電動(dòng)汽車高壓配電控制策略的改進(jìn)

黃志勇， 陳 竹， 張新林

(湖南中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，為了精簡控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備的集中控制，越來越多的廠家將電機(jī)驅(qū)動(dòng)、逆變發(fā)電、整車控制、輔助電源(包含DC/DC變速器和DC/AC逆變器)、絕緣檢測等功能模塊集成在一個(gè)電氣控制器中(簡稱控制總成)[1]。集成后，部件之間具有很強(qiáng)的耦合性[2]。因此，控制總成上電、下電和電池管理系統(tǒng)(BMS)的統(tǒng)一管理,是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分[3-5]。目前,國內(nèi)大多數(shù)電動(dòng)汽車將車載用電設(shè)備分別作為單獨(dú)個(gè)體進(jìn)行研究，而將BMS、整車控制和高壓配電等進(jìn)行綜合研究的很少,造成電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)找不到故障的源頭。本文結(jié)合電動(dòng)汽車硬件架構(gòu)和現(xiàn)在電動(dòng)汽車常規(guī)的BMS系統(tǒng)與控制總成配電控制策略，分析該控制策略存在的弊端，并進(jìn)行改進(jìn)和測試驗(yàn)證[6-10]。

1 高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及常規(guī)配電控制策略

1.1 電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。圖中，S1為動(dòng)力電池，K1為主正接觸器，K2為主負(fù)接觸器，K3為主接觸器，K4為預(yù)充接觸器，R1為預(yù)充電阻，C1為控制總成支撐電容，DC/AC為逆變模塊(用來控制油泵和氣泵)，C2為DC/AC的支撐電容、BMS為電池管理系統(tǒng)，VCU為整車控制系統(tǒng)，高壓負(fù)載包括DC/DC模塊、主電機(jī)逆變驅(qū)動(dòng)模塊、絕緣檢測模塊等。BMS控制K1和K2的通斷，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)對外供電。VCU控制K3和K4的通斷,實(shí)現(xiàn)控制總成的上電和下電。

圖1 電動(dòng)汽車高壓系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 BMS高壓配電常規(guī)控制策略

BMS高壓配電常規(guī)控制策略如圖2所示。

圖2 BMS高壓配電控制策略

從圖2可以看出，BMS高壓配電策略只根據(jù)鑰匙信號和故障信號來進(jìn)行控制，鑰匙On信號有效，BMS閉合接觸器K1和K2；鑰匙信號無效或系統(tǒng)出現(xiàn)故障，BMS上報(bào)故障信號，同時(shí)斷開接觸器K1和K2。

1.3 控制總成高壓配電常規(guī)控制策略

控制總成高壓配電常規(guī)控制策略如圖3所示。

圖3 控制總成高壓配電常規(guī)控制策略

從圖3可以看出，鑰匙On信號有效時(shí)，控制總成閉合K4進(jìn)行預(yù)充電，預(yù)充電完成后閉合K3，完成上電過程。鑰匙信號無效或系統(tǒng)故障時(shí)，控制總成進(jìn)行延時(shí)斷電。延時(shí)斷電具體處理策略如下：首先，VCU輸出一個(gè)指令將控制總成輸出轉(zhuǎn)矩限制在一定數(shù)值以下；其次，對鑰匙信號無效觸發(fā)的故障信號進(jìn)行若干秒的濾波，如果濾波后信號消失，則VCU回到正常運(yùn)行狀態(tài)；如果濾波后信號還存在，則進(jìn)一步讀取主回路電流值；如果主回路電流小于5 A，則直接斷開K3；如果大于5 A，則延時(shí)若干秒后強(qiáng)制斷開K3。

1.4 高壓配電常規(guī)控制策略的缺陷

假設(shè)鑰匙在On擋時(shí)在很短時(shí)間內(nèi)來回轉(zhuǎn)動(dòng)一次。鑰匙由On→Off擋時(shí)，BMS立即斷電，控制總成開始延時(shí)斷電。由于鑰匙轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間很短，在控制總成完成斷電前(K4處于閉合)，鑰匙由Off→On擋，BMS重新上電(閉合K1和K2)，則控制總成的高壓電路在沒有預(yù)充電的情況下直接通了高壓。取包含C2、DC/AC逆變模塊所在回路進(jìn)行分析，這種異常情況產(chǎn)生的瞬時(shí)電流為：

