能量管理控制单元的结构形式主要有如下三种:
(1)独立的能量管理控制单元如图3所示为独立的能量管理控制单元,它有三个功能模块,这些功能模块在不同的车辆状态下开始工作。功能模块1是蓄电池管理器,它负责蓄电池诊断,总是处于工作状态。功能模块2是静态电流管理器,在发动机不工作状态下,它在必要时会关闭驻车后的用电设备。功能模块3用于动态管理,在发动机工作状态下,它用于调节充电电压以及降低负荷,即减少用电设备数量。
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(2)与熔丝盒集成的能量管理控制单元如图4所示为与熔丝盒集成的能量管理控
制单元,它由两个模块组成,模块1集成了大容量熔丝,经主线束向大功率电气设备分配电能并起保护作用;模块2集成了线路板、熔丝和继电器,其功能有:向电气设备分配电能并起保护作用;当出现接地短路或电气设备不正常运行造成的电流过载时,进行断电保护;作为CAN总线中的一个控制单元,在CAN网上通信;接收发动机室某些传感器信号;控制发动机室某些执行器工作;控制点火电源;对耗电模式进行控制,在正常模式和省电模式之间切换。
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(3)与发动机控制单元集成的能量管理控制单元如图5所示为与发动机控制单元集成的能量管理控制单元,作为能量循环回路的核心,起到产生、存储、分配和转换电能的作用。其功能有:识别蓄电池状态;授权蓄电池放电;确保蓄电池充电电压在规定值内;必要时关闭供电总线端或关闭用电设备;调节大功率电器的功率大小;提高怠速转速,增加发电机供电量;车载网络系统诊断等。
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2.蓄电池
由于现代车载网络系统的能量消耗越来越大,对蓄电池容量的要求也越来越高。因此,各大汽车生产厂商采用了更加稳定可靠的免维护阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池。部分汽车生产厂商采用了双蓄电池,还有采用42V蓄电池方案的,以下进行简单介绍。
(1)吸收式玻璃纤维网垫{ AGM)蓄电池AGM蓄电池如图6所示,它的极板更大,功率密度增大,隔板由玻璃纤维网构成,达到了更高的循环强度,从而改善了冷起动能力、电流消耗量和使用寿命;它采用了带有安全阀的密封壳体,其蓄电池酸液保留在玻璃纤维网内。
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蓄电池充电时通过电解释放出氧和氢两种气体,且这两种气体会重新转化为水。充电时正极处产生的氧气通过渗透性玻璃纤维网到达负极处,并在此与电解液中的氢离子发生反应而形成水。因此不会释放出任何气体,电解液也不会流失。
产生气体过多,即压力过高时(2~20kPa) , AGM蓄电池的安全阀就会排出气体,同时不会让空气中的氧进入。任何情况下都不能打开AGM蓄电池,因为如果空气中的氧气进入其内部,蓄电池就会失去其化学平衡且无法正常工作。此外,不得将AGM蓄电池安装在高温的发动机室内,这样会大大降低蓄电池的使用寿命。
(2)双蓄电池系统图7所示为双蓄电池系统,该系统有两个蓄电池,一个为起动蓄电池,另一个为供电蓄电池,均为12V免维护蓄电池,只是容量不同。两个蓄电池用一个并联电路继电器和能量管理控制单元内的一个断路继电器连接在一起。
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起动蓄电池主要为起动机提供电能。起动时,并联电路继电器接通,起动后断开。此外,起动蓄电池还为附加电器供电。当起动蓄电池电压下降时,通过能量管理控制单元内的一个充电继电器的接通进行充电。
供电蓄电池主要协助发电机为车上电气设备供电,当发动机工作时,发电机持续为车上电气设备供电和为供电蓄电池充电,如电气设备较多,电能供应不足,可由供电蓄电池补充;当发动机不工作时,由供电蓄电池为车上电气设备暂时供电。
由此可见,起动蓄电池和供电蓄电池是把汽车蓄电池的功能分开,避免功能之间的干扰。
(3) 42V蓄电池系统随着汽车电气系统的用电量大幅增加,目前的14V蓄电池系统只能产生3kW的动力,已经不能满足需要,而42V蓄电池系统能提供8kW的动力,为汽车电器提供了较大的发展空间。采用42V电源的最重要的意义还在于使产品设计人员从过去的许多局限性中解脱出来,为汽车技术的发展提供了充分的想象空间。
新的42V电源系统有两种类型,一种是单一电压的42V蓄电池系统,另一种是双电压的14V/42V蓄电池系统。
14V/42V双蓄电池系统将汽车电器与电控装置根据耗电大小分为两组,中小功率为一组,用14V电压供电,较大功率电器装置采用42V电压供电,这些装置平均功率分别在400~1000W范围内,峰值功率可高达500~5000w。提高电压值可以减小电器装置本身的体积、质量和损耗,也有利于控制装置的小型化,提高集成度。例如三元催化转化器、风窗玻璃加热器、空调鼓风机、电气悬架、电磁阀驱动电器等。传统电器及部分电器装置(例如照明、信号、仪表板、电动摇窗机、中控门锁系统、发动机电子燃油喷射装置、点火控制置等)功率不大,采用14V电压供电有利。
单一电压的42V蓄电池系统具有使用效率高、控制系统较为简单、配用电池为一组同等电压的蓄电池等特点,其核心是集成式起动-交流电机系统。该系统集电源起动供电和交流电机发电两大功能于一身,可以实现更强大的电力供应以及具有良好的起步-停车特性,并因此具有更佳的燃油经济性和更低的有害气体排放。该系统还可以在低发动机转速下有效提速,并可以显著缓冲发动机的转矩脉动。该系统的独到之处还在于与之相配的电源系统由蓄电池组和超级电容器组成。但在现有的生产工艺和人们对价格的认可方面还未能普及。
3.发电机
目前,大多数汽车发电机集成了电压调节器,成为整体式交流发电机。集成电路电压调节器可以利用改变磁场电流的占空比,来改变发电机的输出电压。能量管理控制单元通过监测和控制发电机的发电量和电负荷,实现对车上电气设备的稳定供电。
如图8所示,能量管理控制单元接收蓄电池传感器传来的温度和电流信号以及发电机输出电压,计算最佳发电量,并发送充电控制信号至发动机控制单元,由发动机控制单元控制一个5V的固定脉冲,进行脉宽调制信号的调制,即实现0~100%磁场电流占空比调节发电机磁场电流,以实现对其输出电压的控制。