Автомобильное электрооборудование, это совокупность устройств, вырабатывающих, передающих и потребляющих электроэнергию на автомобиле. Автомобильное электрооборудование представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных электротехнических и электронных систем, приборов и устройств, обеспечивающих функционирование двигателя, трансмиссии и ходовой части, безопасность движения, автоматизацию рабочих процессов автомобиля и комфортные условия для водителя и пассажиров.

 

 

 

Источники электрического тока в автомобиле

 

Электрооборудование автомобиля включает в себя генератор как преобразователь энергии, одну или несколько аккумуляторных батарей и устройства-электропотребители. Энергия акку­муляторной батареи подается на стартер, кото­рый затем запускает двигатель автомобиля. Во время работы автомобиля на систему зажигания, систему впрыска топлива, блоки управления, си­стемы обеспечения безопасности и комфорта, освещения и другое оборудование подается электрическое питание. Генератор подает не­обходимое электрическое питание на эти ком­поненты и заряжает аккумуляторную батарею.

Повышение требований к комфорту и безо­пасности приводит к значительному росту энер­гопотребления в бортовой сети. Кроме того, про­должающаяся тенденция к электрификации все большего числа компонентов (например, регули­ровка сидений, электрический стояночный тор­моз, электроусилитель рулевого управления). Номинальная мощность генераторов варьиру­ется от 1 кВт в субкомпактном классе до более 3 кВт в представительском классе. Это меньше, чем в общей сложности требуется потребите­лям. Другими словами, аккумуляторная батарея тоже должна подавать электрическое питание во время работы автомобиля. Все компоненты должны быть рассчитаны таким образом, чтобы баланс заряда аккумуляторной батареи был всегда положительным или хотя бы равным.

 

Функция автомобильного оборудования

 

Генератор подает электрический ток (I_G, рис. «Схема электрической системы автомобиля» ) во время работы двигателя. Чтобы зарядить аккумуляторную батарею, генератор должен увеличить напряжение в бортовой сети выше на­пряжения батареи с разомкнутым контуром. Однако генератор способен сделать это лишь тогда, когда включенные потребители не по­требляют ток больше, чем генератор может создать. Если ток нагрузки оборудования I_v в бортовой сети автомобиля больше тока генератора I_G (напри­мер, на холостых оборотах), то аккумулятор­ная батарея будет разряжаться. Напряжение в бортовой сети падает до уровня напряжения бата­реи, откуда потребляется ток.

 

 

Максимальный ток генератора очень сильно зависит от оборотов и температуры генератора. На холостых оборотах генератор может давать лишь 55-65% номинальной мощности. Однако сразу после холодного пу­ска зимой генератор начиная со средних обо­ротов, способен подавать в бортовую сеть до 120% своей номинальной мощности. Когда двигатель горячий, моторный отсек нагрева­ется до 60—120 °С, в зависимости от окружаю­щей температуры и нагрузки на двигатель. Высокая температура в моторном отсеке уве­личивает сопротивление обмоток, что умень­шает максимальную мощность генератора.

Должно обязательно гарантироваться рав­новесие заряда батареи путем правильного подбора аккумуляторной батареи, генератора, стартера и другого электрооборудования, чтобы двигатель мог всегда запуститься и, при выключенном двигателе можно было в течение достаточно долгого времени включать различные электропотребители.

 

Схема и принцип работы бортовой сети напряжением 14В

 

Электрическую схему автомобиля можно представить, как взаимодействие преобразо­вателя энергии (генератора), аккумулятора энергии (аккумуляторной батареи) и потре­бителей (рис. «Схема электрической системы автомобиля» ).

Генератор приводится через клиновой ре­мень от коленчатого вала двигателя и пре­образует механическую энергию в электри­ческую. Регулятор генератора ограничивает выходную мощность таким образом, чтобы не превышалось заданное регулятором на­пряжение (14,0-14,5 В).

Когда ключ вынут из замка зажигания, напряжение подается лишь на несколько по­требителей (охранная сигнализация, радио­приемник, дополнительный отопитель и пр.). Вывод, через который запитываются эти по­требители, называется «вывод 30» (постоян­ный плюс).

Прочие потребители подключаются к «вы­воду 15». Когда ключ зажигания находится в положении «зажигание ВКЛ», напряжение батареи подается на этот контакт, и все по­требители подключаются к питанию.

 

Места размещения аккумуляторной батареи

 

В большинстве автомобилей аккумуляторная батарея размещается в моторном отсеке. Однако большая аккумуляторная батарея (например, на 100 А-ч) занимает много ме­ста и иногда, когда свободное пространство в моторном отсеке ограничено, ее не удается туда установить. Еще одним аргументом про­тив установки аккумуляторной батареи в мо­торном отсеке является потенциально очень высокая окружающая температура. В каче­стве альтернативы аккумуляторную батарею можно устанавливать в багажном отделении или в салоне (например, под сиденьем перед­него пассажира).

