基于分級(jí)模型的電動(dòng)汽車高壓電氣策略研究

李 東，沙文瀚，王 飛，劉 琳，曾羽飛

（奇瑞新能源汽車工程研究院，安徽 蕪湖 241000）

新能源汽車以電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以動(dòng)力電池作為供電來(lái)源，以實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動(dòng)作為產(chǎn)品的核心職能，衍生包括充電、高壓安全及空調(diào)控制等高壓功能。一系列功能設(shè)計(jì)需要有效的模型輔助進(jìn)行策略架構(gòu)和邏輯的設(shè)計(jì)。

行業(yè)內(nèi)對(duì)于架構(gòu)控制策略已經(jīng)有一定的研究，并進(jìn)行相應(yīng)的驗(yàn)證和搭載。如田晟等的純電動(dòng)汽車上下電及電池管理系統(tǒng)故障控制策略對(duì)純電動(dòng)汽車的上下電功能時(shí)序及電池的故障控制策略進(jìn)行了解析。相比以往研究，該文對(duì)上下電過(guò)程中各控制節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)原則進(jìn)行了定義，基于此提出了正常上下電及緊急上下電的控制策略。

韓友國(guó)等基于某款電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)控制策略，整車控制單元對(duì)用戶的駕駛意圖進(jìn)行分析并建立相應(yīng)的制動(dòng)及驅(qū)動(dòng)策略，以及基于動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)，建立相應(yīng)的高壓安全保護(hù)策略。利賀等對(duì)增程式汽車目前主要存在的電能消耗-電能維持控制策略以及混合型控制策略進(jìn)行分析，并提出了一種自適應(yīng)控制策略，能夠識(shí)別車輛工況、智能控制增程器啟停和功率輸出。

1 功能策略分解

1.1 原理基礎(chǔ)

電動(dòng)汽車的最核心功能是電力驅(qū)動(dòng)，電能作為驅(qū)動(dòng)能源，電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)模塊，電池作為儲(chǔ)能元件。其中電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為整車的動(dòng)力模塊，根據(jù)整車控制器的控制指令，輸出相應(yīng)的扭矩經(jīng)減速器、半軸到達(dá)車輪，電子控制器和功率變換器是電驅(qū)系統(tǒng)的兩大主要模塊，動(dòng)力電池為整車的儲(chǔ)能單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車高壓電能的儲(chǔ)存及輸出，設(shè)計(jì)有充電系統(tǒng)，動(dòng)力電池電能輸出完畢后，對(duì)電池進(jìn)行電能補(bǔ)充，目前充電方式主要為直流充電和交流充電。

壓縮機(jī)及PTC為整車的空調(diào)系統(tǒng)元件，同樣采用高壓電能作為能源，PTC（加熱器）相當(dāng)于加熱電阻，給PTC進(jìn)行供電，PTC會(huì)產(chǎn)生熱量，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)整車加熱需求；壓縮機(jī)同樣進(jìn)行供電，會(huì)在蒸發(fā)器吸收大量熱量，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行熱交換。

配電盒為整車的配電單元，包含熔斷器、高壓插件及繼電器等原件，可以對(duì)電能進(jìn)行分配，同時(shí)電路發(fā)生過(guò)載，可以實(shí)現(xiàn)電安全保護(hù)。DCDC是整車的低壓供電單元，相當(dāng)于傳統(tǒng)車發(fā)電機(jī)的作用，可以將動(dòng)力電池的高壓電轉(zhuǎn)換為12V低壓電，給整車低壓電器及蓄電池進(jìn)行供電。

1.2 功能分解

如圖1所示，電力驅(qū)動(dòng)功能包括上電策略、下電策略、擋位控制、扭矩輸出和起步蠕行等多部分子級(jí)功能構(gòu)成，同時(shí)需要并行的功能進(jìn)行組合執(zhí)行，包括高壓安全、能源管理、充電控制和附件功能。

圖1 電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)及功能分析示意圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)為整車的核心功能，也是汽車最初始需求；電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)單元是電機(jī)，驅(qū)動(dòng)能源來(lái)自于電能，電機(jī)驅(qū)動(dòng)完整功能實(shí)現(xiàn)由高壓上電管理、高壓下電管理、扭矩輸出控制、擋位控制及起步蠕行等策略共同組建而成。

