混合動(dòng)力汽車(chē)電源管理及診斷策略研究

伍慶龍

（中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司 新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：混合動(dòng)力汽車(chē) 電源管理 上下電流程 診斷策略

1 前言

混合動(dòng)力汽車(chē)由于其燃油節(jié)省效果好正在被越來(lái)越多的汽車(chē)廠商推廣和研發(fā)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)是從至少兩類(lèi)車(chē)載存儲(chǔ)的能量中獲得動(dòng)力的汽車(chē)，包括可消耗的燃料或者可充電電能存儲(chǔ)裝置。利用電池給電機(jī)提供動(dòng)力來(lái)源，且通過(guò)電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)，可以有效降低混動(dòng)汽車(chē)的油耗和排放，進(jìn)一步提高整車(chē)性能。

傳統(tǒng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)，其電源上下電管理是無(wú)法滿(mǎn)足混合動(dòng)力汽車(chē)應(yīng)用的，混合動(dòng)力汽車(chē)有其自身的能量源管理策略[1]。這是因?yàn)?，混合?dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)與傳統(tǒng)汽車(chē)的動(dòng)力系統(tǒng)相比，前者在后者的基礎(chǔ)上，增加了高壓動(dòng)力電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、啟動(dòng)發(fā)電一體機(jī)及其對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制器、逆變器等復(fù)雜的電力電子器件，這些都裝備至整車(chē)中形成了較為龐大的混合動(dòng)力系統(tǒng)架構(gòu)。因此，為了滿(mǎn)足混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)新增的零部件上下電需求和說(shuō)明各控制器的運(yùn)行狀態(tài)，需要對(duì)混合動(dòng)力車(chē)輛的高低壓電源上下電管理進(jìn)行分析，并對(duì)其高低壓上下電過(guò)程涉及的診斷策略及控制方法進(jìn)行闡述。

2 傳統(tǒng)汽車(chē)電源管理

因?yàn)閭鹘y(tǒng)汽車(chē)沒(méi)有類(lèi)似混動(dòng)汽車(chē)的高壓部件，其電源管理主要為12 V低壓系統(tǒng)的弱電管理。通過(guò)12 V蓄電池給傳統(tǒng)車(chē)上的低壓電氣附件供電，比如給各控制器、低壓用電器等，來(lái)實(shí)現(xiàn)整車(chē)的上下電管理。傳統(tǒng)汽車(chē)的電源上下電管理模式執(zhí)行如下的流程步驟。

（1）鑰匙在OFF檔時(shí)，低壓用電器及控制器處于斷電狀態(tài)。

（2）鑰匙在ACC檔時(shí)，部分低壓電器開(kāi)始工作。

（3）鑰匙在ON檔時(shí)，整車(chē)上所有控制器全部工作。

（4）鑰匙在Start檔時(shí)，發(fā)電機(jī)得電開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)并拖起發(fā)動(dòng)機(jī)至預(yù)定的轉(zhuǎn)速后開(kāi)始噴油點(diǎn)火完成發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

傳統(tǒng)汽車(chē)的電源上下電管理是通過(guò)鑰匙開(kāi)關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)完成的，如上述步驟分析，在上下電過(guò)程中鑰匙檔位一般分為OFF、ACC、ON、Start檔位，在不同的檔位下，控制器按預(yù)定的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行工作。

3 混合動(dòng)力汽車(chē)電源管理

混合動(dòng)力汽車(chē)構(gòu)型方案至少應(yīng)有兩個(gè)以上的動(dòng)力源，一部分的動(dòng)力來(lái)自傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，另一部分來(lái)自高壓動(dòng)力電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[2]。高壓動(dòng)力電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及高壓線束等均屬于強(qiáng)電范疇，電機(jī)驅(qū)動(dòng)的能量來(lái)源于高壓動(dòng)力電池提供[3]。除了電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)等高壓部件，還要引入與之相對(duì)應(yīng)的控制器，包括整車(chē)控制器（HCU，Hybrid Control Unit），動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS，Battery Management System），電 機(jī) 控 制 器（MCU,Motor Control Unit），再加上原有車(chē)上的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（EMS,Engine Management System）等部件，這就構(gòu)成了混合動(dòng)力汽車(chē)極為龐大復(fù)雜的電氣架構(gòu)。

混合動(dòng)力汽車(chē)電源管理模式不同于傳統(tǒng)汽車(chē)，因其包括了12 V低壓弱電和高壓強(qiáng)電兩方面的電源管理[4]，為了保證整車(chē)高低壓電源上下電的安全性及可靠性，上下電過(guò)程的每一步驟中涉及的信號(hào)狀態(tài)必須經(jīng)過(guò)各控制器之間相互確認(rèn)和反饋。因此，混合動(dòng)力汽車(chē)高低壓電源上下電管理應(yīng)當(dāng)遵循一定的流程。

