一种乘用车的电源管理系统

谢璞光， 范程程， 涂 斌， 范宇希， 郭亚强， 柴 浩

（1.长城汽车股份有限公司技术中心，河北 保定 071000；2.河北省汽车工程技术研究中心，河北 保定 071000）

目前为了保护环境，国家大力支持汽车节能减排的研发，大力倡导节能科技研发与应用，针对汽车节能减排研究与应用进入了快速发展的轨道。电源管理系统［1］（包括动态电源管理及休眠电流管理）的应用，可以使车辆的启动性能和电池的寿命明显地提高和改善，且能够有效降低整车的油耗。

现在乘用车型上搭载电源管理系统存在以下缺点：①功能单一，仅具有制动能量回收［2］功能，且结构较为复杂；②未考虑起动过程对蓄电池及其他用电器稳压（蓄电池频繁启动会导致蓄电池的使用寿命降低）；③现用的电源管理系统不具有稳压功能。

因此本方案设计了一种新型的电源管理系统，可有效降低蓄电池的深放电及制动过程中的能量浪费等问题，同时具有稳压功能，可以防止车辆在智能启停过程中因电压过低导致部分电器件的重启。

1 方案介绍

图1为总体设计方案图。该电源管理系统主要涉及超级电容、发动机ECU、EBS、智能发电机等。发动机ECU发出智能启停信号，超级电容［3］负责储存/放出电量。下面对各个系统逻辑进行说明。

图1 12V电源管理系统总体方案

1）超级电容：在起动过程中放电，对蓄电池进行电压补偿，防止因蓄电池电压跌落过低，导致部分电器件重启。

2）发动机ECU：检测整车是否满足智能启停条件，并将智能启停的信号发送给PMU控制器。

3）EBS：检测蓄电池的电压、SOC等，并将相应的信息传送给发动机ECU及PMU控制器。

4）PMU控制器：①接收发动机ECU发出的智能启停信号，将超级电容存储的电量补偿给蓄电池；开关K2的闭合时间点与蓄电池被拉低的电压值有关。例如，在起动过程中，当蓄电池电压被拉低至10V时，开关K1断开，K2闭合，此时蓄电池与超级电容串联，起动机两端电压在15V左右，保证起动过程中整车电压不至于过低。②在行驶过程中将智能发电机产生的14V电压经过内部2#DC/DC转换成5V，给超级电容充电。③接收EBS发送过来的电池状态信息，起动之前对蓄电池电量进行评估，判定是否需要超级电容放电辅助普通铅酸电池对发动机进行起动。

2 12V电源管理系统工作原理

支持LIN、CAN通信以及其他通信协议。

2.1 整车休眠情况下

开关K1闭合，K2、K3断开，蓄电池负极通过开关K1与整车搭铁连接在一起，此时PMU控制器无功能（相当于该控制器被短路，且不消耗整车静态电流）。

2.2 整车唤醒状态下（非着车）

开关K1闭合，K2、K3断开，PMU控制器首先检测超级电容的电压值，判定超级电容是否需要充电，然后检测蓄电池的电压值（蓄电池的电压值信号由EBS传输给PMU控制器）是否满足对超级电容进行充电，最后对比超级电容的电压与蓄电池的电压的比值，判定是否需要通过蓄电池对超级电容进行充电。

若超级电容电压＜阈值U4，蓄电池电压值＞阈值U1，且蓄电池电压/超级电容电压≥N（需要给出一个值）时，开关K2断开，K1、K3闭合，对超级电容进行充电30s。整车唤醒状态下（非着车），PMU控制器工作流程如图2所示。

图2 整车唤醒状态下（非着车）PMU控制器工作流程图

2.3 整车起动过程中

2.3.1 非智能启停过程

1）当普通铅酸电池电量充足的情况下（电池SOC满足起动要求），起动过程中开关K1闭合，K2断开，使用铅酸电池将整车起动。

2）当普通铅酸电池电量不足的情况下（电池SOC不满足起动要求），起动前K1闭合，K2、K3断开，在起动过程中，当PMU控制器检测到蓄电池电压≤10V时，开关K2闭合，K1、K3断开，铅酸电池和超级电容（串联）共同作用将整车起动。整车非智能启停过程，PMU控制器工作流程如图3所示。

图3 整车非智能启停过程，PMU控制器工作流程图

2.3.2 智能起停启动过程

PMU控制器信号端接收发动机ECU传输的启停信号，开关K1闭合，K3、K2断开，起动过程中，当PMU控制器检测到蓄电池电压≤10V时，开关K2闭合，K1、K3断开，铅酸电池和超级电容（串联）共同作用将整车起动，防止蓄电池因起动过程被拉低，导致部分电气负载重启。整车智能启停过程，PMU控制器工作流程如图4所示。

图4 整车智能启停过程，PMU控制器工作流程图

2.4 整车着车过程中

整车起动过程结束后，开关K1、K3闭合，K2断开，此时发电机通过PMU控制器通过2#DC/DC对超级电容进行充电。

步骤1：每次充电30s后，2#DC/DC断开。

步骤2：PMU控制器检测超级电容的电压，若超级电容电压达到U2，充电结束。

步骤3：若超级电容电压未达到U2，则重复步骤1和2，直至超级电容的电压值达到预定值U2。

2.5 制动能量回收

当车辆处于制动过程中，智能发电机电机在制动过程中以最大的发电电压发电，PMU接收制动系统传来的信号，开关K1、K3闭合，K2断开，智能发电机电机在制动过程中产生的15V发电电压通过2#DC/DC降低至6V对超级电容进行充电。制动能量回收过程结束后，PMU控制器检测超级电容的电压是否达到预定值U3。若达到预定值U3，则下次制动能量回收过程不再对超级电容进行充电；若未达到预定值U3，则下次制动能量回收过程继续对超级电容进行充电。整车制动能量回收过程，PMU控制器工作流程如图5所示。

图5 整车制动能量回收过程，PMU控制器工作流程图

3 结语

本文就目前乘用车市场的电源系统进行简单介绍，就能量回收系统及电源稳压系统进行简单说明，从国家对于乘用车排放要求越来越严格的趋势上来看，超级电容因其充电时间短、循环寿命长等优点，且在制动能量回收方面效果明显，未来会得到越来越广泛的应用。