CN1118918C - 车辆电源管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明的系统和方法监控电池状况和发动机情况，并根据特定电池和发动机情况控制发电机有选择地给电池充电，使电池和发动机的状况和运行性能最优，降低燃料消耗。

Description

车辆电源管理系统
技术领域
本发明涉及管理汽车电源的系统，特别是涉及监控和确定电池及其发动机状况并控制有选择地给电池充电的发电机的系统，使电池状况与性能最优而同时有效应用发动机能量从而改善燃料经济性。
背景技术
车辆如汽车的传统电源管理系统使用电池供应车辆电需求，而通过调节器的调整下发电机或发电机(下文称为“发电机”)给电池充电。从电池抽出的能量通过发电机充电而补充，发电机又从车辆的发动机得到能量。调节器监控电池电压并通过通行或限制由发电机供给的充电而调整电池电压。一般不管电池状况，每当发动机运转时发电机总是运行，提供电能给车辆并给电池充电。当发电机关闭时电池提供车辆所需要的所有电能。Rvobert Bvosch GmbH和Society of Automotive Engineers，Inc.，出版的手册“Automotive Electric/Electronic Systems”，1998，18-69页描述了发电机和调节器运行的原理。
许多因素对电池性能和状况起作用。如同大多数传统的车辆电池充电系统那样，通过只监控电池电压，不能确定电池真实的情况和状况并且不能最优化电池状况和性能。影响电池性能的因素包括电池充电状况、容量、电池端子的情况、电解质的水平和浓度、负载情况、极板面积、温度和内阻。这些参数的大多数根据运行情况而变化。当电池被发电机充电时，测量的电池电压(电池充电电压)主要由两个因素组成：(1)反电动势(CEMF)和(2)内电压降。CEMF是为了给电池充电，电池充电电压必须克服的电位。影响CEMF的因素包括电池充电速率、温度、电解质浓度、与电解质接触的极板面积和充电状况。电池内电压降是由流经电池内阻的电流而引起。包括欧姆电阻和电池极化作用的内阻主要由接头、接头垫片、焊接连接、与电解质接触的极板面积、电池温度、电解质的电阻率以及包括硫酸盐化或放电极板和电池端子情况的其它因素固有的对电流流动的正常阻力构成。内电池电压降可通过充电速率(安培)乘以电池电阻(欧姆)来计算。
上述影响电池性能的因素中，充电状况(SOC)是最重要的。SOC相应地影响CEMF，即如SOC高，CEMF更高而且需要更大的充电电压来进一步提高SOC。
Palanisamy的U.S.专利No.5281919(’919专利)详述了影响电池运行的因素并公开了监控和确定电池运行参数的有效系统。’919专利公开了最优化电池性能的软件和用于错误识别的判断程序。Palanisamy的U.S.专利No.4978942(’942专利)公开了动态确定电池内阻的有效技术。’919专利和’942专利都在这里引用作为参考。
随着微处理器技术的发展，采用微处理器的车辆控制已显重要并得以发展，由于电池运行参数大都是动态的，因此微处理器很适合监控不同的电池情况而取代调节器。例如，Matsuda等的U.S专利no.5404106描述了监控电池容量并根据电压、电流和温度测量计算电池内阻的系统。Konl的US.专利no.5280232提出了基于微处理器的装置，可通过不同时间增量的测量确定并计算充电状况。Sato的U.S.专利no.5193067提出了利用微处理器控制测量电解质比重和温度的类似途径。无论使用传统或‘智能’调节器/发电机，现有技术的目的是将电池充电至100％充电状况。
众所周知，由发电机产生的电能量于从发动机取得的能量或能量，通常通过发动机驱动皮带和皮带轮而使发电机转动。已提出监控或控制发电机对发动机的负载影响的系统。例如，Nagano的U.S.专利No.5256959提出通过控制发电机的激励电流来控制发动机负载。Asakura的U.S.专利No.4789817提出当负载限制导致发动机速度的减小时最小化发动机上的发电机负载，Kissel的U.S.专利No.4659977提出控制电池充电的基于微处理器的调节器。Kissel的专利公开的调节器监控本地环境或电池温度和电池电压水平。也测量车辆速度并将该数据和电池数据与预定值及发动机转速比较，来控制发电机的激励线圈。