 

Влияние места установки аккумуляторной батареи на зарядное напряжение

 

Расстояние между аккумуляторной батареей, установленной в моторном отсеке, и генерато­ром короче, чем, когда аккумуляторная батарея устанавливается в багажном отделении. Это сказывается на повышенном сопротивлении проводов и непосредственно влияет на падение напряжения в них. Падение напряжения можно минимизировать посредством соответствую­щих сечений проводов и хорошего контакта с небольшим сопротивлением контактов, даже по истечении длительного времени.

На рис. а, «Места размещения аккумуляторной батареи» показаны условия для установки в моторном отсеке. Для аккумуляторной батареи, установленной в багажном отделении, требу­ются более длинные провода с дополнительным сопротивлением R_L2 (рис. b, «Места размещения аккумуляторной батареи»). Из-за большего падения напряжения зарядное напряжение аккумуляторной батареи, установленной в багажном отделении будет меньше. Дополни­тельную разность напряжения, вызванную ве­личиной R_L2, можно сбалансировать путем уве­личения номинального напряжения генератора. Это увеличивает мощность генератора.

 

Влияние места установки аккумуляторной батареи на возможность запуска двигателя

 

Возможность запуска зависит от напряжения, подаваемого на стартер. Чем выше это на­пряжение, тем выше обороты стартера при запуске. Из-за высокого пускового тока сопро­тивление проводов ключевым образом влияет на это напряжение. В случае, когда аккумуля­торная батарея устанавливается в багажном от­делении, провода между батареей и стартером оказываются длиннее, чем, когда она устанав­ливается в моторном отсеке; соответственно, сопротивление и падение напряжения выше. Запуск улучшается, когда аккумуляторная бата­рея устанавливается в моторном отсеке и когда провода между ней и стартером короткие.

 

Влияние окружающей температуры

 

Высокая температура в моторном отсеке может вызвать температурно-зависимые изменения в аккумуляторной батарее (например, газо­образование), что отрицательно сказывается на сроке службы батареи. Высокую температуру батареи можно уменьшить экранированием.

При низкой окружающей температуре аккумуляторной батарее, установленной в багажнике, требуется больше времени для достижения рабочей температуры. При слишком низкой температуре аккумуляторной батареи она плохо заряжается. Это, в свою очередь, приводит к нарушению зарядного баланса и низкому заряду, что ускоряет процесс старения батареи (происходит сульфатация).

 

Влияние места установки аккумуляторной батареи на стабильность напряжения

 

Поскольку в батарее может аккумулироваться только постоянный ток, вырабатываемый ге­нератором переменный ток необходимо вы­прямить. Эта операция выполняется диодным выпрямителем, встроенным в генератор. Вы­прямление переменного тока создает пульси­рующее напряжение постоянного тока. Кроме того, переключение диодов — когда ток комму­тируется с одного диода на следующий — соз­дает высокочастотные колебания напряжения, которые сглаживаются, насколько это воз­можно, помехоподавляющим конденсатором.

Скачки или пульсации напряжения могут нарушить работу или даже вызвать повреж­дение электронных потребителей (например, ЭБУ). Аккумуляторная батарея может ис­пользовать свою большую емкость для сгла­живания колебаний напряжения. Однако из-за сопротивления проводов R_L между ге­нератором и батареей они не полностью по­давляются в генераторе. Когда потребители подключаются со стороны батареи (рис. а, «Варианты подключения потребителей автомобиля» ) или после батареи (например, R_V1 и R_V2 на рис. а, «Места размещения аккумуляторной батареи» ), на них подается хорошо сглажен­ное напряжение бортовой сети. Когда по­требители подключаются со стороны генератора, т.е. непосредственно к генератору (рис. b, «Варианты подключения потребителей автомобиля» ), имеют место более сильные пульсации и скачки напряжения.

Таким образом, электропотребители, ха­рактеризуемые высоким потреблением тока и относительно нечувствительные к перена­пряжению, должны подсоединяться со сто­роны генератора, а нагрузка, чувствительная к напряжению с низкими токами потребле­ния, должна подсоединяться со стороны ак­кумуляторной батареи.

 

 

 

Выходная мощность потребителей электроэнергии

 

Классификация электропотребителей автомобиля

 

Электропотребители имеют разную длитель­ность включения. Различают:

• Постоянные нагрузки, включенные всегда (электрический топливный насос, блок управления двигателем);
• Длительные нагрузки, включаемые по не­обходимости и остающиеся включенными в течение длительного времени (фары ближнего света, радиоприемник, вентиля­тор радиатора);
• Кратковременные нагрузки, включаемые лишь на короткое время (указатели пово­ротов, стоп-сигналы, электрорегулировка сидений, электростеклоподъемники).

