高照亮

(浙江水利水電專科學(xué)校,浙江 杭州 310018)

隨著內(nèi)燃機汽車上的電氣設(shè)備及電子裝置越來越多,高級轎車的平均總電功率從20世紀(jì)70年代不到500 W上升到2005年的3000 W,且還在不斷增加[1],因此汽車的用電安全越來越受重視,車載電源的管理問題也越來越重要.本文以奧迪A8D3轎車為例,介紹車載電源管理系統(tǒng)的主要管理功能、結(jié)構(gòu)組成、工作原理,探討電源及電源管理系統(tǒng)的維護(hù)方法.

1 電源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及電路分析

奧迪A8D3轎車有70個電子控制單元,它們是通過一個網(wǎng)關(guān)J533和5條數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)來進(jìn)行彼此通訊的,見圖1.電源管理系統(tǒng)在車載電源和車載電力負(fù)載之間,對車載電源起到管理作用,通常由電源、電流傳感器、蓄電池溫度傳感器、能源管理控制單元、車載網(wǎng)絡(luò)、用電器及其控制器等組成[2].奧迪A8D3轎車的電源管理系統(tǒng)沒有電流傳感器和蓄電池溫度傳感器,其核心部件是能源管理控制單元J644,它接在舒適CAN總線系統(tǒng)上,基本電路見圖2.能源管理控制單元J644能夠持續(xù)地對蓄電池進(jìn)行監(jiān)控,它檢測蓄電池的充電狀態(tài)(SOC)和啟動能力;在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時控制單元J644調(diào)節(jié)著發(fā)電機輸出充電電壓,它還可進(jìn)行卸載及提升怠速;為了降低發(fā)動機停機時靜態(tài)電流的消耗,能源管理控制器在特殊情況下通過CAN總線將用電器切斷,以此避免蓄電池過度放電.蓄電池切斷繼電器是蓄電池分離元件,它的任務(wù)是在發(fā)生撞車事故時,切斷起動機和發(fā)電機.蓄電池切斷元件經(jīng)導(dǎo)線接收來自安全氣囊控制單元J234的觸發(fā)信息.

2 電源管理系統(tǒng)的功能及原理

能源管理控制單元J644有3個功能模塊,即蓄電池管理模塊、靜態(tài)電流管理模塊和動態(tài)管理模塊.這些功能模塊在不同的車輛狀態(tài)下被激活.

蓄電池管理功能模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測蓄電池的診斷,它一直處于激活狀態(tài);靜態(tài)電流管理功能模塊的作用是在某些情況下將某些正在使用的用電設(shè)備關(guān)閉,它在發(fā)動機靜止時處于激活狀態(tài);動態(tài)管理功能模塊負(fù)責(zé)充電電壓調(diào)節(jié)以及卸載,它在發(fā)動機運行時處于激活狀態(tài).

圖1 奧迪A8 D3轎車的總線與網(wǎng)關(guān)

圖2 奧迪A8 D3轎車的電源管理系統(tǒng)基本電路

2.1 蓄電池管理

蓄電池電流和蓄電池工作時間是在控制單元里檢測的,蓄電池電壓是控制單元在蓄電池正極上測量得到的,蓄電池的溫度是采用一種數(shù)學(xué)算法計算出來的[3-4].

蓄電池啟動能力以及當(dāng)前的充電狀態(tài)是在組合儀表里顯示的,這兩大部分的信息是靜態(tài)電流管理和動態(tài)管理的基本數(shù)據(jù).當(dāng)發(fā)動機停止轉(zhuǎn)動時,如果用電設(shè)備處于工作狀態(tài),則蓄電池就會放電.如果發(fā)動機的啟動能力因此受到影響,則多媒體界面MMI就會顯示啟動發(fā)動機的要求,以避免在之后的3 min內(nèi)系統(tǒng)被自動切斷.

充電指示燈安裝在組合儀表的轉(zhuǎn)速表內(nèi),與以往Audi汽車不同,它受控于能源管理控制單元.

2.2 靜態(tài)電流管理

能源管理控制單元J644內(nèi)的靜態(tài)電流管理功能是在需要時促使用電器關(guān)閉.它是在15號線切斷或15號線接通、但發(fā)動機不運轉(zhuǎn)時被激活.