(1)

支撐電容容量一般在幾百微法，電容在正常放電時(shí)會(huì)在5 min以內(nèi)降到36 V以下，但是在放電的初始階段，電容電壓下降非常快。如果短時(shí)內(nèi)斷開高壓又加上高壓，會(huì)造成一個(gè)比較大的壓差，這種壓差引起的du/dt數(shù)量級能達(dá)到106或更大，由式(1)可知該情況下產(chǎn)生的脈沖電流很大，對整個(gè)控制總成高壓回路的功能部件都會(huì)造成極大的沖擊。

造成這種安全隱患的主要原因是控制總成生產(chǎn)廠家和電池生產(chǎn)廠家通常不是一家，在高壓配電時(shí)只根據(jù)自身信號輸入情況去控制主接觸器，BMS和整車控制系統(tǒng)之間缺乏配合，造成了高壓配電紊亂。

2 控制策略的改進(jìn)及驗(yàn)證

2.1 控制策略的改進(jìn)

針對1.4節(jié)高壓配電控制策略的缺陷，在常規(guī)控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。增加了兩個(gè)系統(tǒng)的信息交互部分，在圖4中用虛線表示，同時(shí)為了防止K1和K2在大電流時(shí)分閘而粘連,K1和K2的下電也添加了延時(shí)斷電。控制策略在高壓系統(tǒng)上電、控制總成下電、BMS下電的具體改進(jìn)如下：

1) 高壓系統(tǒng)上電。VCU上電后無異常，給BMS發(fā)送閉合K2指令再閉合K1，同時(shí)等待BMS反饋K2狀態(tài)；BMS自檢無故障，且接收到VCU發(fā)送來的閉合指令后閉合K2，并向VCU發(fā)送報(bào)文，反饋VCU K2狀態(tài)；VCU收到BMS反饋報(bào)文后閉合K4進(jìn)行預(yù)充電。預(yù)充電結(jié)束后，閉合K3，完成整個(gè)系統(tǒng)的高壓上電。

圖4 改進(jìn)后高壓上電控制策略

2)控制總成下電?？刂瓶偝稍趦煞N情況下會(huì)啟動(dòng)下電流程，第一是檢測到鑰匙信號無效，第二是系統(tǒng)出現(xiàn)故障。兩種情況下電如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后控制總成下電策略

如果是鑰匙信號無效造成的下電，控制總成會(huì)在完全斷開K3后，再次檢測鑰匙信號狀態(tài)；如果鑰匙信號有效，則延時(shí)若干秒后重新進(jìn)入預(yù)充電過程，如果鑰匙信號保持無效，則給BMS發(fā)送下電指令。如果是系統(tǒng)故障引起的下電，VCU會(huì)根據(jù)故障等級調(diào)整下電順序，威脅到整車安全行駛的故障，VCU會(huì)直接斷開K3，再向BMS發(fā)送下電指令，普通故障VCU會(huì)先進(jìn)行限速限功，再發(fā)送下電指令。

3) BMS下電。BMS下電過程如圖6所示。BMS下電也分兩種情況，不同情況處理過程如下：①BMS收到VCU下電指令。收到指令后，BMS按照延時(shí)斷電邏輯進(jìn)行斷電。②BMS系統(tǒng)故障斷電。系統(tǒng)故障時(shí)，BMS會(huì)給VCU發(fā)送故障代碼，如果30 s內(nèi)VCU反饋了下電指令，則BMS按照收到指令的時(shí)間開始延時(shí)斷電；如果等待時(shí)間超過30 s，則BMS在30 s后進(jìn)入延時(shí)斷電。通過控制策略的改進(jìn)，K1、K2、K3和K4閉合和斷開動(dòng)作都要經(jīng)過VCU和BMS的綜合判斷。