 

Требования к электрической нагрузке, зависящие от времени работы

 

Потребности в электрической энергии не яв­ляются постоянными. Первые минуты после запуска двигателя обычно характеризуются большой потребляемой мощностью (обогрев заднего стекла, сидений, зеркал), после чего происходит резкое падение потребляемой мощности.

Эти потребители выключаются через не­сколько минут. Здесь требования к электри­ческой нагрузке главным образом определя­ются постоянной и длительной нагрузкой.

 

Безнагрузочные потребители

 

Различным ЭБУ и потребителям требуется питание даже тогда, когда автомобиль стоит на стоянке. Безнагрузочный ток составляется из общего тока этих включенных потребите­лей. Большинство этих потребителей выклю­чаются вскоре после выключения двигателя (например, освещение салона). Некоторые же всегда остаются включенными (например, система охранной сигнализации).

Безнагрузочный ток должен подаваться аккумуляторной батареей. Максимальное значение безнагрузочного тока определяется автопроизводителями. Расчет параметров ак­кумуляторной батареи помимо всего прочего, базируется и на этом значении. Типичная величина безнагрузочного тока в легковом автомобиле составляет 3-10 мА.

 

Выходная мощность генератора

 

Важными компонентами генератора явля­ются статор (рис. «Взаимодействие генератора, регулятора генератор и аккумуляторной батареи» ) и ротор, приводимый через клиновой ремень от коленчатого вала. При протекании тока возбуждения через ка­тушку ротора образуется магнитное поле и в трех обмотках статора создается наведен­ное напряжение переменного тока. Ток воз­буждения отбирается из генерируемого тока (самовозбуждение). Наведенное напряжение зависит от скорости вращения ротора и тока возбуждения. Напряжение переменного тока выпрямляется диодами.

Поскольку наводимое в генераторе напряже­ние зависит от оборотов вращения ротора и, соответственно, от оборотов двигателя, то на низких оборотах напряжение будет неболь­шим. На холостых оборотах двигателя n_L ге­нератор может вырабатывать лишь часть но­минального тока, если он имеет традиционное соотношение оборотов в диапазоне от 1:2,5 до 1:3 (отношение оборотов коленчатого вала к оборотам ротора генератора) (рис. «Выходной ток генератора в зависимости от оборотов ротора генератора» ). Номи­нальный ток достигается при полной нагрузке при оборотах ротора в 6000 мин^-1. Для до­стижения номинальной мощности генератора средняя скорость вращения ротора во время эксплуатации автомобиля должна быть зна­чительно выше. Особенно критичны циклы работы генератора при длительной работой двигателя на холостом ходу, так как выдавае­мая генератором мощность настолько мала, что аккумуляторная батарея при высоком энергопотреблении разряжается.

Если напряжение генератора выше, чем напряжение батареи, то по ней будет проте­кать зарядный ток, заряжая ее. Напряжение ограничивается регулятором генератора, с тем чтобы в бортовой сети поддерживалось напряжение около 14 В.

Выработка генератором электроэнергии также влияет на расход топлива. Увеличение расхода электроэнергии на каждые 100 Вт составляет около 0,17 л на 100 км, в зависимости от эффектив­ности генератора и двигателя.

Регулирование напряжения в бортовой сети

 

Создание магнитного поля при запуске двигателя

 

Магнитное поле необходимо в роторе для наведе­ния напряжения в обмотках статора. После запуска самовозбуждение невозможно на малых оборо­тах. Поэтому первое возбуждение генератора по­сле запуска выполняет аккумуляторная батарея.

Крутящий момент генератора, работающего под нагрузкой, будет препятствовать запуску и стабилизации холостого хода двигателя. Поэ­тому современные регуляторы уменьшают ток возбуждения при запуске (управляемое пред­варительное возбуждение). Генерирование тока откладывается до тех пор, пока двигатель не наберет нужные обороты (запуск по измене­нию нагрузки, LRS). До этого момента потреби­тели запитываются от аккумуляторной батареи.

 

Регулирование напряжения во время работы двигателя

 

Регулятор корректирует поле возбуждения по­средством тока с широтно-импульсной модуля­цией (ШИМ) в обмотке ротора таким образом, что напряжение на плюсовой клемме аккумуля­торной батареи (В+) соответствует заданному. Частота сигнала ШИМ составляет 40-200 Гц; коэффициент заполнения периода импульса зависит от потребляемой мощности. При изме­нении нагрузки изменяется напряжение в бор­товой сети, при этом регулятор корректирует поле возбуждения путем адаптирования сиг­нала ШИМ в целях компенсации напряжения.

Соединение обмотки возбуждения назы­вают динамо-полем (DF). Регулятор генера­тора выдает сигнал ШИМ по сигналу DFM для сообщения другим ЭБУ об использовании мощности генератора.