高壓安全

電動(dòng)汽車內(nèi)有高壓電能進(jìn)行傳輸，當(dāng)高壓電保護(hù)不良，就會(huì)存在人員觸電風(fēng)險(xiǎn)，高壓安全保護(hù)功能是電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中必須實(shí)現(xiàn)的基本保障。高壓安全分別從物理層和功能層進(jìn)行考慮，物理層包括對(duì)電流傳輸線路的全方位絕緣保護(hù)，避免人員直接接觸電路；功能層包括環(huán)路互鎖功能、絕緣檢測(cè)功能、主動(dòng)泄放、電位均衡及碰撞安全等。

能源管理

能源管理是對(duì)供能單元電流、電壓、溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)以及狀態(tài)反饋，包括電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、SOC計(jì)算、瞬時(shí)功率計(jì)算以及溫度檢測(cè)。

充電控制

動(dòng)力電池是整車的供能單元，當(dāng)動(dòng)力電池電能用完之后，需要對(duì)動(dòng)力電池補(bǔ)充電能，滿足整車的充電需求；包括快充功能、慢充功能、預(yù)約充電和充電顯示等。充電需求的實(shí)現(xiàn)需要完備的充電時(shí)序控制才能實(shí)現(xiàn)。

附件功能

隨著汽車智能化、電氣化的不斷發(fā)展，低壓部件越來(lái)越多，需要提供12V供電單元，相對(duì)于傳統(tǒng)汽車采用發(fā)電機(jī)給蓄電池進(jìn)行供電，電動(dòng)車設(shè)計(jì)有專屬的高壓附件DCDC模塊，可以將高壓電能轉(zhuǎn)化為12V低壓電。電動(dòng)汽車相對(duì)于傳統(tǒng)汽車同樣有制冷、制熱需求，分別采用壓縮機(jī)及PTC來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 分級(jí)模型

基于原理基礎(chǔ)及功能分析可知，要實(shí)現(xiàn)高壓安全、空調(diào)功能、低壓供電需要一系列子功能組合實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，通過(guò)對(duì)功能策略的研究，建立了請(qǐng)求級(jí)、監(jiān)控級(jí)、判斷級(jí)、指令級(jí)以及執(zhí)行級(jí)功能模型，便于策略的架構(gòu)及邏輯設(shè)計(jì)。

圖2 分級(jí)功能模型框圖

1）請(qǐng)求級(jí) （input）：功能模型的啟動(dòng)輸入級(jí)，當(dāng)請(qǐng)求級(jí)開(kāi)始后，策略流程開(kāi)始往后流動(dòng)，如對(duì)車輛進(jìn)行充電時(shí)，插上充電槍即為充電請(qǐng)求源頭；啟動(dòng)空調(diào)，旋動(dòng)空調(diào)按鈕或者大屏觸摸啟動(dòng)空調(diào)為空調(diào)啟動(dòng)源頭；行駛驅(qū)動(dòng)的請(qǐng)求級(jí)可以認(rèn)為是切換擋位到D擋級(jí)油門信號(hào)的組合；請(qǐng)求輸入不一定只是單一動(dòng)作，也存在不同動(dòng)作的集合。

2）監(jiān)控級(jí) （Plan）：監(jiān)控級(jí)即對(duì)請(qǐng)求級(jí)狀態(tài)的監(jiān)控，包括請(qǐng)求信號(hào)及策略所需信號(hào)的監(jiān)控，如純電動(dòng)汽車電力驅(qū)動(dòng)行駛過(guò)程中，會(huì)對(duì)踏板信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)檢測(cè)電機(jī)的輸出扭矩大小、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、溫度、整車車速等狀態(tài)?？照{(diào)制冷監(jiān)控空調(diào)面板的啟動(dòng)信號(hào)，同時(shí)會(huì)對(duì)電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻回路壓力、蒸發(fā)器溫度、風(fēng)扇狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控。