汽車熄火后必須減少靜態(tài)電流,這是為了讓蓄電池較少放電以保證汽車長時間停放后還能正常啟動.當(dāng)蓄電池顯露出已處于極低的充電狀態(tài)時,為了能向所有停止使用的用電器提供電能,就得關(guān)閉舒適系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)的用電器.一個控制單元控制下的哪些用電設(shè)備被切斷,是由切斷等級確定的.能源管理控制單元J644切斷用電設(shè)備有6個等級.蓄電池的充電狀態(tài)越低,關(guān)閉的等級就越高.能源管理控制器通過CAN總線調(diào)整所需切斷等級,并經(jīng)組合儀表告之司機.在故障診斷時要注意,一個被激活的切斷等級可能成為功能受限制的原因.在能源管理控制單元的故障存儲器中,切斷等級的激活信息被作為故障保存,可以用診斷儀的“引導(dǎo)性故障查尋”功能在存儲器里找到.

根據(jù)車內(nèi)蓄電池的充電狀態(tài),能源管理控制單元將進(jìn)行切斷等級操作.切斷等級有如下作用:

切斷等級1:在舒適系統(tǒng)CAN總線上的用電器被關(guān)閉.

切斷等級2:除關(guān)閉舒適系統(tǒng)CAN總線上的用電器以外,對信息娛樂系統(tǒng)也將會進(jìn)行一些限制.當(dāng)靜態(tài)放電電流＞50 mA且停車時間超過3 h,切斷等級2會立即被激活.

切斷等級3:進(jìn)行降低靜態(tài)電流的操作.

在切斷等級1～3內(nèi),用電器會由車內(nèi)控制單元關(guān)閉,以避免蓄電池進(jìn)一步地放電.

切斷等級4:即運輸模式,它是通過故障診斷儀來實施的.在運輸模式下,汽車在長時間停放以及運輸過程中能夠極大地降低蓄電池的放電.在能源管理控制單元J644里有一個匹配通道來激活此功能.在通道1“運輸模式”里,可選擇“0=正常方式”或者“1=運輸模式”.在運輸模式下,所有的舒適功能幾乎都會被關(guān)閉,以保證蓄電池在最長的停留時間里不會放電.

切斷等級5:停車加熱系統(tǒng)會關(guān)斷.

切斷等級6:在此切斷等級下,蓄電池的電能僅夠啟動發(fā)動機用,為了節(jié)省電流,控制單元不再以任何其它理由被喚醒.

能源管理控制單元J644在需要時通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送必要的關(guān)斷等級信息,總線系統(tǒng)上接通的控制單元會根據(jù)所讀取的信息使各個切斷等級下所確定應(yīng)關(guān)斷的用電器停止工作.在相應(yīng)的切斷等級下哪些用設(shè)備被關(guān)斷,在控制單元里已被確定[3].

當(dāng)發(fā)動機啟動后,除切斷等級4之外所有激活的切斷等級都會被撤消.當(dāng)充電器被連接到車內(nèi)蓄電池上時,所有的切斷等級也同樣會被關(guān)閉.切斷等級的優(yōu)先級是按1-2-5-3-6的順序來實現(xiàn)的.

2.3 動態(tài)管理

動態(tài)管理的作用是將能源合理地分配到各獨立的系統(tǒng)上,同時向蓄電池提供足夠的充電電流.它在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時起作用,其功能是蓄電池電壓調(diào)節(jié)、卸載、大功率加熱系統(tǒng)調(diào)節(jié)、怠速提升、接入發(fā)電機、發(fā)電機動態(tài)調(diào)節(jié).

(1)蓄電池電壓調(diào)節(jié)

在控制單元J644中,蓄電池管理器由蓄電池溫度及充電狀態(tài)獲得合適的發(fā)電機額定電壓值,這個額定電壓值被傳給動態(tài)管理功能模塊,然后再通過數(shù)據(jù)電纜傳給發(fā)電機,最后由發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器模塊進(jìn)行調(diào)節(jié).

