汽车工程手册：EEM电能管理

蓄电池过度放电和故障增加了无法起动发动机的风险，这是目前汽车的主要故障。全德汽车俱乐部（ADAC）2005年的汽车故障统计证明，在蓄电池使用1年后，蓄电池故障超过汽车总故障的15%。蓄电池故障中的最大部分源于过度放电。在蓄电池使用3年后，有故障的蓄电池占全部的5%，过度放电蓄电池故障超过全部故障的10%。

采用控制电能分配和电能生产的电能管理可以克服这类故障并明显减少由于蓄电池过度放电而出现的故障次数。电能管理可提高汽车电气系统和汽车电能的可支配性。

图5.7-1是电能管理（EEM）原理图。

图5.7-1 电能管理（EEM）结构

电能管理的任务是在汽车行驶时保证正的或至少是均衡的充电平衡和在发动机停机时监控电能需要，从而保证起动发动机的能力。通过协调接通用电器件（仪器、装置）可削低汽车电气系统的峰值负荷。

EEM包括蓄电池管理、发电机管理和负荷管理模块。并提供与外部的电能生产、电能储存、电能分配系统和发动机管理相连的接口^[10]。

通过各参与系统的智能管理，EEM控制电能生产、电能储存和电能消耗的电能流动。

1.EEM功能

图5.7-2是EEM的可能结构。它有一个用户专有的、按用户理念定义的功能层面，如显示方案、诊断方案，但也可在停车或行驶时干预电能管理^[11]。在与用户无关的层面中，将各模块组合在一起。这些模块为用户功能提供输入参数或辅助参数，其中有蓄电池状态识别，借助于发电机模型还可得到如发电机转矩和功率储备的发电机参数。EEM所需的汽车行驶状态识别（静态模式、起动模式，……）同样是与用户无关的层面中的一部分。

图5.7-2 电能管理（EEM）的可能结构

（1）静态电流管理　在较长停车后通过连续激活未按规定或粗心而没有放在静态模式的电控单元，智能的静态电源管理就可监控蓄电池放电状况。同样，在发动机停机时静态电能管理可优化用电器件（仪器、装置）用电的可支配性，如停车采暖、导航系统、收音机、车载电话等信息通信部件。

当发动机起动能力受到威胁时蓄电池状态识别模块向显示模块发送信息，以通知用电器件。此外，在接近起动发动机能力极限时用电器件（仪器、装置）管理降低电能消耗，直至切断各个电用器件，以尽可能长地保存起动发动机能力。

在汽车电气系电能临界状态的显示和切断电能方案，特别要按各汽车生产厂家和用户的专门要求，规定电能减小幅度和各个用电器件的用电先、后次序。

（2）行驶状态/动态电能管理　在发动机和发电机工作时，用电器件管理可控制用电器件的接通和切断。协调接通用电器件有利于降低电能的峰值。此外，在用电器件高动态接通前可以将接通用电器件的意愿与发电机管理联系起来，以尽早励磁发电机并提高发电机电压的稳定性。

为了制动能量回收和控制像前风窗玻璃加热和PTC加热器的高电能加热系统而协调发电机控制，也属于动态电能管理模块^[12]。

在电气系统过负荷时首先降低高电能加热系统以及具有储存性能的用电器件电能，以避免蓄电池进一步放电。利用受控的、暂时和优先切断用电器件，可实现用电器件的功能与设定的功能的偏差尽量小和几乎不会损伤汽车乘员的功能，但在较长地保持或在高的过负荷时就不再可能达到这种情况，因为由此产生的功能偏离只在特殊情况下才能接受。所以电气系统设计应保证在绝大多数情况下不损伤汽车乘员的功能。

利用EEM降低用电器件电能的一个选择是暂时增加电能生产。在低转速范围发电机输出电能急剧减少。在发动机低转速范围提高发电机转速可显著地增加电能生产。增加电能生产的简单措施是提高发动机怠速转速。调整自动变速器换档策略是提高发电机转速的另一个选择。因为调整自动变速换档策略对燃料消耗和排放的不利影响，所以这种干预只在加速蓄电池充电时才有意义。

（3）诊断和显示　在诊断模块中运行着用户专门的EEM监控算法程序。它不但包括识别过高静态电流的一些用电器件和功能损伤，而且包括由于电能管理的错误或不可信的输入参数而造成功能损伤。

临界的电能状态显示方案和由此引起的电能管理干预程序固定在显示模块中。依靠显示方案，驾驶人可以不断地干预EEM，但它会部分地牺牲乘员的舒适性。

（4）附加功能　除上述功能外，电能管理还支持一些特殊的功能（图5.7-3），如：

1）车间诊断，如对用电器件的诊断以识别有故障的静态电流用电器件（仪器、装置）。(www.xing528.com)

2）生产中诊断，如测量汽车电能消耗和识别有故障的电控单元。在生产过程中利用电能管理所需的传感装置，可以取消附加的诊断仪器而具有降低成本的潜力。

3）激活运输模式，可使装船运送汽车时的静态电流需要降至最小。

4）电能管理还支持广泛的汽车电气系统的诊断和覆盖汽车各系统的诊断^[13]。

图5.7-3 EEM的附加功能

2.蓄电池状况识别/蓄电池管理

电能管理的干预与正常的电能管理不同，会破坏乘员的舒适性和/或增加燃料消耗。只有在蓄电池临界状况，如威胁到起动发动机能力时才进行电能管理的干预。

良好的电能管理的前提是要可靠地识别蓄电池状况。检测蓄电池参数：电流、电压、温度就可获得所需的蓄电池信息。如利用蓄电池电子传感器（EBS-Elektronischer Batteriesonsor）可得到这些参数。

EEM的输入参数是蓄电池充电状况（SOC—State of Change）、蓄电池工作能力（SOF—State of Function）和蓄电池老化状况（SOH—State of Health），即预测在各种情况下的蓄电池性能。图5.7-4是蓄电池电子传感器和EEM间的接口。

预测在设定的用电状况直至达到起动发动机能力边界时从蓄电池取出的电能，或预测在设定的负载电流时的电压降可以提供影响电能管理的策略的信息^[14]。

对蓄电池状况识别（BZE）的要求随着对电能供给的可靠性要求增加而不断提高。特别是对线控系统的应用，BZE还要继续开发BZE算法。

3.蓄电池电子传感器（EBS）

蓄电池状况识别的输入参数通常是蓄电池电流、端子电压和蓄电池温度。为此，必须精确、动态、与时间同步地检测这些参数。这意味着对传感装置有很高的要求。出于成本和安装空间的原因，将传感器与极端子组合在一起，并直接安装在端极上（图5.7-5）。因为波兰人已将与极端子组合的传感器按DIN72311标准化，所以可与各种蓄电池匹配。

图5.7-4 蓄电池电子传感器和EEM间的接口

图5.7-5 蓄电池电子传感器EBS

图5.7-6为蓄电池电子传感器与高集成电路框图。利用支路测量电流。它要精确测量小到mA范围的静态电流，大到高达1500A的起动电流。EBS的基础是一个专用集成电路（ASIC）。它包含一个功能强大的微处理器，以检测和处理测量值。在微处理器中还运行着蓄电池状况识别的算法程序。状况识别的输出参数通过通信接口（如LIN-Bus）传输给电控单元，以在电能管理中继续处理^[15]。

图5.7-6 EBS电路框图

（资料来源：Bosch）