Для регулировки регулятору требуется напря­жение аккумуляторной батареи. Это значение он получает через плюсовую клемму В+. В случае длинных проводов и больших токов в этих прово­дах падение напряжения между аккумуляторной батареей и регулятором может быть настолько большим, что уменьшится выработка генерато­ром электроэнергии и аккумуляторная батарея будет недостаточно заряжаться. Этой проблемы можно избежать с помощью S-контакта, подаю­щего на регулятор напряжение аккумуляторной батареи по проводу, отдельно подключаемому к плюсовой клемме аккумуляторной батареи. Подключение регулятора к шине (например, шине LIN) позволяет системе изменять за­данное значение, на которое нужно отрегули­ровать напряжение. Это делает возможными такие функции, как, например, рекуперация.

Функция движения в зависимости от на­грузки осуществляет линейное изменение напряжения генератора до заданного значе­ния во время движения после подключения большой нагрузки и связанного с этим рез­кого падения напряжения генератора. Эта функция предотвращает резкую нагрузку двигателя из-за генератора.

 

Индикатор заряда АКБ

 

Индикатором заряда управляет регулятор генератора. Индикатор загорается при вклю­чении зажигания и гаснет, когда генератор подает ток. Регулятор активирует индикатор заряда, как только обнаруживает неисправ­ность (например, у генератора — из-за обрыва клинового ремня, обрыва или короткого за­мыкания цепи возбуждения, обрыва про­вода между генератором и аккумуляторной батареей).

 

Зарядка аккумуляторной батареи автомобиля

 

Из-за происходящих в аккумуляторной ба­тарее химических процессов идеальное за­рядное напряжение должно быть больше при низких температурах и меньше при высоких. Напряжение «закипания» — максимально до­пустимое зарядное напряжение, при котором в аккумуляторной батарее не появляется газ. Регулятор генератора ограничивает напряже­ние, если ток генератора I_G больше суммар­ного потребляемого тока I_v и зависимого от температуры максимально допустимого за­рядного тока I_в.

Регуляторы обычно монтируются на ге­нератор. При наличии значительных откло­нений между температурами регулятора напряжения и электролитом в аккумуляторной батарее лучше наблюдать температуру регу­лятора напряжения прямо на аккумуляторной батарее.

Расположение генератора, аккумулятор­ной батареи и потребителей влияет на паде­ние напряжения в зарядном проводе и, соот­ветственно, на зарядное напряжение. Суммарный ток I_G = I_v + I_в протекает через зарядный провод, если все электрооборудо­вание подключено к аккумуляторной батарее. Зарядное напряжение является более низким из-за высокого падения напряжения. Если все потребители электрической энергии под­соединены со стороны генератора, то паде­ние напряжения — ниже, а зарядное напряже­ние выше. Регулятор может учитывать падение напряжения путем измерения фактического напряжения прямо на аккумуля­торной батарее.

 

Схемы бортовой сети автомобиля

 

Бортовая сеть с одной аккумуляторной батареей

 

На рис. «Схема электрической системы автомобиля»  изображена схема бортовой сети с одной аккумуляторной батареей, главным образом применяющейся на легковых авто­мобилях. Работая как аккумулятор энергии, батарея подает ток для запуска двигателя и обеспечивает питание потребителей при от­сутствии выработки энергии генератором (когда двигатель выключен) или недостаточ­ной мощности генератора (работа двигателя на холостых оборотах). Это на сегодняшний день самая распространенная концепция, так как является наиболее экономически эффек­тивной для автомобилей.

В конструкции автомобильной акку­муляторной батареи для бортовой сети с одной аккумуляторной батареей, запиты­вающей и стартер, и другие потребители, необходимо найти компромисс между различными требованиями. Вовремя за­пуска двигателя аккумуляторная батарея подвергается большим токовым нагрузкам (300-500 А). Соответствующее падение на­пряжения отрицательно сказывается на ра­боте определенного электрооборудования (например, происходит сброс напряжения на блоках с микроконтроллерами) и должно быть как можно меньшим.

При обычной же эксплуатации автомобиля протекают лишь относительно малые токи. Емкость аккумуляторной батареи — важней­ший фактор в обеспечении надежного элек­тропитания. И мощность, и емкость нельзя улучшить одновременно.

 

Схема с двумя аккумуляторными батареями

 

В бортовых сетях с двумя аккумуляторными батареями — пусковой и универсальной — функции запуска двигателя и электропитания потребителей разделены блоком управления бортовой сети (рис. «Схема с двумя аккумуляторными батареями» ) для предотвращения падений напряжения при запуске и гаранти­рования надежного запуска в мороз даже при низком уровне заряда универсальной аккуму­ляторной батареи.