在“引導(dǎo)性故障查尋”里,有數(shù)據(jù)閱讀塊用于檢測發(fā)電機額定電壓,并由數(shù)據(jù)電纜檢測通訊情況.在診斷儀中,可以為達(dá)到診斷目的而改變發(fā)電機額定電壓.

(2)卸載

在發(fā)動機加速過程中,能源管理控制單元可按照發(fā)動機控制單元的要求減少發(fā)動機的負(fù)荷.當(dāng)發(fā)動機控制單元提出卸載要求時,為了降低發(fā)電機消耗的功率,能源管理控制第一步減少大功率用電器,第二步降低發(fā)電機電壓.為此,能源管理控制單元通過舒適系統(tǒng)CAN總線向自動空調(diào)裝置控制單元J255發(fā)送要求,對諸如前窗玻璃加熱,座椅加熱,后窗玻璃加熱及PTC加熱等各種加熱系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié).

(3)怠轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速提升

工程實踐中，裂紋的3種形式可單獨出現(xiàn)，同時可組合出現(xiàn)。由于張開型裂紋KI是工程實踐中引起結(jié)構(gòu)失效最為首要的形式，且最為普遍，故成為本文討論的重點。

為了優(yōu)化電網(wǎng)供電以及蓄電池的充電,能量控制單元J644可以要求發(fā)動機控制單元分步提升怠速轉(zhuǎn)速.

(4)發(fā)電機啟動

為了優(yōu)化內(nèi)燃機的啟動持性,在發(fā)動機啟動過程中,能量控制單元J644將發(fā)電機消耗的功率降到最低.

(5)發(fā)電機動態(tài)調(diào)節(jié)

當(dāng)駕駛員打開后窗加熱系統(tǒng)時,發(fā)電機電壓不會馬上升高,而是根據(jù)轉(zhuǎn)速及溫度在數(shù)秒鐘的時間內(nèi)延遲提高,以使發(fā)動機被均勻加載.

3 電源及電源管理系統(tǒng)維修方法

故障診斷儀與汽車各控制單元之間的數(shù)據(jù)交換是通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)的,這樣各控制單元的診斷數(shù)據(jù)通過各自的數(shù)據(jù)總線系統(tǒng)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)里,然后再由網(wǎng)關(guān)經(jīng)診斷插頭傳送到故障診斷儀中.

3.1 電源管理系統(tǒng)故障診斷

使用V.A.S5051或V.A.S5052診斷電源及其管理系統(tǒng)的方法如下:

首先接好診斷儀,接通點火開關(guān),選擇“引導(dǎo)型功能查尋”,再選擇“車輛系統(tǒng)或功能選擇”界面,繼而選擇“61-蓄電池控制”,進(jìn)入后,J644菜單見圖3,根據(jù)需要再選擇有關(guān)菜單.

圖3 進(jìn)入“61-蓄電池控制”后J644的菜單

(1)蓄電池診斷

在奧迪A8 D3轎車上借助能源管理控制單元對蓄電池進(jìn)行檢驗,不必對蓄電池進(jìn)行帶負(fù)荷檢驗.使用“引導(dǎo)性故障查詢”能夠激活“功能與部件選擇”菜單,選擇下拉菜單“蓄電池,電量檢查”,就可以進(jìn)行蓄電池測試.控制單元報告蓄電池的充電狀態(tài)、蓄電池內(nèi)電阻、電流流動情況,同時計算出蓄電池是否正常、是否需要充電或是否需要更換.

(2)讀取歷史數(shù)據(jù)

使用V.A.S5051/2診斷儀可以從J644中讀出數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)對于分析車上供電狀態(tài)和蓄電池是否老化等有很大幫助.