3）判斷級(jí)（decide）：即對(duì)監(jiān)控狀態(tài)及設(shè)定的閾值進(jìn)行比對(duì)的層級(jí)，如充電啟動(dòng)信號(hào)，同時(shí)滿足充電狀態(tài)，發(fā)出充電請(qǐng)求；或者動(dòng)力電池內(nèi)對(duì)電芯的溫度、電壓、電流進(jìn)行監(jiān)控，如某平臺(tái)電芯設(shè)定的高溫閾值為50℃，監(jiān)測(cè)到的電芯溫度為52℃，可判斷為動(dòng)力電池二級(jí)過(guò)溫，并進(jìn)行上報(bào)。

4）指令級(jí)（command）：即針對(duì)判斷級(jí)的輸入下發(fā)匹配的執(zhí)行指令，如在行駛驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，如指令級(jí)接收判斷級(jí)發(fā)出的高壓附件環(huán)路斷開(kāi)故障，會(huì)對(duì)車速信號(hào)進(jìn)行查看，當(dāng)前是否處于高速狀態(tài)，確認(rèn)如高于30km/h，則下達(dá)儀表故障提示用戶及限制電機(jī)輸出功率指令，防止出現(xiàn)追尾等行駛安全，直到車速低于設(shè)定閾值時(shí)，再發(fā)出高壓斷開(kāi)指令。如車速本身已低于10km/h，則直接發(fā)出高壓斷開(kāi)指令。

5）執(zhí)行級(jí) （execute）：即接收到指令級(jí)的具體指令進(jìn)行執(zhí)行的層級(jí)，如指令級(jí)確認(rèn)收到一般故障提示，發(fā)出限制功率指令，電機(jī)控制器需限制輸出扭矩；如發(fā)出高壓斷開(kāi)指令，則動(dòng)力電池需執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，斷開(kāi)高壓回路輸出。

3 整車電氣策略設(shè)計(jì)

基于分級(jí)模型和高壓架構(gòu)，分別制定出驅(qū)動(dòng)控制和絕緣保護(hù)的邏輯策略。如圖3所示。

圖3 行駛驅(qū)動(dòng)邏輯策略

3.1 驅(qū)動(dòng)控制

1）請(qǐng)求級(jí)：用戶踩下油門或切換擋位，會(huì)有擋位及油門信號(hào)，請(qǐng)求級(jí)為擋位切換及油門信號(hào)。

2）監(jiān)控級(jí)：VCU和MCU對(duì)模塊進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，包括油門信號(hào)、擋位信號(hào)、模塊是否有故障。

3）判斷級(jí)：VCU接收請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，下發(fā)動(dòng)作指令。

4）指令級(jí)：向減速器發(fā)出擋位切換指令，進(jìn)行前進(jìn)擋切換，VCU接收到油門信號(hào)，向電機(jī)控制器發(fā)出扭矩輸出請(qǐng)求。

5）執(zhí)行級(jí)：減速器進(jìn)行擋位切換，電機(jī)控制器執(zhí)行動(dòng)作并發(fā)出當(dāng)前扭矩狀態(tài)，車輛進(jìn)入電力驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。用戶想要停車時(shí)，踩下制動(dòng)開(kāi)關(guān)，同時(shí)切換擋位到N擋，VCU同時(shí)檢測(cè)到制動(dòng)狀態(tài)及擋位切換請(qǐng)求后，下發(fā)擋位切換指令，同時(shí)向電機(jī)控制器發(fā)出零扭矩請(qǐng)求，減速器及電機(jī)控制器響應(yīng)并執(zhí)行驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，車輛驅(qū)動(dòng)停止；用戶拔下鑰匙，VCU未檢測(cè)到ON擋信號(hào)，發(fā)出繼電器切斷指令，BMS斷開(kāi)主正負(fù)繼電器，各模塊進(jìn)入休眠。

3.2 絕緣保護(hù)

如圖4所示，①請(qǐng)求級(jí)：以高壓回路的低閾值狀態(tài)作為絕緣保護(hù)功能的啟動(dòng)輸入；②監(jiān)控級(jí)：一級(jí)單元BMS被喚醒后會(huì)實(shí)時(shí)對(duì)高壓回路的阻值狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)存在低閾值狀態(tài)時(shí)，BMS會(huì)上報(bào)低閾值狀態(tài)和絕緣故障給整車控制器；③判斷級(jí)：整車控制器接收到低閾值狀態(tài)和絕緣故障后，匹配相應(yīng)故障信息，進(jìn)行邏輯判斷；④指令級(jí)：下發(fā)動(dòng)作指令，向BMS發(fā)出斷開(kāi)繼電器指令，向MCU發(fā)出停止驅(qū)動(dòng)輸入指令，同時(shí)儀表點(diǎn)亮絕緣故障燈，提示用戶存在絕緣故障；⑤執(zhí)行級(jí)：BMS在接收到動(dòng)作指令后，執(zhí)行斷開(kāi)繼電器保護(hù)動(dòng)作，并將繼電器的狀態(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)出。

圖4 絕緣保護(hù)邏輯策略

4 高壓策略實(shí)車驗(yàn)證

基于邏輯策略分解及高壓架構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)行了某款電動(dòng)汽車車型的搭載測(cè)試，對(duì)時(shí)序邏輯進(jìn)行了采集驗(yàn)證。

4.1 驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序

如圖5所示，在0時(shí)刻鑰匙點(diǎn)火，低壓繼電器吸合，各模塊開(kāi)始工作，VCU在200ms內(nèi)發(fā)出吸合指令，BMS接收到吸合指令，吸合主繼電器，繼電器狀態(tài)顯示為閉合，電池電壓拉升。用戶踩下制動(dòng)及切換擋位，VCU對(duì)制動(dòng)及擋位信號(hào)進(jìn)行采集，發(fā)出扭矩請(qǐng)求指令，MCU輸出相應(yīng)扭矩，時(shí)序顯示MCU端檢測(cè)的電流開(kāi)始上升，與設(shè)計(jì)策略相符。駕駛一段時(shí)間后，重新踩制動(dòng)切斷擋位至N擋，停車下電，VCU檢測(cè)到鑰匙下電信號(hào)，發(fā)出切斷指令，BMS斷開(kāi)高壓繼電器，MCU端電壓快速泄放，各模塊逐步休眠。

圖5 驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序

4.2 絕緣保護(hù)時(shí)序

如圖6所示，在0時(shí)刻整車發(fā)生了絕緣失效，高壓回路的物理狀態(tài)發(fā)生改變，基于策略設(shè)計(jì)，BMS應(yīng)對(duì)整車的高壓回路絕緣狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。時(shí)序顯示BMS在200ms內(nèi)檢測(cè)到了高壓回路電阻降低狀態(tài)，并像CAN網(wǎng)絡(luò)上報(bào)了低閾值阻值以及故障信息。

圖6 絕緣保護(hù)時(shí)序

絕緣故障為高壓安全故障，VCU接受到故障信息在100ms內(nèi)下發(fā)斷電指令和儀表報(bào)警，BMS執(zhí)行斷電指令，繼電器斷開(kāi)，同時(shí)儀表進(jìn)行故障報(bào)警。

5 結(jié)論

文中在對(duì)功能策略研究的基礎(chǔ)上建立了多級(jí)功能模型，基于模型梳理高壓電氣策略的內(nèi)在架構(gòu)和邏輯。根據(jù)功能模型提出了電力驅(qū)動(dòng)、絕緣保護(hù)電氣策略，進(jìn)行了搭載測(cè)試。

抓取的實(shí)車數(shù)據(jù)顯示：電力驅(qū)動(dòng)功能正常，當(dāng)有擋位及制動(dòng)踏板信號(hào)時(shí)，電機(jī)輸出相應(yīng)的輸出扭矩，電流顯示正常。

整車上電后，有實(shí)時(shí)的絕緣阻值反饋，當(dāng)人為地在高壓電路中接入低阻值電阻時(shí)，低阻值會(huì)立刻被檢測(cè)到，同時(shí)有絕緣報(bào)警，并斷開(kāi)高壓回路，有效保護(hù)了人員安全。