众所周知，当车辆被发动机驱动，由发动机产生的相当数量的能量被消耗，当司机需要放慢或停止车辆时，能量因此被浪费。而且，当车辆以相当恒定的速度滑行或遛车或下山时，由于车辆冲力成为保持车辆速度所需的能量的大部分，从发动机提取的能量减少。为本发明的目的，这些发动机和车辆工作状态在这里称为“剩余能量”模式。显然，如管理电池-发电机-发动机系统使得车辆和/或发动机在剩余能量模式下运行时开动发电机给电池充电，以储存电能的形式回收不然已浪费的剩余动能或位能，结果能量系统更有效应用，因此降低了发动机燃料消耗。
给出了上述系统的可行性，存在能监控和确定电池、发动机和车辆运行状况并控制发电机工作的发电机/电池能量管理系统的需要，使电池运行最优而从发动机提取的有效能量最小。
发明内容
本发明提供一种控制发电机的系统，用于有选择地给由发动机驱动的车辆中的电池充电，包括：一个电池控制单元；一个微处理器，其中具有相应的存储程序，所述处理器接收从所述电池控制单元来的信息，用于监控电池充电状态值(SOC)；检测表示剩余能量情况的信号的传感器装置，所述传感器装置将信息直接地或者通过所述电池控制单元而提供给所述微处理器；与所述微处理器相连的一个发电机控制装置，当检测到多种剩余能量状况之一存在时，有选择地导通所述发电机给所述电池充电，以将电池的充电状态保持在满电量的85％-92％的范围内。
优选地，在上述的控制发电机的系统中，所述传感器装置可以是用于检测供给所述车辆发动机的燃料的传感器、用于检测能量流动到所述发动机的速率的传感器、用于检测供给燃料注射器的电能的传感器和用于检测发动机管道压力的传感器中的一个或多个传感器，其中所述燃料注射器用于将燃料供给所述发动机。
当由车辆和发动机运行而存在剩余能量，如当车辆以恒定速度制动、滑行、遛车、减速、下山、或以发动机能量曲线的低端运行时，剩余能量模式出现。控制器也包括监控递减或减少发动机负载状态的装置，从而发动机的燃料需要分别递减或近似为零。控制器也监控发动机速度以确定发动机性能。控制器任选包括使发电机控制装置在发动机启动状态之后给定时间期限内不能给电池充电的装置。
优选地，确定发动机工作状态的装置包括指示供给内燃机的燃料数量的装置。如发动机为燃料注入，供给发动机的燃料通过测量供给燃料注射器的电能而确定。当供给燃料注射器的电能基本是零脉冲宽度，可通过确定发动机工作状态的装置测定减少的发动机负载状况。当供给燃料注射器的电能高于给定时长并在两个连续燃料注射循环之间脉冲宽度递减时，测定递减发动机负载状态。通过周知的逻辑信号处理技术将车辆负载电流波形解卷积成其组成部分也可测定供给包括燃料注射器电流的特性的发动机的燃料。发电机控制装置通过控制供给发电机的场激励电流有选择地给电池充电。当没有场激励电流给发电机，电池提供车辆所需的所有电能。优选地，一检测到剩余能量模式就给电池充电(即通过提供场激励电流给发电机)以提高电池的SOC，但控制器测定电池已完全充电除外。
按照本发明的方案，可以有选择地控制发电机：(a)发动机/车辆一减速就给电池充电；(b)除非SOC在最小安全值之下，减速期间不给电池充电；和(c)在进一步规定的条件下给电池充电，保持电池在周知的SOC比率范围，具有最优充电效率。
而且，控制器包括监控包括电池内阻、温度、电池电流大小和方向的电池状况的装置。当测定到电池处于低充电状态如低于给定的SOC最小安全值，选择充电占优势，无论何时运行发动机都打开发电机给电池充电。