圖6 改進(jìn)后BMS下電策略

2.2 測試及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)后控制策略的有效性，取一輛電動(dòng)汽車，以其油泵DC/AC模塊所在回路為測試對象(受測試電流探頭量程限制將熔斷器F1替換為15根狀態(tài)基本一致的導(dǎo)線，探頭夾住其中一根)?？刂撇呗愿倪M(jìn)前DC/AC模塊所在回路在鑰匙經(jīng)歷On→Off→On過程產(chǎn)生的信號波形如圖7(a)所示。

(a)控制策略改進(jìn)前DC/AC上電流波形

(b) (a)圖中方框部分局部放大波形

從圖7(a)中的電容電壓曲線可以看出，方框以左鑰匙正經(jīng)歷On→Off過程，BMS已經(jīng)斷開高壓，電容電壓在不斷下降；同時(shí)K3信號保持有效,證明K3還沒有斷開。在C2電容電壓降到200 V左右時(shí)，突然增加到了電池電壓330 V(圖7(b)讀得電壓上升時(shí)間約380 μs)，說明BMS控制的K1、K2已經(jīng)閉合，即鑰匙由Off擋打到了On擋。而此時(shí)VCU控制的K3控制信號還是低電平，說明控制總成延時(shí)斷電還沒完成，K3仍然閉合著。DC/AC支撐電容C2為390 μF，由式(1)可知，這個(gè)過程產(chǎn)生的瞬時(shí)電流為：

(2)

實(shí)際測得瞬時(shí)電流為142.5 A(圖7(b)中單獨(dú)一根導(dǎo)線測得電流9.5 A,共15根并聯(lián))，與計(jì)算值相差6.4 %，理論推導(dǎo)值與實(shí)際測試值基本吻合。通常DC/AC模塊所在回路工作電流峰值在30 A以內(nèi)，選用的熔斷器最大工作電流50 A，表明控制策略改進(jìn)前如果駕駛員在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)幾次鑰匙，該回路熔斷器會(huì)損毀，造成轉(zhuǎn)向助力失效。主回路支撐電容(C1)通常在1 000 μF以上，產(chǎn)生的尖峰電流更大，可能引起K3粘連或其他功能部件損壞。

圖8 高壓配電控制策略優(yōu)化后信號波形一

圖9 高壓配電控制策略優(yōu)化后信號波形二

按照前述控制策略改進(jìn)后，在同一位置鑰匙不停地開關(guān)，測得的兩種信號波形分別如圖8和圖9所示。波形一(圖8)是鑰匙On→Off→On時(shí)間小于控制總成下電時(shí)鑰匙信號濾波時(shí)間時(shí)測得的波形。VCU將這種情況下鑰匙扭動(dòng)產(chǎn)生的信號當(dāng)成雜波濾掉了,VCU沒有向BMS發(fā)送掉電指令，回路狀態(tài)保持不變，系統(tǒng)沒有尖峰電流或尖峰電壓出現(xiàn)，對系統(tǒng)沒有沖擊。波形二(圖9)是鑰匙On→Off→On時(shí)間大于控制總成下電濾波時(shí)間時(shí)測得的波形?？刂瓶偝蒏3斷開(信號由低變高)，電容電壓不斷下降到0，30 s后再緩慢上升到電池電壓，說明經(jīng)歷了完整的預(yù)充電過程。從圖8和圖9電流曲線可以看出，整個(gè)上下電過程DC/AC回路電流沒有圖7所示的尖峰電流，說明上下電過程對該回路基本沒有沖擊，大大提高了電動(dòng)汽車高壓配電的安全性。測試結(jié)果與改進(jìn)后控制策略需要達(dá)到的控制效果一致。

3 結(jié)束語

本文通過建立整車控制與BMS之間的通信機(jī)制，把兩個(gè)子系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行統(tǒng)一控制，突破了控制總成與儲(chǔ)能系統(tǒng)分別作為獨(dú)立小系統(tǒng)控制時(shí)存在的局限性。最后通過實(shí)際測試對改進(jìn)后控制策略的有效性和安全性進(jìn)行了驗(yàn)證。目前我司生產(chǎn)的電動(dòng)汽車和對外銷售的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都采用了該高壓配電控制策略，該控制策略已實(shí)現(xiàn)大批量應(yīng)用。

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