 

 

Пусковая аккумуляторная батарея

 

Пусковая аккумуляторная батарея должна от­давать значительный ток в течение ограни­ченного времени (при запуске двигателя). Поэтому она рассчитывается на высокую плот­ность мощности (большая мощность при ма­лом весе). Компактные размеры аккумуля­торной батареи позволяют устанавливать ее в непосредственной близости от стартера с ко­роткими соединительными проводами (малое падение напряжения в проводе). Ем­кость уменьшается.

 

Универсальная аккумуляторная батарея

 

Универсальная аккумуляторная батарея лишь запиты­вает бортовую сеть (кроме стартера). Она по­дает ток на потребителей (например, около 20 А на систему управления двигателем). Она рассчитана на очень большие циклические колебания, т.е. может отдавать и запасать существенные объемы энергии. Расчет пара­метров аккумуляторной батареи базируется в основном на резервах емкости, необходимых для потребителей, работающих при выклю­ченном двигателе (например, приемник дистанционного управления центрального замка, охранная сигнализация), и минимально до­пустимом уровне заряда.

 

Блок управления электропитанием

 

Блок управления электропитанием в бортовой сети с двумя аккумуляторными батареями отде­ляет пусковую аккумуляторную батарею и стартер от остальной бортовой сети, при условии, что она получает достаточное питание от универсальной аккумуляторной батареи. Поэтому он предотвра­щает падение напряжения при запуске двигателя, влияющее на работу автомобильной бортовой сети. Когда автомобиль стоит на стоянке, это предотвращает разряд пусковой аккумуляторной батареи электрооборудованием, потребляющим ток во включенном состоянии, и устройствами, находящимися в режиме ожидания.

При отделении пусковой аккумуляторной ба­тареи от остальной электрической системы тео­ретически не существует пределов напряжения пусковой аккумуляторной батареи. Следова­тельно, напряжение заряда можно оптимально адаптировать к универсальной аккумуляторной батарее с помощью преобразователя DC/DC в целях минимизации времени зарядки.

Если в универсальной аккумуляторной ба­тарее не окажется заряда, то блок управления может временно соединить обе системы. Это означает, что бортовая сеть автомобиля может использовать полностью заряженную пусковую аккумуляторную батарею. В другой возможной конфигурации блок управления запуском может подключать потребители, имеющие отношение к запуску двигателя, к той аккумуляторной ба­тарее, которая полностью заряжена.

 

Параметры бортовой сети автомобиля

 

Состояние заряда АКБ

 

Состояние заряда (SOC) аккумуляторной ба­тареи — один из наиболее важных параметров в электрической системе автомобиля. Его можно определить, как отношение объема имеющегося в аккумуляторной батарее за­ряда (текущего состояния заряда) к макси­мальному объему заряда, которое может ак­кумулировать новая аккумуляторная батарея.

SOC = Q_act / Q_max

Значение Q_max получается при разрядке полностью заряженной аккумуляторной ба­тареи с разрядным током I₂₀ — соответствует одной двадцатой от номинальной емкости в амперах (5 А для аккумуляторной батареи ем­костью 100 А⋅ч) — до достижения уровня на­пряжения 10,5 В. Величина заряда, потерян­ного во время разрядки, соответствует Q_max.

Поскольку таким образом значение Q_max можно получить только одним измерением, его можно также часто определить по номинальной емкости аккумуляторной батареи, указываемой на этикетке, где: Q_max = K₂₀ (номинал).

Накопленный заряд Q_act получается из разно­сти между Q_max и количеством заряда, потрачен­ного при разряде полностью заряженной акку­муляторной батареи. Таким образом, состояние заряда АКБ можно просто определить через Q_act.

Состояние заряда аккумуляторной батареи непосредственно связано с плотностью элек­тролита, где установившееся напряжение ак­кумуляторной батареи пропорционально плотности электролита. Окончательное на­пряжение, получаемое после зарядки или разрядки аккумуляторной батареи, называ­ется установившимся напряжением. Процесс достижения установившегося напряжения, из-за медленной диффузии и поляризации в АКБ, может занимать несколько дней. Установившееся напряжение измеряется на клем­мах аккумуляторной батареи.

Состояние заряда можно определить по формуле:

SOC = (Q_current— Q_min)/(Q_max -Q_min),

где:

Q_current — текущее установившееся напряжение;

Q_max -установившееся напряжение полностью заряженной аккумуля­торной батареи (SOC = 100%);

Q_min -установившееся напряжение аккумуляторной батареи при SOC = 0%. Поскольку зави­симость установившегося напряжения от состояния заряда нелинейна при низком заряде (меньше 20%), то здесь нужно использовать значение, линейно экстраполированное к SOC = 0%.

Таким образом, можно определить состояние заряда по измеренному установившемуся на­пряжению.

 

Состояние неисправности аккумуляторной батареи

 

Аккумуляторные батареи подвержены ста­рению. Различные эффекты старения вызы­вают потерю способности накапливать номи­нальный заряд и потерю емкости. Еще один эффект имеет место, когда аккумуляторные батареи разряжаются большими токами, воз­никают потери напряжения из-за высокого внутреннего сопротивления по сравнению с новыми аккумуляторными батареями. Этот феномен выражается состоянием исправно­сти аккумуляторной батареи (SOH).