按照本发明的示意性系统可以通过邻近发动机/发电机安装的‘添加’零件市场装置而实现。另一方面，在具有监控和测量发动机和车辆情况的发动机控制单元中，控制逻辑保留在车辆的ECU中。ECU作为原始设备安装在最新款式的车辆中以监控和控制发动机运行，并且按照本发明实施例的软件控制可在工厂结合到ECU中以监控电池和发动机情况和控制发电机。在此实施例中，ECU也监控和测定上述剩余能量模式。
参考本发明的优选实施例的如下详述和附图，将充分了解本发明并进一步清楚其优点。
附图说明
图1是表示用于控制按照本发明实施例的发电机的系统的方框图；
图2是按照图1系统的运行过程的流程图；
图3是描述应用图1所示的系统，电池充电值状态的图；
图4是监控供给燃料注射器的能量的电路的示意图；和
图5是描述采用按照图1的系统的测试结果的图。
附录A列出与本发明示意性实施例结合使用的软件程序的代表性部分。
具体实施方式
一般地，按照本发明的车辆能量管理系统监控电池和发动机情况并控制发电机有选择地给电池充电，使电池-发电机-发动机输出/充电效率最大，结果改善每加仑英里(mpg)功率。为优化电池性能，监控影响电池充电和发动机负载效率的参数和条件。通过微处理器/控制器连续监控、计算和更新包括电池温度、内阻和充电状况的参数。根据预置电池或发动机情况如当车辆/发动机在剩余能量模式下运行时有选择地打开发电机，给电池充电。电池的SOC优选保持在给定的最小安全百分比之上并在SOC值的最优范围内。
如上所述，T.Palanisamy的美国专利No.5281919详细解释了测定和保持车辆电池充电情况的有效途径，此公开在这里引用作为参考。
按照本发明的优选实施例，控制发电机的运行以有选择地打开和关闭，使发动机的燃料消耗最小，改善车辆的mpg性能。例如，在需要增大从发动机得到的能量的情况期间如发动机启动期和车辆加速期间，以及当测定到电池在充电状况的最小值之上时，优选发电机关闭。当车辆处于剩余能量模式如发动机处于递减负载状态或处于当车辆滑行时的进一步特定情况下，打开发电机给电池充电。按照本发明示意性实施例的系统连续监控电池状况并包括向用户发出故障情况警报如高内阻或有毛病电池的装置。
参考图1，微处理器100和包含RAM和ROM的相关存储器(未示出)，存储器用于存储实现微处理器控制运行的软件和与电池运行参数有关的数据或表。微处理器100分别与发电机控制单元120和电池控制单元140相连，用于接收与发电机和电池有关的信息。本领域技术人员应理解微处理器也可与车辆目前存在的传感器相连以监控和确定车辆/发动机情况。例如，通过微处理器100可监控管道、燃料压力或气流传感器或流速计，确定管道压力、气流/燃料比、发动机转速等。
发电机控制单元120连接在发电机和调节器之间，另一方面，发电机控制单元120可替代调节器。发电机控制单元120包括或连接到用于测量发电机110电流，最好电流的大小和方向的电流计115。发电机控制单元120也监控发电机电压和发电机的速度或转速。如上述Bosch SAE手册所示传统发电机的‘W’端子提供可转变成发电机转速的每单位时间动作，其被转速前置放大器所放大。在来自发电机控制单元120的信息发送给微处理器100之前，信息通过模/数转换器(ADC)(未示出)转换成数字数据。在不需要ADC的这种情况下，可使用计数法测量数据的另一途径。优选地，微处理器100通过控制经发电机控制单元120的发电机场激励电流来控制发电机110的开关。由微处理器100到发电机控制单元120的数据通过发电机控制单元120的数-模转换器转换成模拟信号。
电池控制单元140与电池130的正极端和负极端相连以监控电池电压并且如霍耳效应传感器的电流计135可以是电池控制单元140的一部分或放置于电池控制单元140外面并且邻近电池130，电流计135测量电池130的电流，最好电流的大小和方向。连接电池130到电池控制单元140的电池状态线138用于传送如电池温度、电解质水平和气体点的电池状态数据。电池温度优选通过温度测量装置如邻近电池130周围的热敏电阻(未示出)读出。电池控制单元140也与电流计155相连，电流计155又与燃料注射器的电子控制相连以监控从燃料注射器150流出的和流至燃料注射器150的电流。如下面进一步详述讨论和图4所示，供给燃料注射器的电流是由微处理器100或ECU所监控的参数。燃料注射器电流脉冲宽度用作开关发电机110的一个条件。电池控制单元140的信息在数据送至微处理器100之前也可通过模/数转换器转换成数字信号。
除发电机和电池以外的图1的部件可通过电路卡等、集成电路、或作为‘添加’‘零件市场’装置实现。本领域技术人员容易理解这里使用或描述的不同部件如微处理器、其相关存储器、电流计、放大器和信号调节装置、模-数转换器和数-模转换器是通常公知的无需进一步解释的构件。而且，由微处理器100、发电机控制单元120和电池控制单元140实现的结构和功能可同通常最新款式汽车备有的内载发动机控制单元相结合。可在工厂安装其功能和相关存储程序。
图2说明使用本发明图1所示的部件的发电机控制过程的代表性流程。在200处理开始之前，微处理器100在其相关存储器中计算并存储包括极化、充电状况、电池容量、电压和电池其它运行数据的内阻。由于这些值取决于电池和发动机型号，可估算其值并在安装时将其输入存储器。确定发电机开/关操作的预置条件也存储在相关存储器中。条件优选包括温度低限、当发动机运转时低于其就总给电池充电的SOC安全最小值和高于其不给电池充电的SOC最大值、能保持电池的最佳SOC范围、暂停周期、发电机开关的条件、和其它安全限度等。这些条件可以是用户或工厂选择和输入。
当车辆打开电(发动机启动之前)和发动机启动期间，发电机控制单元120和电池控制单元140从各种传感器和监控器收集工作数据和电压及电流信息并将信息传至微处理器100，在其中计算如SOC和内阻的电池工作数据并更新存储在微处理器存储器的表中的对应估算值。
应用电荷累积或开路电压(OCV)技术之一或两者结合可计算电池充电状况。对于最新技术，已显示出完全充电的铅酸电池的OCV比完全放电的电池的OCV高约0.2V。电池电压在其极端之间线性变化。当没有电流流入电池或从电池流出时，电池电压通常称为开路电压。由于汽车铅酸电池一般具有六个电池，完全充电电池约12.7V或更高，可如下计算充电状况：
SOC＝100-{[12.7-OCV)/1.2]*100％}
此计算公式使用的电池电压应没有极化。极化通常由于与整个电解质浓度相比在或靠近电极处电解质浓度不一致而引起。在充电或放电之后的几分钟测量的电压总是包括极大的极化电压，尽管没有实际电流从电池流出或流到电池。
计算SOC的电荷累积技术包含在给定时间期限上进出电池的电流累积。监控器开始计算从预定的电池充电状况的电荷。由电源进入电池的总电荷加至电池的存储电荷。类似地，从该存储电荷中减去启动期间由车辆、及其电部件和附件从电池取出的电荷。电池容量除以该净电荷给出电池充电状况。任何时候监控器检测到电池完全充电，复位充电状况到100％。当电池的开路电压大于预定值优选约12.7V时，认为电池是完全充电状况。利用启动过程期间的测量，监控器确定内阻，可由电流输入电池或从电池输出电流的初始和结束时电压瞬时变化来测定。本领域技术人员可了解有多种方法来实现此，例如，利用任何附件为放电脉冲电流或汽车电源为充电脉冲电流。按照本发明优选实施例，汽车电池的内阻(IR)从其开路电压(OCV)测定，第一测量电压(Vs)和启动过程期间由电池流至起动器负载的初始电流(Is)满足等式：
IR＝(OCV-Vs)/Is
电池的最大瞬时能量输出与内阻成反比。因此，电池的能量输出能力可从内阻测量。
电池极化电阻(PR)是由电极的电解质浓度与电极之间的电解质整体浓度不一致引起。可从上面参数确定预定时间间隔之后的Vs和Is和电池电压或启动过程期间的最终电压读数(V1)符合等式：
PR＝(Vs-V1)/Is
如上所述，由于许多参数影响电池的SOC，不同电池其电池可保持最佳电池性能的最佳SOC范围不同。电池容量也影响SOC。汽车电池启动容量通常以CCA(冷开动安培)计算，旅行车和轻型汽车一般在550-1100CCA范围。对于给定汽车，电池CCA越高，通常最佳SOC范围越低。电池充电的低充电值和高充电值之间的一般最佳SOC范围分别约85％-约92％的SOC。
再参考图2，当发动机在步骤205启动，暂停起动使电流不流经发电机以打开发电机(205)。暂停是为改善车辆发散性能和需要高发动机能量期间保持发电机关闭的目的。然而，发电机关闭或取而代之暂停，如果情况表明需要对弱电池充电如当温度传感器测得冻结温度时，发电机打开。暂停期限取决于车辆且为例子说明的目的，步骤215设定约90秒。与发电机控制单元120和电池控制单元140相连的微处理器100连续监控电池和发电机数据并周期性地更新目前SOC和内阻值(210)。暂停之后，充电状况与SOC安全最小值相比，如充电状况低于预定的最小值(230)，打开SOC标记，以提示微处理器将发电机激励电流传至充电电池(235)。如更新的SOC高于预定的SOC最大值(240)，在步骤245中关闭SOC标记，并且关闭发电机激励电流。优选地，SOC安全最小值设定约75％而SOC最大值设定约100％。
各种传感器和检测器可用于监控发动机周围和负载情况。例如，微处理器或ECU可监控发动机管道压力、燃料压力、发动机转速、空气-流和空气/燃料比、附件使用程度和驱动控制等，以确定发动机负载。管道和燃料压力从压力传感器得到，由于发动机、发电机和燃料注射频率存在固定的关系，从空气-流传感器测量的空气流和发动机转速或速度可通过包括测量发电机或燃料注射频率的传感器的许多检测装置得到。当发动机基本上在剩余能量模式下运行，发动机和周围负载情况的关键指示器是从发动机抽取的燃料，例如当少量或没有燃料供给发动机，发动机需求低或为零，这表明车辆处于如车辆制动、减速、滑行、遛车、下山等的剩余能量模式之一。
就照燃料经济性而论，当汽车以相对恒定速度滑行时，汽车运行经济。滑行期间，发动机负载减少，车辆冲力提供推进车辆向前和保持速度所需的能量。例如，车辆如1992福特Taurus在发动机速度约2100转/分钟以60英里/小时滑行时，发动机或道路负载约为发动机额定功率的14％，从发动机只需要约22马力。当车辆下山，车辆势能和动能提供移动车辆所需的大部分而非全部能量。在这种减少的发动机负载状态期间，从发动机抽取的燃料同样减少。发现在这种减少的发动机负载状态，从发动机抽取的燃料和发动机速度基本不变。
因此，通过监控供给燃料注射器(假定燃料注射发动机)的电流脉冲宽度和发动机速度，可确定发动机负载情况。另一例子中，如脉冲宽度约2-3毫秒内近似零，发动机速度大于空载速度，车辆近似滑行。发动机负载又减少而车辆处于剩余能量模式。相反，发动机启动期间电流脉冲宽度范围是20-23毫秒而加速期间电流脉冲宽度范围是10-12毫秒。
在另一剩余能量模式如当车辆减速或制动时，冲力和发动机产生的能量必须散失以减慢车辆速度。按照本发明的示意性系统和方法的特征在于剩余能量模式和如‘减少’的发动机负载的发动机负载情况，它们可通过检测燃料注射器激励电流的PW的减少来测定。因此，可利用供给燃料注射器的电流的脉冲宽度(PW)特性来测定包括降低或减少的发动机负载情况的剩余能量模式。这样，车辆处于剩余能量模式时所存在的剩余能量可回收或转变成储存的电能。
再参考图2，本发明示意性系统和方法通过监控大于5毫秒的燃料注射器PW来测定减少的发动机负载状态，并且检测连续燃料注射器PW(315)之间的PW时长的减少。例如，PW从时长10减少到8毫秒。如满足两个条件，微处理器100确定存在剩余能量模式，即减少的发动机负载情况(如通过检测升高的减少标记)，以及然后激励电流作用于发电机以给电池充电(325)。如不能满足其中一个条件，发电机保持关闭。当检测PW靠近零或在约2-3毫秒(330)，存在另一剩余能量模式，即降低的发动机负载状态，以及打开发电机(325)。本领域技术人员容易理解上述流程图所用的PW时长值随电池、发动机或车辆不同而不一样，因此可改变。然后合适的PW时长值根据电池、发动机和车辆规格可取代上述降低或减少的发动机负载状态，以实现本发明的效果。本领域技术人员也容易理解燃料注射器脉冲电流也可通过将车辆负载电流波解卷积成其组成部分用数学方法测定(代替燃料注射器电流传感器)。
有利的是，此发动机负载情况期间对电池充电实际上是转换能量，由车辆形成的冲力或发动机所产生的能量，由于负载减小它们将消耗成由电池储存的电能。按照本发明另一示意性实施例，如图2所示的示意性软件控制进一步应用于转换剩余能量而保持电池在SOC的最佳运行范围内。参考图3，该图是SOC值(y轴)与时间(x轴)的关系曲线图，如SOC安全最小值和SOC最大值的示意SOC值分别设定在约75％和100％。示意最佳SOC范围具有约85％的低控制值(LCV)和约92％的高控制值(UCV)。当微处理器100确定电池的SOC在LCV之下(A处)，无论何时检测到任何剩余能量模式都打开发电机场激励电流以给电池充电。例如，降低或减少发动机负载状态期间进行充电而车辆加速期间不充电。可看出对于选择的充电，SOC值随时间延长而升高。
当SOC到达UCV(C处)，在某些剩余能量模式下才只需给电池充电以保持SOC位于最佳范围。在此段期间(C和E之间)，只有当检测到减少的发动机负载状态时(D处)优选给电池充电。可看出利用按照本发明示意性实施例的系统和方法可保持电池在峰值工作效率而对发动机的有效能量输出影响小或没有增加消耗。
图4表示实现监控燃料注射器电流脉冲宽度的电路。如图4所示，电路的引线9与电流计155(图1)相连且电流值由电路处理，处理过的值作为数据在引线14经电池控制单元140输出至微处理器。
微处理器相关的软件程序监控电池的安全情况。一个例子在步骤400表示(图2)。当电池负载超过预置的特定负载最大值，激励电流作用于发电机(325)。另一示意安全状态可以是警报电池状态，包括超过或低于预定安全值的内阻、极化或温度值。
图5表示根据Federal Test Procedures(FTP-75)完成的测试结果。具有传统发电机/调节器的1992 Ford Taurus Sedan用作测试车辆。利用按照本发明的装置以及使用没有按照本发明的装置的传统发电机/调节器完成FTP-75测试。利用电流探针和示波器和显示器，对这两个系统记录发电机和电池的电流波形。利用电流计信号的累积或快速A/D转换，测量电池和发电机的电流并计算电池充电状态(SOC)。在使用按照本发明的装置来测试之后，电池可用容量是49安培小时，而测试前35安培小时，这表明除燃料经济优点之外，供给电池的能量实际上增大。图5的曲线A表示传统的发电机/调节器的读数而曲线B表示当采用按照本发明的装置和方法时提高了约0.3-0.6MPG。
应理解在不脱离本发明的精神和范围下可对在此公开的本发明的各种实施例进行不同改型。例如，可监控发动机管道压力来代替燃料注射器脉冲宽度，以确定发动机负载情况。10Hg的绝对压力对应2毫秒的PW。因此，上面描述并未限定本发明，仅只是发明优选实施例的解释。本领域技术人员在由附属权利要求所确定的本发明范围和精神内可想象其它改型。

Claims (2)

1.一种控制发电机的系统，用于有选择地给由发动机驱动的车辆中的电池充电，包括：
一个电池控制单元；
一个微处理器，其中具有相应的存储程序，所述处理器接收从所述电池控制单元来的信息，用于监控电池充电状态值(SOC)；
检测表示剩余能量情况的信号的传感器装置，所述传感器装置将信息直接地或者通过所述电池控制单元而提供给所述微处理器；
与所述微处理器相连的一个发电机控制装置，当检测到多种剩余能量状况之一存在时，有选择地导通所述发电机给所述电池充电，以将电池的充电状态保持在满电量的85％-92％的范围内。
2.按照权利要求1的系统，其中所述传感器装置可以是用于检测供给所述车辆发动机的燃料的传感器、用于检测能量流动到所述发动机的速率的传感器、用于检测供给燃料注射器的电能的传感器和用于检测发动机管道压力的传感器中的一个或多个传感器，其中所述燃料注射器用于将燃料供给所述发动机。
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