3.1 高壓上電流程

在保證安全的前提下，混合動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行如下圖1的高壓上電流程步驟。

（1）當(dāng)沒(méi)有插上汽車(chē)鑰匙時(shí)，即在鑰匙OFF檔位下，混合動(dòng)力系統(tǒng)各控制器處于用電關(guān)閉狀態(tài)。

（2）當(dāng)插上鑰匙并且將鑰匙撥至ON檔位后，相關(guān)的控制單元如整車(chē)控制器HCU、電池管理系統(tǒng)BMS、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器MCU、DCDC等控制器將會(huì)執(zhí)行初始化自檢，完成低壓上電。

（3）當(dāng)把鑰匙從On檔位轉(zhuǎn)向Start起動(dòng)檔位后，HCU將通過(guò)CAN總線發(fā)送混合動(dòng)力系統(tǒng)使能信號(hào)給相關(guān)控制器，告之動(dòng)力系統(tǒng)準(zhǔn)備高壓上電。

（4）相關(guān)的控制器（如BMS、MCU、DCDC等）在收到該混合動(dòng)力系統(tǒng)使能信號(hào)后，并且確保在沒(méi)有故障發(fā)生的前提下，電池管理系統(tǒng)BMS將對(duì)高壓母線進(jìn)行預(yù)充電控制。

圖1 高壓上電流程

（5）高壓母線一旦預(yù)充過(guò)程結(jié)束，BMS將會(huì)通過(guò)CAN總線發(fā)送高壓主繼電器閉合信號(hào)指令。在收到主繼電器閉合信號(hào)及沒(méi)有故障發(fā)生的前提下，MCU和DCDC將控制IGBT管門(mén)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。

（6）所有控制器都會(huì)發(fā)出各自的響應(yīng)信號(hào)給HCU，以此說(shuō)明自身控制器的狀態(tài)。HCU控制器在收到來(lái)自BMS、MCU、DCDC狀態(tài)及無(wú)故障的信息反饋后，HCU將會(huì)發(fā)送混合動(dòng)力系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒信號(hào)，并在儀表上顯示Ready信號(hào)提示燈[5-6]。至此，混合動(dòng)力系統(tǒng)高壓上電過(guò)程完成。

3.2 高壓下電流程

當(dāng)鑰匙轉(zhuǎn)至OFF檔位或者撥出時(shí)，混合動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行如下圖2的高壓下電流程步驟。

圖2 高壓下電流程

（1）車(chē)輛下電時(shí)，整車(chē)控制器HCU接收鑰匙信號(hào)并判斷動(dòng)力系統(tǒng)斷電命令。

（2）HCU將會(huì)發(fā)送動(dòng)力系統(tǒng)準(zhǔn)備關(guān)斷信號(hào)指令給各個(gè)控制器，包括BMS、MCU、DCDC等。

（3）MCU收到高壓下電的指令后開(kāi)始做三相交流絕緣檢測(cè)，并在交流絕緣檢測(cè)結(jié)束后，向HCU反饋信號(hào)。

（4）HCU向電池管理系統(tǒng)發(fā)出指令，命令BMS打開(kāi)高壓主繼電器。

（5）BMS在接收到打開(kāi)高壓主繼電器的指令后，開(kāi)始執(zhí)行高壓下電流程，控制將母線電壓降至一定范圍之內(nèi)。此時(shí)，若各控制器均無(wú)故障，HCU將進(jìn)入電源斷開(kāi)模式，各控制器BMS、MCU、DCDC等亦全部進(jìn)入電源斷開(kāi)模式。至此，混合動(dòng)力系統(tǒng)高壓下電過(guò)程完成。

與傳統(tǒng)汽車(chē)的整車(chē)電源上下電管理流程相比，混合動(dòng)力汽車(chē)在上下電流程中采用高壓電池主繼電器狀態(tài)控制、電機(jī)狀態(tài)控制及DCDC狀態(tài)控制代替了發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的上下電時(shí)序，同時(shí)也能有效利用起動(dòng)發(fā)電一體機(jī)來(lái)起動(dòng)車(chē)輛。

由于混合動(dòng)力汽車(chē)的特點(diǎn)，各控制器的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，會(huì)影響整車(chē)高壓上下電的正常流程。在電源上下電管理流程中除了考慮混合動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)以滿(mǎn)足正常安全上高壓，還要考慮到高壓母線電流及電壓、高壓動(dòng)力電池預(yù)充電、電機(jī)控制模式、絕緣檢測(cè)、信號(hào)傳送等情況，以保證并判斷上下電流程能否正常進(jìn)行或者進(jìn)入故障處理模式。

4 故障診斷及處理

一般正常情況下，混合動(dòng)力汽車(chē)將執(zhí)行前述的電源上下電管理流程。但是，在實(shí)際過(guò)程中若出現(xiàn)如整車(chē)絕緣電阻值低、電池端電壓低等異常情況，，則會(huì)給高低壓電源上下電過(guò)程帶來(lái)安全隱患[7]。另外，高壓互鎖回路是否處于正常狀態(tài)也是上下電故障管理要考慮的因素。為此，在電源上下電管理流程執(zhí)行時(shí)應(yīng)考慮可能出現(xiàn)的故障以及與之相應(yīng)的故障處理策略，減少出錯(cuò)的概率。下面將從預(yù)充電及母線電壓診斷、絕緣電阻檢測(cè)、高壓互鎖檢測(cè)及系統(tǒng)通信超時(shí)診斷這四個(gè)方面來(lái)對(duì)故障診斷處理進(jìn)行展開(kāi)說(shuō)明，見(jiàn)圖3。

4.1 預(yù)充電及母線電壓診斷

動(dòng)力電池是由大量單體電池串聯(lián)形成的高壓電池包。動(dòng)力電池組的電流、電壓輸出由電池管理系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)整車(chē)需要上高壓時(shí)，整車(chē)控制器HCU向電池管理系統(tǒng)BMS發(fā)送高壓上電指令，BMS控制動(dòng)力電池高壓主繼電器導(dǎo)通，動(dòng)力電池通過(guò)預(yù)充電電阻給電機(jī)逆變器端的預(yù)充電電容進(jìn)行充電，當(dāng)其端電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，才允許逆變器端正式接入動(dòng)力電池端。高壓下電時(shí)，待BMS控制動(dòng)力電池高壓主繼電器斷開(kāi)以后，電機(jī)逆變器電容要進(jìn)行主動(dòng)放電后，才能完成高壓下電過(guò)程。

圖3 故障診斷處理分類(lèi)

為避免瞬時(shí)電流過(guò)大及母線電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值，在上高壓電之前應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)動(dòng)力系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障，如果電機(jī)端電壓過(guò)大，電機(jī)應(yīng)主動(dòng)進(jìn)行放電，將電能釋放完畢，然后再執(zhí)行正常上電流程。如果檢測(cè)到母線電壓不滿(mǎn)足范圍值要求，則HCU發(fā)現(xiàn)故障后應(yīng)禁止高壓上電轉(zhuǎn)入下電流程。

4.2 絕緣電阻檢測(cè)診斷

為保證人員免遭高壓觸電風(fēng)險(xiǎn)，高壓系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行絕緣電阻檢測(cè)診斷，若絕緣電阻值過(guò)小，整車(chē)控制器HCU應(yīng)當(dāng)發(fā)送高壓主繼電器斷開(kāi)的指令。與傳統(tǒng)汽車(chē)上下電不同，在混合動(dòng)力汽車(chē)高壓上下電和動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，絕緣檢測(cè)是由電池管理系統(tǒng)BMS負(fù)責(zé)完成的，HCU會(huì)記錄上次下電流程中出現(xiàn)的絕緣故障，檢測(cè)結(jié)果和故障等級(jí)描述如下。

（1）當(dāng)絕緣值處于某一范圍[x,y]時(shí)，HCU將記錄絕緣故障等級(jí)1，此時(shí)可以不點(diǎn)亮混合動(dòng)力系統(tǒng)故障警告燈。即若上次下電過(guò)程中曾出現(xiàn)過(guò)等級(jí)1的絕緣故障，還是允許上高壓的。故障等級(jí)1的嚴(yán)重度低于故障等級(jí)2。

（2）當(dāng)絕緣值低于某一值x時(shí)，HCU將記錄絕緣故障等級(jí)2，并要立刻禁止混合動(dòng)力系統(tǒng)功能，同時(shí)將混合動(dòng)力系統(tǒng)故障警告燈點(diǎn)亮。車(chē)輛需要進(jìn)行電路等故障排查，另外在排查完之后，絕緣故障必須通過(guò)診斷設(shè)備徹底清除。

4.3 高壓互鎖檢測(cè)診斷

混合動(dòng)力汽車(chē)上一般會(huì)設(shè)置高壓互鎖回路用于檢測(cè)電氣回路的狀態(tài)。當(dāng)高壓互鎖回路斷開(kāi)時(shí)，表示某一高壓部件的低壓或高壓連接斷開(kāi)，此時(shí)車(chē)上的人員有可能會(huì)接觸到高壓電從而造成觸電傷害，因此電池管理系統(tǒng)BMS在檢測(cè)到高壓互鎖斷開(kāi)信號(hào)之后應(yīng)當(dāng)立即斷開(kāi)相應(yīng)的高壓電池繼電器以切斷高壓輸出。在BMS初始化完成后，實(shí)時(shí)發(fā)送高壓互鎖的狀態(tài)給整車(chē)控制器HCU。