(3)讀取測量數(shù)據(jù)塊

在數(shù)據(jù)塊里能夠通過“引導(dǎo)性故障查詢”調(diào)出如下測量值,為分析電源管理系統(tǒng)的故障提供依據(jù):

①發(fā)電機額定電壓

②蓄電池電壓

③流入或流出蓄電池的電流

④蓄電池溫度

⑤充電狀態(tài)

⑥靜態(tài)電流平均值

⑦發(fā)電機通訊狀態(tài)

⑧應(yīng)急切斷

⑨靜態(tài)電流切斷

⑩蓄電池內(nèi)電阻

(4)查詢故障代碼存儲器

當(dāng)選取“J644-能量管理,查詢故障代碼存儲器”菜單后,能源管理控制單元里就會報告故障記錄,例如發(fā)電機機械故障、發(fā)電機電力故障等.在相應(yīng)故障記錄的數(shù)據(jù)里有更詳明的信息可供使用,如故障存儲時的里程狀態(tài)及發(fā)生日期.

(5)更換控制單元

更換控制單元時,由于新的控制單元設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值為:充電狀態(tài)(SOC)為80%,老化引起的容量損失為0Ah,所以原車上的蓄電池的編碼和歷史數(shù)據(jù)必須覆蓋到新的控制單元EEPROM內(nèi)部,否則會引起靜電流管理系統(tǒng)中的電氣設(shè)備調(diào)節(jié)回饋滯后或延遲接通,控制單元在工作時就會產(chǎn)生較大的誤差.

(6)發(fā)電機電壓控制元件測試

該菜單功能是測試發(fā)電機與J644之間通訊是否正常.使用元件測試可以將發(fā)電機給定電壓調(diào)整為兩種:發(fā)電機給定電壓15.OV和發(fā)電機給定電壓13.5V.用元件調(diào)整的發(fā)電機給定電壓可以在發(fā)電機或蓄電池上測量.

(7)能量管理控制單元測量空載電流

菜單“能量管理控制單元測得的空載電流”的功能是測試車輛在進(jìn)入睡眠模式時空載電流的多少,正常值應(yīng)在50 mA以下[5].

3.2 奧迪A8 D3轎車蓄電池的維護(hù)

(1)蓄電池充電

利用外部充電設(shè)備給蓄電池充電時,充電設(shè)備的輸出端正極電極鉗必須正確地夾在蓄電池正極上,輸出端負(fù)極電極鉗應(yīng)跨接在能源管理控制單元外部啟動接頭上,切勿直接接到蓄電池的負(fù)極上.原則上蓄電池應(yīng)在車上充電,這樣能源管理控制單元就可以在計算蓄電池充電值時計入這部分流入的電流.

為了避免使用外部充電設(shè)備充電時損壞車內(nèi)車載網(wǎng)絡(luò),原則上禁止對車內(nèi)蓄電池進(jìn)行快速充電,如充電電壓高于14.8 V.因為能源管理器無法記錄快速充電的數(shù)值,也就無法確定蓄電池充電狀態(tài)和預(yù)測啟動性能.

(2)更換蓄電池

由于在更換蓄電池前,儲存在電源管理器的EEPROM中的數(shù)值是舊蓄電池的充電狀態(tài)和舊蓄電池的老化引起的容量損失,所以在更換蓄電池時,必須對能源管理控制單元進(jìn)行編碼.新蓄電池必須經(jīng)過診斷儀的檢測.在引導(dǎo)性故障查詢系統(tǒng)里,由蓄電池管理器的自診斷系統(tǒng)提供了“蓄電池編碼”菜單供使用.編碼時須提供蓄電池的序列號.序列號就標(biāo)在蓄電池上.

(3)外部啟動

利用外部電源啟動時,啟動線的地線接在能源管理控制單元外部啟動接頭上,正極線接在外部啟動夾鉗上.

[1]張新豐.車載電源管理系統(tǒng)設(shè)計[J].電工技術(shù)學(xué)報,2009,24(5):209-213.

[2]廖曉軍,何莉萍.電池管理系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢[J].汽車工程,2006,28(10):961-965.

[3]汪學(xué)森,汪學(xué)慧.電源管理系統(tǒng)及故障診斷[J].汽車維護(hù)與修理,2008,68(5):66-67.

[4]李成學(xué),丁 磊.電動汽車蓄電池組管理系統(tǒng)及其狀態(tài)檢測[J].蓄電池,2009,46(4):80-83.

[5]上海研華公司.車載電源控制和電源設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[J].工業(yè)控制計算機,2009,22(8):104-105.