混合動(dòng)力汽車(chē)上下電控制策略研究

王 晨，張 彤，于海生

（上海華普汽車(chē)有限公司，上海 201501）

隨著國(guó)家新能源汽車(chē)戰(zhàn)略地位的不斷提升，各主機(jī)廠均不遺余力地推進(jìn)各自純電動(dòng)、混合動(dòng)力轎車(chē)的研發(fā)進(jìn)程。作為一種新興的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，它打破了傳統(tǒng)汽車(chē)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將動(dòng)力電池、電機(jī)、AC／DC、DC／DC等復(fù)雜的電力電子器件都裝備至整車(chē)中，給整車(chē)的布置、控制、振動(dòng)、電磁干擾、行駛安全等方面帶來(lái)了諸多新的挑戰(zhàn)。

本文立足于某企業(yè)重度混合動(dòng)力轎車(chē)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，僅以與整車(chē)強(qiáng)、弱電管理相關(guān)的部件為研究對(duì)象，著重分析整車(chē)的上、下電流程，上、下電過(guò)程中的故障診斷及處理方法。

1 傳統(tǒng)汽車(chē)電源管理

針對(duì)傳統(tǒng)汽車(chē)，由于動(dòng)力源僅為發(fā)動(dòng)機(jī)，并無(wú)電機(jī)、動(dòng)力電池等高壓器件，所以所謂的電源管理僅為12 V弱電管理。它主要包括整車(chē)電氣附件的上、下電管理，以及發(fā)動(dòng)機(jī)ECU等控制器的上、下電管理。當(dāng)駕駛員進(jìn)入駕駛艙，插入鑰匙并置于OFF檔時(shí)，所有電器設(shè)備均不得電，整車(chē)處于掉電狀態(tài)；當(dāng)駕駛員將鑰匙撥至ACC檔時(shí)，收音機(jī)、點(diǎn)煙器等電器附件均得電；當(dāng)駕駛員將鑰匙撥至ON檔時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器主芯片得電運(yùn)行。傳統(tǒng)汽車(chē)的所有上、下電控制都是通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)完成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，其電源管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)電源管理

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在混合動(dòng)力汽車(chē)中，動(dòng)力不僅僅源自發(fā)動(dòng)機(jī)，還有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)屬于強(qiáng)電范疇，必須由動(dòng)力電池提供能量來(lái)源。所以，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、DC／DC、AC／DC等一系列高壓器件的引入，以及與之相對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制器 （MCU），動(dòng)力電池管理系統(tǒng) （BMS），再加上發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（ECU）、整車(chē)控制器 （HCU）和車(chē)身控制器 （BCU）等部件，構(gòu)成了混合動(dòng)力汽車(chē)極為龐大復(fù)雜的電氣結(jié)構(gòu)。

該混合動(dòng)力轎車(chē)采用無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)［1］（PKE）替代傳統(tǒng)車(chē)身控制器，并且配備一鍵式起動(dòng)按鈕，增加了整車(chē)舒適性，以及強(qiáng)、弱電管理的靈活性。為了確保整車(chē)上、下電的安全性，可靠性，必須嚴(yán)格定義各電氣部件的上、下電流程，且各電氣部件的上、下電狀態(tài)必須經(jīng)各控制器及時(shí)反饋給整車(chē)控制器，進(jìn)行 “握手”確認(rèn)后才執(zhí)行下一步上、下電操作。該混合動(dòng)力汽車(chē)弱電管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 上電流程

無(wú)鑰匙系統(tǒng)始終從蓄電池取電，一般情況下處于低功耗模式，一旦監(jiān)測(cè)到鑰匙信號(hào)則被激活，進(jìn)入正常工作模式。駕駛員攜鑰匙靠近混合動(dòng)力轎車(chē)后，車(chē)門(mén)鎖即自動(dòng)開(kāi)啟，駕駛員隨即進(jìn)入駕駛艙。類(lèi)似于傳統(tǒng)車(chē)中鑰匙置于OFF檔的狀態(tài)，此時(shí)整車(chē)除無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)和一鍵式起動(dòng)按鈕之外的所有電氣部件均不得電。

駕駛員就位后，按下一鍵式起動(dòng)按鈕或執(zhí)行其他無(wú)鑰匙系統(tǒng)認(rèn)可的認(rèn)證操作后，無(wú)鑰匙系統(tǒng)控制繼電器1導(dǎo)通，將12 V弱電供給整車(chē)各電器附件（中控門(mén)、中控窗、收音機(jī)、點(diǎn)煙器等），整車(chē)進(jìn)入ACC狀態(tài)。

整車(chē)進(jìn)入ACC狀態(tài)后，當(dāng)無(wú)鑰匙系統(tǒng)再次監(jiān)測(cè)到一鍵式起動(dòng)按鈕被按下時(shí)，則通過(guò)某特定DAC引腳 “通知”整車(chē)控制器的電源管理芯片，控制整車(chē)控制器主芯片得電運(yùn)行。整車(chē)控制器得電后隨即控制繼電器2閉合，將蓄電池12 V弱電引至電機(jī)控制器、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器等子控制器。待所有子控制器得電完成并自檢成功后，通過(guò)CAN總線向整車(chē)控制器反饋上弱電成功信號(hào)。經(jīng)整車(chē)控制器確認(rèn)完畢后，由其點(diǎn)亮儀表盤(pán)相應(yīng)指示燈，并通過(guò)語(yǔ)音設(shè)備提醒駕駛員上弱電完畢，至此，整車(chē)進(jìn)入ON狀態(tài)。

整車(chē)進(jìn)入ON狀態(tài)后，由整車(chē)控制器對(duì)一鍵式起動(dòng)按鈕和電子制動(dòng)踏板［2］進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦監(jiān)測(cè)到制動(dòng)踏板開(kāi)度超過(guò)某設(shè)定值且一鍵式起動(dòng)按鈕被同時(shí)按下，整車(chē)控制器則向動(dòng)力電池管理系統(tǒng)發(fā)送上強(qiáng)電指令。隨即，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)控制強(qiáng)電繼電器吸合，并向整車(chē)控制器反饋上強(qiáng)電完成信號(hào)。電能通過(guò)動(dòng)力電池直流母線進(jìn)入逆變器［3］單元，經(jīng)逆變后送至電機(jī)交流母線端，經(jīng)電機(jī)控制器檢測(cè)后將電機(jī)的允許上強(qiáng)電信號(hào)反饋給整車(chē)控制器。若以上信號(hào)均正常，則整車(chē)控制器向電機(jī)控制器發(fā)送電機(jī)使能命令，電機(jī)控制器在收到該使能命令后則向整車(chē)控制器返回電機(jī)的上強(qiáng)電狀態(tài)。整車(chē)控制器再次確認(rèn)所有高壓用電設(shè)備的上強(qiáng)電狀態(tài)，確認(rèn)無(wú)誤后則點(diǎn)亮儀表盤(pán)相應(yīng)指示燈，并通過(guò)語(yǔ)音設(shè)備提示駕駛員上強(qiáng)電完畢，至此，整車(chē)進(jìn)入Ready狀態(tài)。

由于該混合動(dòng)力轎車(chē)采用CAN通信方式進(jìn)行上、下電管理，所以控制方案設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的靈活性。比如，當(dāng)整車(chē)處于ACC狀態(tài)，可設(shè)定駕駛員踩下制動(dòng)踏板并同時(shí)按下一鍵式起動(dòng)按鈕后，整車(chē)直接從ACC狀態(tài)進(jìn)入Ready狀態(tài)。

2.3 下電流程

為確保下電安全性及考慮設(shè)備的使用壽命，我們遵守強(qiáng)電先下，弱電后下的原則，并同時(shí)要求下電過(guò)程中各控制器節(jié)點(diǎn)也必須同樣進(jìn)行 “握手”溝通。當(dāng)車(chē)速處于靜止?fàn)顟B(tài)且駕駛員按下一鍵式起動(dòng)按鈕時(shí)，整車(chē)控制器即監(jiān)測(cè)到駕駛員的下強(qiáng)電意圖。此時(shí)，整車(chē)控制器通過(guò)CAN總線向電機(jī)控制器發(fā)送電機(jī)下電使能命令，電機(jī)控制器在接收到該指令后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行下電使能操作，同時(shí)向整車(chē)控制器反饋允許下強(qiáng)電信號(hào)。整車(chē)控制器在收到電機(jī)控制器反饋的允許下強(qiáng)電信號(hào)后，通過(guò)CAN總線向動(dòng)力電池管理系統(tǒng)發(fā)送電池下強(qiáng)電信號(hào)，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)在接收到該指令后，斷開(kāi)強(qiáng)電繼電器并向整車(chē)控制器反饋下強(qiáng)電完成信號(hào)。一旦整車(chē)控制器接收到動(dòng)力電池管理系統(tǒng)反饋的下強(qiáng)電完成信號(hào)，則執(zhí)行對(duì)電機(jī)的自放電操作，將其母線端的殘留電能耗散掉。至此，整車(chē)返回到ON狀態(tài)。

整車(chē)返回到ON狀態(tài)后，仍然可以通過(guò)上述上電流程再次進(jìn)行上強(qiáng)電操作，或者通過(guò)再次按下一鍵式起動(dòng)按鈕進(jìn)行下弱電操作。首先，整車(chē)控制器通過(guò)IO引腳控制繼電器2斷開(kāi)，將所有子控制器節(jié)點(diǎn)掉電，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)達(dá)到指定延時(shí)時(shí)間后，通過(guò)CAN總線向無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)發(fā)出掉電請(qǐng)求。此時(shí)，由無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)將整車(chē)控制器弱電斷開(kāi)，至此，整車(chē)返回到ACC狀態(tài)。

為避免下電流程過(guò)于繁瑣，該混合動(dòng)力轎車(chē)將整車(chē)ACC狀態(tài)作為掉電流程的最終狀態(tài)，直至駕駛員離開(kāi)駕駛艙并執(zhí)行鎖門(mén)操作。此時(shí)，無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)對(duì)所有電器附件進(jìn)行掉電處理，并將系統(tǒng)本身置入低功耗模式運(yùn)行，直至駕駛員再次靠近整車(chē)并執(zhí)行開(kāi)門(mén)操作。

3 故障診斷及處理

一般情況下，該混合動(dòng)力轎車(chē)執(zhí)行上述上、下電流程。但是，實(shí)際過(guò)程中往往出現(xiàn)動(dòng)力電池端電壓過(guò)低、前次下電自放電不完全等情況，給整車(chē)的上下強(qiáng)電過(guò)程帶來(lái)安全隱患。為此，在制定整車(chē)上下電策略時(shí)必須充分考慮故障診斷及相應(yīng)處理策略，增加上下強(qiáng)電的安全性、可靠性。

動(dòng)力電池由大量單體電池串聯(lián)而成，一般分為兩組，兩組之間設(shè)有熔斷器，以防止動(dòng)力電池瞬時(shí)電流過(guò)大而損壞。當(dāng)整車(chē)控制器向動(dòng)力電池管理系統(tǒng)發(fā)送上強(qiáng)電指令時(shí)，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)首先控制繼電器B、C導(dǎo)通，動(dòng)力電池通過(guò)預(yù)充電［4］電阻給逆變器端的預(yù)充電電容進(jìn)行充電，當(dāng)其端電壓達(dá)到動(dòng)力電池端電壓的設(shè)定比例時(shí)，動(dòng)力電池管理系統(tǒng)閉合主繼電器A并斷開(kāi)預(yù)充電電路，逆變器端正式接入動(dòng)力電池端。預(yù)充電原理示意圖如圖3所示。

由上述上強(qiáng)電過(guò)程可知，電機(jī)母線電壓作為一個(gè)重要參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)整車(chē)上下電故障診斷及處理的關(guān)鍵所在。實(shí)際上強(qiáng)電過(guò)程中，必須首先監(jiān)控電機(jī)母線電壓，若其已經(jīng)大于某設(shè)定值，則說(shuō)明前次下電流程中自放電操作未完成。所以，為確保安全，在本次上強(qiáng)電過(guò)程之前應(yīng)首先對(duì)電機(jī)進(jìn)行自放電操作，將電機(jī)端的殘余電能釋放完畢后再執(zhí)行正常上電流程。當(dāng)動(dòng)力電池閉合強(qiáng)電繼電器返回上強(qiáng)電完成信號(hào)后，整車(chē)控制器不僅需要監(jiān)測(cè)電機(jī)控制器返回的上強(qiáng)電狀態(tài)信號(hào)，而且應(yīng)監(jiān)測(cè)電機(jī)母線電壓是否超過(guò)指定值，若母線電壓不滿(mǎn)足使用要求，則說(shuō)明上電過(guò)程出現(xiàn)故障或動(dòng)力電池能量不足，整車(chē)控制器禁止發(fā)送電機(jī)使能命令并自動(dòng)轉(zhuǎn)入下電流程中。執(zhí)行下電流程自放電操作時(shí)也應(yīng)監(jiān)控電機(jī)母線電壓，確保電機(jī)母線電壓降至指定值以下才允許整車(chē)重新進(jìn)入ON狀態(tài)。

由前述可知，每一道上、下電步驟的成功實(shí)施均需要借助CAN通信，所以CAN通信的可靠性對(duì)整車(chē)能否上、下電成功起著決定性作用。在配備多項(xiàng)高壓器件的混合動(dòng)力汽車(chē)中，常常因?yàn)殡姶偶嫒菪詥?wèn)題而造成信號(hào)的干擾或失真。所以，為避免在整車(chē)上、下強(qiáng)電過(guò)程中由于CAN通信干擾或其它原因而導(dǎo)致執(zhí)行中斷，要求在每一項(xiàng)上、下強(qiáng)電步驟中進(jìn)行定時(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)在指定時(shí)間內(nèi)未收到可識(shí)別的CAN指令時(shí)，則自動(dòng)轉(zhuǎn)入下強(qiáng)電流程，以此保證上、下電過(guò)程的安全可靠性。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將上述電源管理策略應(yīng)用于實(shí)車(chē)中，并通過(guò)CANoe［5］等診斷工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖4所示。上強(qiáng)電過(guò)程中，整車(chē)控制器只有監(jiān)測(cè)到電機(jī)母線電壓均滿(mǎn)足上強(qiáng)電要求，且動(dòng)力電池反饋了上強(qiáng)電完成信號(hào)時(shí)，才會(huì)向電機(jī)控制器發(fā)送電機(jī)使能命令，在接下來(lái)的一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)里，電機(jī)控制器才會(huì)反饋電機(jī)上強(qiáng)電狀態(tài)信號(hào)。同理，下強(qiáng)電過(guò)程中，整車(chē)控制器先關(guān)閉電機(jī)使能，待動(dòng)力電池反饋下強(qiáng)電完成信號(hào)后重新為電機(jī)上使能，進(jìn)行放電操作，直至電機(jī)母線電壓降至安全閾值以?xún)?nèi)再重新關(guān)閉電機(jī)使能。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)描述了傳統(tǒng)汽車(chē)與混合動(dòng)力汽車(chē)電源管理模式的區(qū)別，從安全性、可靠性角度分析了混合動(dòng)力汽車(chē)各電氣部件的上、下電過(guò)程，提出了基于電機(jī)母線電壓及時(shí)間定時(shí)的故障診斷策略，并結(jié)合無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、一鍵式起動(dòng)按鈕，將該上、下電策略應(yīng)用于某企業(yè)的混合動(dòng)力轎車(chē)中，最后通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了此控制策略的有效性。

［1］孔慧芳，丘宇寧.PKE智能鑰匙系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用， 2010， （20）: 103-106.

［2］王 晨，張 彤.電子踏板信號(hào)采集及故障診斷策略研究［J］.車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)， 2010， （4）: 49-52.

［3］魏春源.汽車(chē)電氣與電子［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社， 2009.

［4］羌嘉曦，楊 林.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池高壓電測(cè)試系統(tǒng)的研究［J］.電源技術(shù)， 2007， （8）: 655-658.

［5］張建國(guó)，雷雨龍.CANoe_Matlab聯(lián)合仿真在DCT總線控制中的應(yīng)用［J］.汽車(chē)技術(shù)， 2010， （9）: 7-10.