插電式純電動汽車上下電控制策略研究與設(shè)計

薛念文，馬先萌，盤朝奉

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

能源危機和環(huán)境污染程度的日益加劇使得傳統(tǒng)車輛面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，發(fā)展新能源電動汽車是汽車行業(yè)未來發(fā)展的趨勢［1］。純電動汽車(EV)以動力蓄電池組作為唯一動力源，電動機作為唯一動力驅(qū)動裝置，工作電壓高達幾百伏，當發(fā)生高壓電路絕緣失效或短路等故障時，會直接影響到駕乘人員的生命財產(chǎn)以及車載用電器的安全。因此，在設(shè)計和規(guī)劃高壓動力系統(tǒng)時應(yīng)充分考慮整車和人員的電氣安全性，確保車輛運行安全、駕駛?cè)藛T安全和車輛運行環(huán)境安全［2］。

整車控制器(VMS)是純電動汽車運行的核心單元，擔(dān)負著整車驅(qū)動控制、能量管理、整車安全、故障診斷和信息處理等功能，是實現(xiàn)純電動汽車安全高效運行的必要保障［3］。純電動汽車上下電控制策略開發(fā)設(shè)計的目的在于:在已有整車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，通過采集鑰匙及踏板等駕駛員動作信號，并通過CAN總線，BMS(電池管理系統(tǒng))及MC(電機控制器)等子系統(tǒng)進行通訊，來控制整車安全高壓上電、下電，同時在上、下電過程中，力求準確診斷出整車動力系統(tǒng)的高壓故障并迅速做出相應(yīng)處理。

1 EV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者所討論的EV動力系統(tǒng)采用鋰電池，選取72 V、100 Ah的磷酸鐵鋰電池組，由24塊鋰電池串聯(lián)而成。EV動力系統(tǒng)包括一套高壓蓄電池組，電機驅(qū)動系統(tǒng)和DC-DC變換器。由于采用交流異步電機，電機驅(qū)動系統(tǒng)主要包括DC/AC逆變器、驅(qū)動電機以及電機控制器MC，它的主要功能是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，并通過傳動系統(tǒng)將能量傳遞到車輪來驅(qū)動車輛行駛，如圖1。

在動力系統(tǒng)部件選型中，動力性要求是主要考慮的因素［4］。筆者所開發(fā)的上、下電控制策略所應(yīng)用的電動汽車平臺，其動力系統(tǒng)參數(shù)如表1。

圖1 EV動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 EV power system structure

表1 動力系統(tǒng)各部件參數(shù)Table1 Parameters of power system components

EV是個高度集成的電氣系統(tǒng)，各個部件之間具有很強的耦合性，為了能準確響應(yīng)并判別駕駛員意圖，同時確保整車安全，需要建立一個中央控制單元進行動力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，從而達到更好的經(jīng)濟性與動力性。VMS作為最上層控制單元負責(zé)協(xié)調(diào)動力系統(tǒng)各個部件的運行，采集駕駛員控制輸入信號，向各個部件控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令，并向儀表及多功能顯示單元等設(shè)備輸出動力系統(tǒng)狀態(tài)信息［5］。VMS信號圖如圖2，信號主要包括CAN總線信號和硬線信號，其中硬線信號包括模擬信號和數(shù)字信號兩類。

圖2 EV整車控制器信號Fig.2 EV vehicle controller signal diagram

2 MotoTron快速開發(fā)平臺

開發(fā)工程師要面對的是如何將開發(fā)策略與底層軟件、硬件及硬件驅(qū)動、通訊協(xié)議等對接實現(xiàn)開發(fā)的整個過程［6］。電控單元ECU的開發(fā)是一個極其復(fù)雜的過程。它包括功能概念定義、算法開發(fā)、軟件編程、底層操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序開發(fā)、硬件在環(huán)仿真測試、匹配標定及驗證、ECU軟件灌裝等多個步驟和任務(wù)。MotoHawk集成了GreenHill編譯器，當系統(tǒng)模型建立完畢后，編譯器會將C代碼自動生成可供刷寫的SRZ文件，同時生成L文件以備調(diào)用［6-7］。

MotoHawk是基于MotoTron的ControlCore產(chǎn)品級軟件架構(gòu)和產(chǎn)品級ECU硬件下的系統(tǒng)開發(fā)軟件，使得開發(fā)人員在Matlab/Simulink編譯環(huán)境下生成基于體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用軟件成為可能，且貫穿整個開發(fā)、車輛標定及測試階段［8］。開發(fā)人員在Matlab/Simulink/Stateflow/RTW編譯環(huán)境下生成基于體系結(jié)構(gòu)的應(yīng)用軟件，MotoHawk應(yīng)用在ECU開發(fā)、標定及測試的各個階段。使用Simulink/Stateflow圖形化編程工具進行EV控制策略開發(fā)，通過MotoHawk在Simulink/Stateflow中與硬件ECU對接起來，從而大大縮短了從開發(fā)到生產(chǎn)的周期。圖3為系統(tǒng)的底層設(shè)置，通過設(shè)置，在 Simulink/Stateflow中將控制 ECU的PIN腳與控制策略的輸入輸出連接起來。極大的簡化策略開發(fā)人員的工作量，提高開發(fā)效率。

圖3 系統(tǒng)的底層設(shè)置Fig.3 Underlying system settings

3 EV上電控制策略的分析與設(shè)計

3.1 整體思想

EV上電過程控制策略的總體思想是:在保證動力系統(tǒng)高壓上電過程順利實現(xiàn)的同時，與整車故障診斷控制策略相結(jié)合，確保高壓上電過程的安全，在上電過程中出現(xiàn)故障時能順利切換到相應(yīng)的故障處理流程，緊急狀況下斷開高壓接觸器。

3.2 預(yù)充電電路

為了防止在高壓接觸器閉合瞬間形成的強電流和高電壓對動力電機驅(qū)動系統(tǒng)高壓器件形成沖擊，造成損毀，導(dǎo)致接通高壓電路，需要設(shè)計一個預(yù)充電電路，通過VMS在上電過程中控制相應(yīng)高壓接觸器通斷時序，和設(shè)計一個合理的控制邏輯。

圖4為預(yù)充電電路原理圖，其中R為限流電阻，而K1、K2、K3為3個直流高壓接觸器。Vb為高壓蓄電池組端電壓，Vh為電機高壓輸入端端電壓。

圖4 預(yù)充電電路原理圖Fig.4 Pre-charge circuit diagram

電動汽車高壓接觸器閉合之前，先要完成對高壓電系統(tǒng)電路預(yù)充電，具體執(zhí)行過程為:ECU接受到高壓上電信號之后，先控制引腳P 1.0和P 1.1閉合高壓接觸器K1和K2。在預(yù)充電時間t(t=8 s)內(nèi)，ECU檢測電壓Vh，如若Vh達到Vb的90%以上，則系統(tǒng)預(yù)充電成功，否則預(yù)充電失敗，停止接通高壓接觸器。依據(jù)式(1):

Vh≥0.9Vb(t=8 s)(1)式中:Vb為高壓蓄電池組端電壓;Vh為電機高壓輸入端端電壓。

ECU控制流程如圖5。

圖5 預(yù)充電控制流程Fig.5 Pre-charge control flow chart

3.3 EV 鑰匙開關(guān)

EV鑰匙開關(guān)與傳統(tǒng)車鑰匙開關(guān)外形一樣，但功能設(shè)定不同，如圖6。電動車無需發(fā)動引擎，所以在啟動擋，整車管理系統(tǒng)發(fā)送閉合高壓接觸器指令。鑰匙順時針旋轉(zhuǎn)一擋至附件擋，燈光、喇叭及收音機電源接通。此時車內(nèi)低壓設(shè)備上電，VMS及各子系統(tǒng)ECU上電復(fù)位并初始化。鑰匙旋轉(zhuǎn)至點火擋，VMS通過CAN總線、BMS(電池管理系統(tǒng))與MC(電機控制器)等動力系統(tǒng)子模塊恢復(fù)通訊，采集高壓電池組、電機及其控制器等模塊的狀態(tài)信息，判斷是否正常，車載顯示系統(tǒng)上電，顯示整車低壓設(shè)備狀態(tài)信息，同時等待鑰匙信號。鑰匙旋轉(zhuǎn)至啟動擋時，VMS發(fā)出控制指令，順序依次閉合3個高壓接觸器。動力系統(tǒng)上電過程中，VMS檢測到二級或者一級故障，系統(tǒng)緊急斷開高壓接觸器，并上報故障碼、發(fā)出語音提示。

圖6 EV鑰匙開關(guān)Fig.6 EV key switch

鑰匙信號作為高壓上電、正常下電過程的重要判斷依據(jù)，因此對鑰匙信號的有效位判斷和邏輯判斷就顯得尤為重要。有效位判斷包括附件擋、點火擋、啟動擋的是否有效判斷，邏輯判斷就是3個擋位信號的時序有效判斷，比如在鑰匙啟動檔有效時，如果附件擋、點火擋有一擋或兩擋無效，則說明信號邏輯出錯。利用Simulink設(shè)計的鑰匙信號診斷策略，在上電過程中對鑰匙信號進行診斷處理，包括信號濾波和有效位判斷，如圖7。

圖7 EV鑰匙信號診斷Fig.7 EV key diagnostic signals

3.4 上電過程控制

對于EV高壓系統(tǒng)的整個動力電路，存在著大量的容性負載。如果在高壓電路接通過程中不采取有效的防范措施，高壓電路在上電瞬間，由于系統(tǒng)電路容性負載的存在，將會對整個高壓系統(tǒng)電路造成上電沖擊［9］。為此，在上電過程中需要對高壓電路進行防電流瞬態(tài)沖擊預(yù)充電。

EV在接到有效啟動的命令組合信號之后，整車管理系統(tǒng)(VMS)低壓上電，對高壓電路系統(tǒng)進行高壓上電前預(yù)診斷，如果SOC達到一定值，電壓正常，并且電路無絕緣和短路等故障，接通防電流瞬態(tài)沖擊預(yù)充電系統(tǒng)進行高壓電路預(yù)充電。如果高壓電路預(yù)充電在約定的正常時間范圍內(nèi)完成，則系統(tǒng)允許接通高壓電路，否則禁止高壓電路接通。上電流程如圖8～圖9。

圖8 鑰匙上電狀態(tài)Fig.8 Key power-on state diagram

圖9 EV上電流程Fig.9 EV key power-up flow chart

4 EV下電控制策略的分析與設(shè)計

下電過程是指EV動力系統(tǒng)高壓下電過程，在車輛遇到緊急情況時應(yīng)切斷高壓電源與動力系統(tǒng)的連接，在設(shè)定高壓下電控制策略的時候要盡可能把所有的可能情況考慮在內(nèi)，并保證乘車安全是制定控制策略的首要考慮因素。高壓下電包括正常停車斷電和緊急故障斷電。

正常停車斷電時，VMS接受到關(guān)機斷電信號后EV進入自動斷電程序，按照時序完成動力系統(tǒng)的高壓下電過程，并對下電過程進行診斷和檢測。下電時啟動計時器Time，表明下電時的持續(xù)時間。具體下電時序為:①VMS發(fā)送電機停止工作的指令，當電機反饋已經(jīng)停止工作，或電機通訊故障，或定時器time超過等待電機停止工作時間時，VMS控制DC/DC模塊停止工作，并控制真空泵高壓下電;②延時等待繼電器關(guān)閉時間T后，VMS控制蓄電池接觸器斷開;③蓄電池主接觸器處于斷開狀態(tài)的條件下，在該步驟不進行緊急故障條件的檢測。如果此時鑰匙轉(zhuǎn)動到ON位，或者計時器time超過延時等待繼電器關(guān)閉時間，下電模式將切換到上電模式。

在正式斷開高壓接觸器之前需對電池組箱溫度進行檢測，在溫度許可范圍之內(nèi)自動執(zhí)行斷電程序并進行一定時間延時，以保證VMS本身電源供電。檢測溫度超出范圍許可，則控制風(fēng)扇強制對電池組進行降溫，直到溫度許可時進行高壓下電。緊急故障下電可能發(fā)生在任何工況中，比如在車輛啟動、運行、下電不同狀態(tài)時，檢測到緊急故障，如整車絕緣紙過低、線路燒結(jié)等，則自動切斷高壓接觸器，進行高壓下電。如果高壓下電時間過長，則強行切換到低壓上電模式。當檢測到緊急故障，且電機沒有放電時，由下電模式進入緊急故障模式。在高壓下電過程中利用自保信號保證低壓有電。詳見圖10。

圖10 EV下電流流程Fig.10 EV key power-off flow chart

5 結(jié)語

純電動汽車上、下電控制的核心就是對動力系統(tǒng)高壓電路通斷的控制，如何在此過程中能準確高效的進行控制，達到既能快速響應(yīng)駕駛員動作，又可以保證整車在上電、下電過程中的安全性是個難點。

對于上電、下電控制策略初步實現(xiàn)了以整車管理系統(tǒng)為控制核心的EV順利上電、常規(guī)下電、緊急下電等關(guān)鍵功能。

［1］石英喬，何彬，曹桂軍，等.燃料電池混合動力瞬時優(yōu)化能量管理策略研究［J］.汽車工程，2008，30(1):30-35.Shi Yingqiao，He Bin，Cao Guijun，et al.A study on the energy management strategy for fuel cell electric vehicle based on instantaneous optimization［J］.Vehicle Engineering，2008，30(1):30-35.

［2］Misbahuddin S，Nizar A H.Fault tolerant distributed architectures for in-vehicular networks［C］//SAE 2001 World Congress.Warrendale:SAE，2001.

［3］竇國偉，劉奮，程浩，等.純電動轎車整車驅(qū)動控制策略開發(fā)實踐［J］.上海汽車，2010(5):8-11.Dou Guowei，Liu Fen，Cheng Hao，et al.Pure electric vehicle drive control strategy development practice［J］.Shanghai Automotive，2010(5):8-11.

［4］謝星，周蘇，王廷宏，等.基于Cruise/Simulink的車用燃料電池/蓄電池混合動力的能量管理策略仿真［J］.汽車工程，2010，32(5):373-378.Xie Xing，Zhou Su，Wang Tinghong，et al.A simulation on energy management strategy for the power system of a fuel cell/battery HEV on cruise/simulink［J］.Vehicle Engineering，2010，32(5):373-378.

［5］何彬，竇國偉，梁偉銘，等.插電式燃料電池轎車整車控制策略研究［J］.上海汽車，2009(2):2-6.He Bin，Dou Guowei，Liang Weiming，et al.Plug-in fuel cell car vehicle control strategy［J］.Shanghai Automotive，2009(2):2-6.

［6］Nossal R，Galla T M，Olig J.Standard software modules-one key for future distributed systems［C］//SAE 2005 World Congress ＆ Exhibition.Warrendale:SAE，2005.

［7］Dierker L T.Automotive systems engineering，modeling，and auto code benefits or burden［C］//SAE 2005 World Congress＆ Exhibition.Warrendale:SAE，2005.

［8］高海宇.基于MotoTron平臺的發(fā)動機ECU快速原型開發(fā)［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2008.

［9］宋炳雨.純電動汽車高壓電故障診斷與安全管理策略研究［D］.淄博:山東理工大學(xué)，2010.