Для оценки аккумуляторной батареи ее работа выражается определенной характери­стикой электрического тока, которая может соответствовать, например, запуску двига­теля. Новая аккумуляторная батарея подвер­гается нагрузке при идентичных условиях (температура, разрядный ток). Эта аккумуля­торная батарея может использоваться для определения значения SOH. Через опреде­ленное время t_o напряжение АКБ падает до значения U_new  (рис. «Определение значения SOH» ). Значение напряжения у более старой аккумуляторной батареи через время t₀ составит U_min ⋅ U₁ — это не более чем допустимое напряжение. SOH определяется по формуле:

SOC = (U_min — U₁)/(U_new — U₁).

У новой аккумуляторной батареи SOH = 1. При SOH = 0 аккумуляторная батарея едва до­стигает порогового значения U₁. При SOH < О аккумуляторная батарея непригодна для ис­пользования.

 

Состояние функционирования АКБ

 

Во время работы значение SOH само по себе не может указывать на то, что аккумулятор­ная батарея все еще в состоянии выполнять свои функции. Причина в том, что SOC, SOH и температура могут компенсировать друг друга. Маленькое значение SOC допустимо для новой аккумуляторной батареи с боль­шим SOH, в то время как маленькое SOH у старой аккумуляторной батареи может быть скомпенсировано высоким уровнем заряда (SOC).

Способность аккумуляторной батареи вы­полнять требуемые функции в своем теку­щем состоянии (т.е. текущем состоянии SOC, SOH и температуры) описывается состоянием функционирования (SOF). Этот параметр со­четает значения SOC и SOH и температуру. SOF определяется аналогично SOH. Параме­тры SOC, SOH и температура служат для про­гнозирования способности аккумуляторной батареи выполнять свои функции в текущем состоянии. С другой стороны, SOH лишь применяется к определенным значениям SOC и температуры и поэтому является количе­ственным параметром, характеризующим аккумуляторную батарею.

SOF = (U_min — U₁)/ (U_new— U₁).

Это значение SOF применяется к текущим значениям SOC, SOH и температуры.

На рис. «Качественные зависимости значения SOF» показана качественная зависи­мость SOF от SOC и SOH при данной темпе­ратуре. Значение SOC, изменяющееся при разряде с 1 до 0 отображается на оси х. Fla оси у показано значение SOFI, которое у но­вой аккумуляторной батареи равно 1. На этой схеме видно, что в определенных пределах старение аккумуляторной батареи (малень­кое SOH) может компенсироваться более высоким SOC.

 

Использование мощности генератора

 

Ток, протекающий по обмотке возбужде­ния в генераторе, определяет напряжение, наводимое в обмотках статора. Регулятор генератора устанавливает необходимый ток возбуждения на основе коэффициента за­полнения периода импульса (ШИМ-сигнала). Вывод обмотки возбуждения (DF) — это кон­такт, через который подается ток возбуж­дения. Коэффициент заполнения периода импульса ШИМ-сигнала показывает исполь­зование мощности генератора, т.е. наличие у него резервов для запитывания дополни­тельно подключаемых нагрузок.

Регулятор генератора дополнительно выводит этот сигнал в виде сигнала DFM (контроля обмотки возбуждения динамо). Регуляторы с шинным интерфейсом приме­няют этот коэффициент заполнения периода импульса к шине. Ток возбуждения также вы­водится в амперах. Различные ЭБУ анализи­руют сигнал DFM, чтобы, например, выклю­чить обогрев сидений или лобового стекла, когда мощность генератора используется очень интенсивно.

 

Управление электроэнергией автомобиля

 

Снижение расхода топлива автомобиля

 

Одной из главных целей автопроизводителей является сокращение расхода топлива и вы­бросов парниковых газов, в частности СO₂. Это достигается путем оптимизации потоков энергии в автомобилях. Оптимизация в себя вклю­чает:

• Избегание потерь на холостых оборотах с помощью функции «Старт-Cтоп» (автома­тическое выключение и запуск двигателя, например, на светофоре);
• Повышение эффективности выработки электроэнергии путем оптимизации ге­нератора и интеллектуальной активации генератора (рекуперации);
• Аксессуары с электроприводом для упроще­ния активации путем изолирования от ДВС.

 

Потребляемая мощность

 

Дополнительные функции, обеспечивающие комфорт, и аксессуары с электроприводом по­вышают энергопотребление; одновременно снижается диапазон скоростей для выработки электроэнергии (например, из-за эксплуата­ции в режиме «пуск-стоп»). Новые обеспечи­вающие комфорт функции и функции безо­пасности (например, электроусилитель руля, электрический насос охлаждающей жидкости, дополнительный отопитель, электрический климат-контроль в автомобилях с функцией «Старт-Стоп») требуют дополнительную элек­трическую мощность, в таком количестве, что имеет смысл интеграция системы управления электроэнергией (ЕЕМ).

