宝马智能化能量回收利用系统工作原理与解析
BMWCHE/2015-11-02/技术解析/阅读:次
一、概述
宝马公司采取各种技术措施来降低二氧化碳排放，降低油耗，其中一项措施是部分回收并利用发动机动能，也就是采用智能化发电机调节(IGR)系统。虽然这项措施的减排效果与驾驶方式有关，但总体来说最多可以减少3%的二氧化碳排放，从而节省能量。对于客户而言，这项措施不会对车辆功率输出产生任何影响。
智能化发电机调节系统的核心技术是扩展蓄电池的充电策略。蓄电池不再被完全充满，而是根据不同的环境条件(车外温度、蓄电池老化等)充电到规定程度。
与传统充电模式不同，在智能化发电机充电模式下，智能化发电机调节系统能够在车辆滑行阶段进行能量回收利用，此时发电机在最大外部激励状态下工作，将所产生的电能储存在蓄电池内，而不消耗燃油。车辆在滑行期间产生的动能通过车轮和发动机作用在发电机上，从而产生电能。在车辆加速阶段，发电机不受外部激励作用，不会为产生电能而消耗能量和燃油。
与传统充电模式不同，在智能化发电机充电模式下，智能化发电机调节系统能够在车辆滑行阶段进行能量回收利用，此时发电机在最大外部激励状态下工作，将所产生的电能储存在蓄电池内，而不消耗燃油。车辆在滑行期间产生的动能通过车轮和发动机作用在发电机上，从而产生电能。在车辆加速阶段，发电机不受外部激励作用，不会为产生电能而消耗能量和燃油。
二、控制原理
(一)能量回收利用
智能化发电机调节系统的降低油耗方式是，在有利于回收能量的行驶状态 (滑行阶段) 下，根据提高发电机电压的请求信号 (规定值) 回收并利用能量。系统将这个不在使用燃油的情况下回收的能量储存在蓄电池(有接收能力)内。
蓄电池充电状态必须为规定的充电状态，以便可以继续充电。100%充电的蓄电池无法接收能量，智能化发电机调节系统能够避免这种情况出现。
(二)能量和信息流
智能化发电机调节系统以软件形式集成在汽油 /柴油发动机控制模块 (DME/DDE 控制模块)内。E70智能化发电机调节系统控制流程见下图。
1.发电机 2.汽油/柴油发动机控制模块(DME/DDE控制模块) 3.智能型蓄电池传感器(IBS) 4.蓄电池 5.车辆用电器
智能化发电机调节系统控制流程图
发动机控制模块利用位串行数据接口与智能型蓄电池传感器和发电机通信。电源管理系统根据智能型蓄电池传感器信号对蓄电池的充电和老化状态进行监控。电源管理系统是负责电源管理方面所有计算工作的软件系统。在带有智能化发电机调节系统的车辆上，该软件系统还负责控制智能化发电机的调节过程。
其他信息来自整个总线系统上的相关控制模块。电源管理系统对收集的信息进行分析，得出影响充电过程的因素。在尽可能不利用发动机能量的情况下，智能化发电机调节系统以精确匹配的方式为蓄电池充电。
三、系统功能
(一)充电策略
电源管理方式不同，充电策略也不同。传统电源管理系统与新型电源管理系统的充电策略对比见下表。
传统电源管理系统与新型电源管理系统的充电策略对比表
(二) 充电状态和电压调节
与传统充电调节方式不同，在智能化蓄电池调节方式下，蓄电池不会被100%充电，最大充电范围为70% ~ 80%。因此，在智能化发电机调节系统中，发电机电压在低电压范围内的时间相对较长，以便蓄电池更有效地吸收电流。
即便如此，系统还是会定期解除智能化发电机调节功能并允许蓄电池100%充电，以确保蓄电池长期保持全部容量 (恢复)。智能化发电机调节系统的充电状态和电压调节见下图。
电压(V)
1.发电机电压 2.允许的最大电压范围
3.发电机调节范围 4.传统发电机充电电压调节范围(13~15V)
5.智能化发电机充电电压调节范围(12~15V)，在车辆滑行阶段为蓄电池充电
3.发电机调节范围 4.传统发电机充电电压调节范围(13~15V)
5.智能化发电机充电电压调节范围(12~15V)，在车辆滑行阶段为蓄电池充电
智能化发电机调节系统的充电状态和电压调节图
(三)运行状态
1、概述
智能化发电机调节系统的运行状态见下图。
1.蓄电池充电状态较低(长时间未充电) 2.IGR中等充电状态 3.IGR较低充电状态
4.IGR较高充电状态 S0C.充电状态(Stateofcharge) SOC_max.最高充电状态 SOC_min.最低充电状态
4.IGR较高充电状态 S0C.充电状态(Stateofcharge) SOC_max.最高充电状态 SOC_min.最低充电状态
智能化发电机调节系统的运行状态图
智能化发电机调节系统有3个运行状态：
(1) IGR较低充电状态。在车辆滑行期间，智能化发电机调节系统提高发电机电压并为蓄电池充电，进行能量回收及利用。蓄电池的IGR较低充电状态见下图。
SOC_S1：蓄电池第一阶段充电状态 S0(、_S2：蓄电池第二阶段充电状态
蓄电池的lGR较低充电状态图
只有蓄电池达到某一充电状态后，智能化发电机调节系统才开始工作。也就是说，如果达到规定的充电状态(SOC_S1) ，那么智能化发电机调节系统就会开始工作。在此之前，发电机始终为蓄电池充电，而且与传统充电系统一样，充电调节过程始终持续进行，即使在车辆驱动期间，也进行该调节过程。
(2) IGR中等充电状态。在 IGR较低与 IGR较高充电阶段之间，蓄电池处于 IGR中等充电状态(调节程度为中等)，见下图。
