有不必要的负载全部断开，从而保护电池，避免过度放电，保证静态电流在设计的控制范围内，保证车辆能再次启动。

①静态电流高于2A的时间超过100秒。

②静态电流高于200mA的时间超过600秒。

③电压低于11.7V的时间超过20秒。

④蓄电池荷电量低于额定电量SOClow。

(3)汽车行驶时的电能安全性控制

电源管理的系统特性由发电机、负载、蓄电池之间的能量流决定。当汽车在怠速状态或行驶状态时，如果发电机发出的电量小于正在工作的用电器所需要的电量，蓄电池将会向整车输出电能，蓄电池长期的放电，会造成蓄电池亏电。为了防止蓄电池亏电，需要及时的切断整车上不同等级的用电器或增大发电机的发电量来满足整车用电器电能需求。汽车行驶时应始终以安全性为第一要点，行驶性为第二要点，同时考虑人性化的设计，在切换不同等级的负载时，需要在仪表上显示相应的提示信息如电池保护等级。

下面将从电池保护级别和用电设备分级管理两方面来介绍整车在行驶中的安全性控制。

(1)电池保护级别

表1列出了各告警级别的判断条件。当出现告警时，相应的信息在仪表盘上显示。

表1电池保护级别的判断条件(25℃，SOH＞96％)

BPL0与蓄电池的放电电流有关，规定蓄电池充电电流为正、放电电流为负。当放电电流超过10A的时间超过5秒时，BPL0出现。而当电池放电电流低于10A时，BPL0并不立即消失，而只是等到放电电流低于0.01A的时间超过5秒时，BPL0才会消失。BPL0的出现可能是因为用电负载过多、可能是因为发电机发电太少。

当采取相应措施仍不能使BPL0恢复，电池放电越来越多，电池电压越来越低，BPL1和BPL2也会随之出现。当电池电压低于13V的时间超过5秒时，BPL1出现，当电池电压低于12.5V时间超过5秒时，BPL2出现。若采取有效措施，会使蓄电池的电压逐渐回升，相应的保护级别也会随之消失。当电池电压高于13V时间超过5秒时，BPL2消失，当电池电压高于14.2V时间超过5秒时，BPL1消失。

BPL3与蓄电池的SOC有关。当SOC＜50％的时间超过5秒时，BPL3出现；当SOC＞70％的时间超过5秒时，BPL3消失。

整车环境对铅酸电池的性能和寿命有很大影响。在温暖的环境下，电池性能比较好。但如果温度太高，会导致电池内的化学反应加速，从而影响电池的寿命。如果天气过于寒冷，电池内的化学反应减缓，电池寿命得以延长，但电池的输出特性会大大降低，负载能力也大大下降。

电池的输出能量和输出功率都和温度有很多大关系，充电特性也会受到温度的影响。随着电池在使用过程中的反复充放电，包括过充和过放，它的各种特性受温度的影响也会变得更为剧烈。

随着电池的使用和它的健康指数SOH的下降，他的放电能力也逐渐减弱。因此，当温度变化时，或随着电池的健康指数变化时，表1中所给出的各个级别的阀值参数都需要进行修正。

(2)保护措施及负载优先级划分

蓄电池告警BPL的出现，说明发电机所产生的电能已不足以供给整车电气负载，电气系统平衡已被打破。通常，在BPL0出现时，所采取的措施是通过增大发动机转速或者增大发电机的励磁电流来实现。但此电源控制系统并不直接控制发电机的转速或励磁电流，而只是给发电机控制器发送相应的信息。

当BPL1或更高的保护级别出现时，采取的措施通常是减少电器负载的电能消耗。此种方法的重点在于如何将负载进行优先级排序以及通过何种方式关负载。

汽车负载分为两类，第一类是由控制器来驱动，第二类是由开关直接驱动。电源管理模块对这两类负载的管理方法也不相同。第一类负载的管理是通过电源管理模块发送负载控制信息给相应的控制器，若控制器涉及到自身控制的负载被禁止时，则立即将该负载关闭；反之，则按正常的流程来控制该负载。第二类负载的管理，是由电源管理模块直接来进行控制的。

在本系统中，对于具有独立控制器的负载，电源控制系统通过CAN总线向其发送关闭信息，对于没有独立控制器的负载，考虑到电气连接的可行性，将会对它们按优先级进行一个分组，在需要关闭时按整组一起关闭。根据整车电气负载的情况，表2给出了一种负载优先级排序方法，在这里假定各个负载都具有独立控制器，在查明负载具体情况后，将在以下控制方式的基础上做相应修改。

当BPL1出现时，立即要求将负载1(优先级为1的负载)关闭，5s之后，若BPL1仍然存在，则将负载2关闭。依次类推，若BPL1一直存在，最终会要求将负载11关闭。

当BPL2出现时，立即要求将负载12关闭，4s之后，若BPL2仍然存在，则将负载13关闭。若此时，BPL2告警解除，并不会要求立即把BPL2所对应的负载一一恢复，而是要等到BPL1解除，再经过4s之后，将优先级最高的负载13恢复，再经过4s之后，将负载12恢复。相应的，BPL1所对应的负载则要等到BPL0告警解除之后才允许恢复。

表2

图3是本发明汽车行驶时电池安全性控制过程，在蓄电池电量减少过程中，当放电电流大于10A的时间超过5秒时，BPL0出现，此时电源控制系统向发动机发出控制信号，使其增大转速或增大发电机励磁电流；当蓄电池电压小于13V的时间超过5秒时BPL1出现，电源控制系统将负载按优先级从1开始关闭，一直到11关闭，直到BPL1消失，每关闭一个延时5秒；当蓄电池电压小于12.5V的时间超过5秒时，BPL2出现，电源控制系统将负载按优先级从12开始关闭，一直到20关闭，直到BPL2消失，每关闭一个延时4秒；当蓄电池荷电量小于50％的时间超过5秒时，BPL3出现，电源控制系统将负载按优先级从21开始关闭，一直到33关闭，直到BPL3消失，每关闭一个延时3秒。反之，在蓄电池电量增加的过程中，当蓄电池荷电量大于70％的时间超过5秒时，BPL3消失，电源控制系统将负载按优先级从33到21开启，每开启一个延时3秒；当蓄电池的电源大于13V的时间超过5秒时，BPL2消失，电源控制系统将负载按优先级从20到12开启，每开启一个延时4秒；当蓄电池的电源大于14.2V的时间超过5秒时，BPL1消失，电源控制系统将负载按优先级从11到1开启，每开启一个延时5秒；当蓄电池的放电电流小于0.01A的时间超过5秒时，BPL0消失，电源控制系统向发动机发出控制信号，使其减小转速或减小发电机励磁电流。

电池的动态管理

发动机开始运转后即启动动态管理。它的任务是按照各个系统的要求分配发电机所发出的电量。同时为蓄电池提供足够的充电能量。为此动态管理通过测量电压、蓄电池电流及发电机负荷来监测能量利用情况。它将实现电池运行状态的实时监控(包含充电过程控制、放电过程控制、电池组温度控制、全天候电池安全管理)。要求能够监测蓄电池的电压、电流、温度，再利用某种算法来判断蓄电池的电量、内阻等信息，以此作为对电池动态管理的依据。

根据蓄电池的电量来决定是否激励发电机，使发电机的发电功率增加。判断依据如下：当蓄电池的实际电量低于额定电量SOClow时，需要终止蓄电池对外放电，并激励发电机，使发电机对蓄电池充电；当蓄电池的实际电量达到额定电量的100％五分钟后，降低发电机功率，使其发电功率基本上与用电器的用电功率保持平衡。在分析出相应信息后，将控制信息通过CAN发送给发电机控制器。

图4是本发明的信号接口框图，系统接口可分为与外部CAN通讯接口和内部信号控制接口：

(1)CAN接口的硬件电路ISO11898高速CAN接口电平，软件接口分为底层驱动软件和应用层软件。软件接口的底层驱动程序和应用层软件都要满足奇瑞的规定。

CAN接口模块的主要功能是与其他控制系统之间进行实时高速数据交换，特别是要与主控制器HCU之间进行数据交换，获得良好的协调控制效果。监控单元根据检测数据和设定好的算法得出控制命令后，将通过通讯接口将命令发给具有独立控制器的用电设备，为了简化设计，关闭相应的用电设备的过程可由各供电设备ECU在接收到关闭信号后各自完成。同时，电池的工作状态信息还将被发送到车用仪表盘上，电量不足时，给出报警信号。

(2)内部信号接口主要是指监控单元发送的检测信号和对没有独立控制器的用电设备发送断电信号，将它们按组关闭，断电操作由继电器或者其他分离器件来完成，这些命令要求准确即时，可由CPU的专用IO口接相应电路完成此功能。

Claims (8)

1、一种汽车单电源控制系统，该系统包括数据采集模块和电源管理模块，数据采集模块对蓄电池参数进行监测，并将蓄电池的状态参数通过LIN总线实时地发送给电源管理模块，电源管理模块根据接受到的蓄电池的状态参数，根据自身的控制算法判断蓄电池的状况，并切断汽车上相应的用电器，该单电源控制系统能在汽车处于停车未点火状态和行驶状态时对电源进行管理，其特征在于：在汽车处于停车未点火时，在电源管理模块根据蓄电池的荷电量SOC选择是否断开负载；在汽车处于行驶状态时，电源管理模块将蓄电池划分为四个电池保护级别，分别是BPL0、BPL1、BPL2和BPL3，同时电源管理模块将汽车中的负载按照使用优先级进行分组，使各组负载与所述的四个电池保护级别相对应，当蓄电池处于不同的保护级别时，切断与该电池保护级别相对应的负载。

2、如权利要求1所述的汽车单电源控制系统，其中当汽车处于停车未点火状态时，当数据采集模块检测到

a、静态电流高于2A的时间超过100秒

b、静态电流高于200mA的时间超过600秒

c、电压低于11.7V的时间超过20秒

d、蓄电池荷电量低于额定电量(SOClow)

四种情况之一时，电源管理模块切断全部负载。

3、如权利要求1所述的汽车单电源控制系统，其中当汽车处于停车未点火状态时，控制系统以循环检测的方式对蓄电池电流参数、电压参数和温度参数进行采样，采样周期为1秒，每次采样之后，控制系统进入睡眠状态，等到下一周期重新唤醒，并继续进行采样。

4、如权利要求1所述的汽车单电源控制系统，当放电电流超过10A的时间超过5秒时，BPL0出现，当放电电流低于0.01A的时间超过5秒时，BPL0消失；电压下降时，当蓄电池电压低于13V的时间超过5秒时，BPL1出现，当蓄电池电压低于12.5V时间超过5秒时，BPL2出现，蓄电池的电压回升时，当电池电压高于13V时间超过5秒时，BPL2消失，当电池电压高于14.2V时间超过5秒时，BPL1消失；BPL3与蓄电池的荷电量有关，当荷电量小于50％的时间超过5秒时，BPL3出现，当荷电量大于70％的时间超过5秒时，BPL3消失。

5、如权利要求1所述的汽车单电源控制系统，电池保护级出现或消失后，该电池保护级别对应组中的负载关闭或开启，根据其优先级不同，该组中的各个负载逐一地延时关闭或开启，而不是同时关闭或开启。

6、如权利要求1所述的汽车单电源控制系统，还包括对蓄电池的充电控制，发动机开始运转后即启动动态管理，当蓄电池的荷电量低于额定电量(SOClow)时，终止蓄电池对外放电，并激励发电机，使发电机对蓄电池充电；当蓄电池的实际电量达到额定电量的100％五分钟后，降低发电机功率，使其发电功率与负载的用电功率持平。

7、如权利要求1所述的汽车单电源控制系统，其中该系统通过CAN通讯接口与其它控制系统进行实时高速数据交换。

8、如权利要求1所述的汽车单电源控制系统，其中该系统通过内部信号接口检测信号并且对没有独立控制器的负载发送断电信号，将所述负载按组关闭。

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