 

Задача системы управления электроэнергией

 

Система управления электроэнергией управ­ляет потоками энергии и в то же время обе­спечивает электропитание для сохранения возможности запуска двигателя и уменьше­ния количества поломок из-за разрядившейся аккумуляторной батареи. Система управления электроэнергией также стабилизирует на­пряжение и оптимизирует готовность систем комфорта — даже когда двигатель выключен. Этого можно достичь путем обеспечения по­ложительного или хотя бы равного зарядного баланса во время эксплуатации автомобиля и путем контроля потребляемой мощности, когда двигатель выключен. Кроме того, пи­ковые нагрузки можно уменьшить путем скоординированного включения электропо­требителей. Координацию выполняет система управления электроэнергией (рис. «Управление электроэнергией автомобиля (ЕЕМ)» ).

 

 

Иногда принимаемые меры конфликтуют между собой. Например, выключение функ­ций комфорта приводит к потере комфорта, а функции «Старт-Стоп» — к увеличению рас­хода топлива. Разные автопроизводители предпочитают разные меры, и возможные меры для сохранения зарядного баланса со­ответственно становятся приоритетом.

 

Управление нагрузкой в безнагрузочном режиме (управление током без нагрузки)

 

Датчик аккумуляторной батареи регулярно контролирует состояние аккумуляторной бата­реи и, соответственно, возможность запуска двигателя. С помощью точного распознавания состояния аккумуляторной батареи можно оптимизировать готовность потребителей по­средством управления с током без нагрузки, т.е. максимизировать время работы функций комфорта. В случае временной невозможно­сти запуска двигателя система управления электроэнергией может, например, отправить сообщение на дисплей. Кроме того, при угрозе невозможности запуска двигателя система управления электроэнергией уменьшает энергопотребление (например, путем уменьшения потребляемой мощности вентилятора конди­ционера) вплоть до выключения отдельных потребителей, чтобы как можно дольше со­хранить возможность запуска двигателя. При­меры таких потребителей — дополнительный отопитель, информационно-развлекательная система, система навигации, радиоприемник и телефон.

 

Управление энергией во время работы двигателя

 

Функция системы управления энергией при работающем генераторе, в дополнение к управлению нагрузкой, в принципе представ­ляет собой управление генератором, включая функцию рекуперации и интерфейс системы управления энергией с другими системами — например, системой управления двигателем.

 

Включение потребителей автомобиля

 

Система управления нагрузкой координирует включение и выключение потребителей с це­лью уменьшения пиков мощности. Система управления нагрузкой также участвует в управлении высокоэффективными системами отопления (обогрев ветрового стекла и вспо­могательный отопитель на резисторах с поло­жительным температурным коэффициентом)

При эксплуатации автомобиля обеспече­ние возможности запуска двигателя также является главной функцией системы управления энергией. При критических состояниях аккумуляторной батареи система управления нагрузкой уменьшает потребляемую электри­ческую мощность, чтобы как можно быстрей подзарядить аккумуляторную батарею. Обе­спечивающие комфорт потребители резерву­арного типа (системы отопления) переключа­ются приоритетно, так как интеллектуальное включение можно использовать для как можно более длительной задержки ощутимых откло­нений от номинальных характеристик.

Существуют пределы отключения функ­ций комфорта в том плане, что оно будет допускаться пользователем только в ред­ких исключительных ситуациях. Поэтому электрическая система автомобиля должна настраиваться таким образом, чтобы такие ситуации возникали редко. Заметные послед­ствия должны сигнализироваться пользова­телю, чтобы он мог определить отклонение характеристик от нормы.

 

Увеличение выходной мощности генератора

 

В качестве альтернативы или дополнения к уменьшению потребляемой мощности можно за счет увеличения оборотов двигателя увеличить выработку электроэнергии генератором (напри­мер, повышение холостых оборотов или деакти­вация выключения двигателя в режиме «Старт-Стоп»), например, чтобы увеличить холостые обороты, система управления электроэнергией по шине передачи данных отправляет запрос системе управления двигателем. Эти меры непосредственно влияют на расход топлива и акустику, и поэтому должны оптимально адап­тироваться к конкретному автомобилю.

В процессе рекуперации кинетическая энергия автомобиля как минимум частично преобразу­ется в электрическую и накапливается в аккумуляторной батарее. Для этого требуется генератор, управляемый через интерфейс для ввода нуж­ного рабочего напряжения, и датчик для опреде­ления состояния аккумуляторной батареи. Саму функцию можно условно разделить на электро­нику двигателя, интерфейс или компьютер.