SOC_S1：蓄电池第一阶段充电状态 SOc_s2：蓄电池第二阶段充电状态
蓄电池的lGR中等充电状态图
系统通过减小发电机负荷来保持目前的充电状态，不允许蓄电池耗电。在车辆驱动期间，发电机只为用电器提供能量，不对蓄电池充电，同时维持车载网络的电压。
(3) IGR较高充电状态。系统通过减小发电机负荷来使能量从蓄电池返回到车载网络系统中，见下图。
SOC_S1：蓄电池第一阶段充电状态 SOC_S2：蓄电池第二阶段充电状态
蓄电池的lGR较高充电状态图
2、IGR较低充电状态
在车辆滑行期间，智能化发电机调节系统通过提高发电机电压来保持蓄电池较低充电状态，这种状态仅在发动机转速超过l000r/min且车速约为10km/h时才出现。蓄电池 IGR较低充电状态工作原理见下图。
1.燃油箱：不使用燃油 2.燃油喷射装置：喷嘴关闭
3.发动机：由驱动轮产生的动能推动 4.发电机：产生最高功率
5.用电器： 由发电机提供电能
6.汽油/柴油发动机控制模块 (DME/DDE控制模块) ：通过位串行数据接口与 IBs和发电机相连
3.发动机：由驱动轮产生的动能推动 4.发电机：产生最高功率
5.用电器： 由发电机提供电能
6.汽油/柴油发动机控制模块 (DME/DDE控制模块) ：通过位串行数据接口与 IBs和发电机相连
7.智能型蓄电池传感器(田S)：识别蓄电池充电情况
8.蓄电池：以最高电压充电 BSD.位串行数据线 max.最高 min.最低
8.蓄电池：以最高电压充电 BSD.位串行数据线 max.最高 min.最低
蓄电池lGR较低充电状态工作原理图
随着滑行次数和持续时间的增加，蓄电池充电状态不断提高。IGR较低充电状态下，蓄电池充电状态最高可达100%。 -
3、IGR中等充电状态
在使用燃油行驶阶段，智能化发电机调节系统发出部分减小发电机负荷的请求信号。此时发电机不再主动为蓄电池充电，而是仅使其充电状态保持在足够使用的程度。蓄电池IGR 中等充电状态工作原理见下图。
1.燃油箱：不提供燃油 2.燃油喷射装置：喷嘴向发动机供油
3.发动机：将燃油的化学能转化为机械能
4.发电机：产生足够的电能，满足当前电能需求
5.用电器：由发电机供电
6.汽油/集油发动机控制模块(DME/DDE控制模块)：通过位串行数据接口与IBS和发电机相连
7.智能型蓄电池传感器(IBS)：识别蓄电池既不充电，也不向外供电
8.蓄电池：充电状态保持不变 BSD.位串行数据线 max.最高 西.最低
3.发动机：将燃油的化学能转化为机械能
4.发电机：产生足够的电能，满足当前电能需求
5.用电器：由发电机供电
6.汽油/集油发动机控制模块(DME/DDE控制模块)：通过位串行数据接口与IBS和发电机相连
7.智能型蓄电池传感器(IBS)：识别蓄电池既不充电，也不向外供电
8.蓄电池：充电状态保持不变 BSD.位串行数据线 max.最高 西.最低
蓄电池IGR中等充电状态工作原理图
在这种状态下，发电机只为车载网络供电。也就是说，除滑行阶段外，蓄电池充电状态几乎保持不变。只有达到蓄电池的某一最低充电程度时，系统才能进行智能化发电机调节。
4、IGR较高充电状态
蓄电池充电状态足够时，智能化发电机调节系统调节发电机电压的原则是，蓄电池以可接受的程度向外供电，此时车载网络中的大部分用电器由蓄电池供电。蓄电池IGR较高充电状态工作原理见下图。 .
1.燃油箱：提供燃油 2.燃油成射装量：喷嘴向发动机供油
3.发动机：将燃油的化学能转化为机械能
4.发电机：只维持车裁网络稳定运行 5.用电器：大部分用电器由蓄电池供电
6.汽油/集油发动机控制模块(DME/DDE控制模块)：通过位串行数据接口与IBS和发电机相连
7.智能型蓄电池传感器(IBS)：识别从書电池接收电能的情况
8.蓄电池：向外供电BSD.位串行数据线 max.最高min.最低
3.发动机：将燃油的化学能转化为机械能
4.发电机：只维持车裁网络稳定运行 5.用电器：大部分用电器由蓄电池供电
6.汽油/集油发动机控制模块(DME/DDE控制模块)：通过位串行数据接口与IBS和发电机相连
7.智能型蓄电池传感器(IBS)：识别从書电池接收电能的情况
8.蓄电池：向外供电BSD.位串行数据线 max.最高min.最低
蓄电池IGR较高充电状态工作原理图
在这种充电状态下，发电机负荷最小，只起到维持车载网络稳定运行的作用。充电电压由电源管理系统限制到与车载网络电压相匹配的程度。
(四) 情环充电次数
对于具有智能化发电机调节(IGR)功能或发动机节能启停控制(MSA)功能的车辆，由于循环充电次数较高，因此必须使用 AGM蓄电池，这种蓄电池的充电次数是普通蓄电池的3倍。如果安装一个普通蓄电池(标准型) ，那么会导致该蓄电池提前老化。
在以下条件下，智能化发电机调节功能将被解除：
(1) 蓄电池充电状态过低。
(2)环境温度过低。
(3) AGM蓄电池达到最大充电次数而逐步停用。
若需要关闭智能化发电机调节系统，则必须使用诊断仪的发电机检测停用菜单。
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