整車(chē)控制器HCU對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的控制需要考慮高壓互鎖的狀態(tài)，具體控制策略描述如下。

（1）如果在高壓主繼電器閉合之前收到高壓互鎖的狀態(tài)為斷開(kāi)時(shí)，HCU不能再發(fā)送主繼電器閉合的指令給BMS。

（2）如果在高壓主繼電器閉合之后收到高壓互鎖的狀態(tài)為斷開(kāi)時(shí)，HCU的處理策略為：若車(chē)速小于某一值（如5 km/h），HCU將發(fā)送關(guān)閉高壓系統(tǒng)的指令，此時(shí)BMS應(yīng)響應(yīng)HCU發(fā)送的高壓主繼電器打開(kāi)或閉合信號(hào)命令；如果車(chē)速高于某一值（如5 km/h），HCU將綜合考慮車(chē)輛的其他狀態(tài)（如安全性等）來(lái)控制車(chē)輛，如果HCU判斷可以關(guān)閉高壓系統(tǒng)，那么BMS亦應(yīng)響應(yīng)HCU發(fā)送的高壓主繼電器打開(kāi)或閉合信號(hào)命令。

4.4 網(wǎng)絡(luò)通信超時(shí)診斷

由前述內(nèi)容可知，每一項(xiàng)電源上下電管理步驟的有效實(shí)施均需要借助CAN網(wǎng)絡(luò)通信，如果CAN通信出現(xiàn)異常，將會(huì)對(duì)整車(chē)高低壓上下電流程造成嚴(yán)重影響。在上下電過(guò)程中要進(jìn)行CAN通信診斷，診斷機(jī)制包括幀超時(shí)（Frame Time out），通信中斷（CAN Bus off）等，如果在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，控制器相互之間沒(méi)有收到指定的信號(hào)，則會(huì)出現(xiàn)CAN通信故障，此時(shí)整車(chē)依據(jù)故障類(lèi)別執(zhí)行相應(yīng)策略，通信中斷時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)轉(zhuǎn)入下電流程。

5 實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)在某樣車(chē)中進(jìn)行試驗(yàn)，依次操作鑰匙從Off檔、ACC檔、On檔至Start檔，觀察儀表盤(pán)顯示，并利用CANoe等診斷工具進(jìn)行實(shí)車(chē)數(shù)據(jù)采集分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)以分析結(jié)果是否合理及有效。

在高壓上電流程中，當(dāng)駕駛員將鑰匙撥至Start檔位時(shí)，整車(chē)控制器HCU會(huì)要求電池管理系統(tǒng)BMS閉合高壓主繼電器，當(dāng)高壓主繼電器閉合信號(hào)后BMS反饋該信號(hào)給HCU，HCU將會(huì)向電機(jī)控制器MCU發(fā)送電機(jī)使能命令，當(dāng)MCU反饋電機(jī)上高壓電狀態(tài)信號(hào)和電機(jī)處于轉(zhuǎn)矩可輸出狀態(tài)后，HCU會(huì)將動(dòng)力系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒信號(hào)使能，儀表上也會(huì)有相應(yīng)的Ready信號(hào)燈顯示，表明此時(shí)車(chē)輛處于可行駛的狀態(tài)，則高壓上電完成。

在高壓下電流程中，當(dāng)駕駛員將鑰匙轉(zhuǎn)至OFF檔位時(shí)，整車(chē)控制器HCU會(huì)先關(guān)閉電機(jī)使能，待電池管理系統(tǒng)BMS通過(guò)CAN總線反饋高壓下電完成之后，電機(jī)將進(jìn)行自放電操作，直至電機(jī)母線電壓降至安全閾值內(nèi)，則高壓下電完成。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)描述了混合動(dòng)力汽車(chē)電源高低壓上下電管理流程及控制方法，詳細(xì)分析了混合動(dòng)力汽車(chē)各控制器的上下電步驟流程，并且從上下電流程中的預(yù)充電管理、電機(jī)母線電壓檢測(cè)、絕緣檢測(cè)、高壓互鎖檢測(cè)及網(wǎng)絡(luò)通信超時(shí)方面進(jìn)行故障策略研究及分析。最后結(jié)合某樣車(chē)實(shí)例，通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了相關(guān)電源上下電管理流程控制方法的有效性和可靠性。