Во время движения накатом напряжение увеличивается, чтобы генератор более ин­тенсивно заряжал аккумуляторную батарею. В этот момент электроэнергия вырабатыва­ется без расхода топлива. В ситуациях с пло­хой эффективностью выработки электроэ­нергии напряжение генератора уменьшается, и аккумуляторная батарея снова медленно разряжается, чтобы минимизировать расход топлива на выработку электроэнергии.

Полностью заряженная аккумуляторная ба­тарея не может накапливать заряд. По этой при­чине рекуперация возможна лишь с частично заряженной аккумуляторной батареей (частич­ное состояние заряда, PSOC). Это отступление от традиционной стратегии зарядки, цель кото­рой — достижение как можно более полного заряда аккумуляторной батареи. Минимальное состояние аккумуляторной батареи, необходи­мое для запуска двигателя ни при каких обстоя­тельствах не должно быть хуже, т.е. текущее состояние аккумуляторной батареи должно быть известно системе управления энергией.

Рекуперация приводит к росту циклических колебаний заряда аккумуляторной батареи, влияние которых на старение аккумулятор­ной батареи должно проверяться в каждом конкретном случае. Поэтому рекомендуется использование аккумуляторной батареи с по­глощающим стеклянным матом (AGM) для повышения проходной мощности (проход­ная мощность в А⋅ч в течении срока службы, проходная мощность, критичная для срока службы, умножается на коэффициент 3).

Алгоритм рекуперации должен учитывать влияние изменений напряжения на потреби­телей, поскольку они могут быть значительны (например, изменение скорости вентилятора кондиционера или световых вспышек).

Рекуперация обеспечивает экономию то­плива в пределах 1-4%, в зависимости от цикла и конфигурации функции.

 

Распознавание состояния аккумуляторной батареи и управление аккумуляторной батареей

 

Ключевым элементом в управлении элек­троэнергией является система распозна­вания состояния аккумуляторной батареи (BSR), надежно вычисляющая возможности аккумуляторной батареи. В алгоритмах рас­познавания состояния аккумуляторной бата­реи в качестве вводных переменных обычно используются измеренные ток, напряжение и температура аккумуляторной батареи. На основе этих переменных определяются заряд (SOC), состояние функционирования (SOF) и физическое состояние (SOH) аккумулятор­ной батареи и передаются в качестве вводных переменных системе управления энергией (рис. «Взаимодействие датчика аккумуляторной батареи, системы определения состояния аккумуляторной батареи и системы управления электроэнергией автомобиля» ).

 

 

Для измерения параметров аккумуляторной батареи используется датчик, напрямую из­меряющий ток и напряжение аккумуляторной батареи. Температура аккумуляторной бата­реи определяется посредством измерения температуры рядом с батареей, так как прямое измерение температуры электролита требует вмешательства в батарею, что в данном случае невозможно.

Пример:

Примером распознавания состояния аккуму­ляторной батареи может служить определе­ние возможности запуска двигателя по значению SOF. Значение SOF позволяет прогнозировать поведение аккумуляторной батареи, отдающей пусковой ток. Другими словами, система распознавания состояния аккумуляторной батареи определяет падение напряжения для данной характеристики пу­скового тока (рис. «Прогнозирование падения напряжения для данного профиля электрического тока» ). Поскольку минималь­ное напряжение для успешного запуска дви­гателя известно, то прогнозируемое падение напряжения позволяет оценить возможность запуска на данный момент. В зависимости от интервала между прогнозируемым падением напряжения и порогом возможности запуска двигателя система управления энергией определяет меры по сохранению или улучше­нию запуска.

 

Датчик аккумуляторной батареи

 

Ток, напряжение и температура аккумулятор­ной батареи должны измеряться очень точно, динамично и синхронно. В частности, измере­ние тока от нескольких мА до пусковых токов более 1000 А предъявляет серьезные требова­ния к датчикам. На выводы аккумуляторной батареи устанавливается электронный датчик аккумуляторной батареи (EBS). Поскольку крышка аккумуляторной батареи стандартизи­рована (DIN 72311), то размещение датчика на разных батареях не требуется.

Ток измеряется с помощью специального манганинового шунта. Сердцем электрон­ной части датчика аккумуляторной батареи является специализированная интегральная схема, в которой помимо прочего, имеется мощный микропроцессор для регистрации и обработки измеренных значений. Алгоритмы распознавания состояния аккумуляторной батареи также обрабатываются этим микро­процессором. Сообщение с ЭБУ более высо­кого уровня происходит по шине LIN.

Помимо определения состояния аккуму­ляторной батареи для системы управления энергией датчик аккумуляторной батареи можно использовать и для других функций. Например, точное измерение тока и напря­жения можно также использовать для опе­ративной диагностики в производственных цехах и ремонтных мастерских (выявление безнагрузочных неисправных потребителей).

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: