王 晨，張 彤，于海生

（上海華普汽車有限公司，上海 201501）

隨著國家新能源汽車戰(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、混合動力轎車的研發(fā)進(jìn)程。作為一種新興的汽車產(chǎn)業(yè)，它打破了傳統(tǒng)汽車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將動力電池、電機(jī)、AC／DC、DC／DC等復(fù)雜的電力電子器件都裝備至整車中，給整車的布置、控制、振動、電磁干擾、行駛安全等方面帶來了諸多新的挑戰(zhàn)。

本文立足于某企業(yè)重度混合動力轎車產(chǎn)業(yè)化項目，僅以與整車強(qiáng)、弱電管理相關(guān)的部件為研究對象，著重分析整車的上、下電流程，上、下電過程中的故障診斷及處理方法。

1 傳統(tǒng)汽車電源管理

針對傳統(tǒng)汽車，由于動力源僅為發(fā)動機(jī)，并無電機(jī)、動力電池等高壓器件，所以所謂的電源管理僅為12 V弱電管理。它主要包括整車電氣附件的上、下電管理，以及發(fā)動機(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，所有電器設(shè)備均不得電，整車處于掉電狀態(tài)；當(dāng)駕駛員將鑰匙撥至ACC檔時，收音機(jī)、點煙器等電器附件均得電；當(dāng)駕駛員將鑰匙撥至ON檔時，發(fā)動機(jī)控制器主芯片得電運(yùn)行。傳統(tǒng)汽車的所有上、下電控制都是通過鑰匙開關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點，其電源管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 混合動力汽車電源管理

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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

該混合動力轎車采用無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)［1］（PKE）替代傳統(tǒng)車身控制器，并且配備一鍵式起動按鈕，增加了整車舒適性，以及強(qiáng)、弱電管理的靈活性。為了確保整車上、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)各控制器及時反饋給整車控制器，進(jìn)行 “握手”確認(rèn)后才執(zhí)行下一步上、下電操作。該混合動力汽車弱電管理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 上電流程

無鑰匙系統(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)測到鑰匙信號則被激活，進(jìn)入正常工作模式。駕駛員攜鑰匙靠近混合動力轎車后，車門鎖即自動開啟，駕駛員隨即進(jìn)入駕駛艙。類似于傳統(tǒng)車中鑰匙置于OFF檔的狀態(tài)，此時整車除無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)和一鍵式起動按鈕之外的所有電氣部件均不得電。

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

整車進(jìn)入ACC狀態(tài)后，當(dāng)無鑰匙系統(tǒng)再次監(jiān)測到一鍵式起動按鈕被按下時，則通過某特定DAC引腳 “通知”整車控制器的電源管理芯片，控制整車控制器主芯片得電運(yùn)行。整車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、動力電池管理系統(tǒng)、發(fā)動機(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CAN總線向整車控制器反饋上弱電成功信號。經(jīng)整車控制器確認(rèn)完畢后，由其點亮儀表盤相應(yīng)指示燈，并通過語音設(shè)備提醒駕駛員上弱電完畢，至此，整車進(jìn)入ON狀態(tài)。

整車進(jìn)入ON狀態(tài)后，由整車控制器對一鍵式起動按鈕和電子制動踏板［2］進(jìn)行監(jiān)測，一旦監(jiān)測到制動踏板開度超過某設(shè)定值且一鍵式起動按鈕被同時按下，整車控制器則向動力電池管理系統(tǒng)發(fā)送上強(qiáng)電指令。隨即，動力電池管理系統(tǒng)控制強(qiáng)電繼電器吸合，并向整車控制器反饋上強(qiáng)電完成信號。電能通過動力電池直流母線進(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)控制器檢測后將電機(jī)的允許上強(qiáng)電信號反饋給整車控制器。若以上信號均正常，則整車控制器向電機(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控制器返回電機(jī)的上強(qiáng)電狀態(tài)。整車控制器再次確認(rèn)所有高壓用電設(shè)備的上強(qiáng)電狀態(tài)，確認(rèn)無誤后則點亮儀表盤相應(yīng)指示燈，并通過語音設(shè)備提示駕駛員上強(qiáng)電完畢，至此，整車進(jìn)入Ready狀態(tài)。

由于該混合動力轎車采用CAN通信方式進(jìn)行上、下電管理，所以控制方案設(shè)計具有較強(qiáng)的靈活性。比如，當(dāng)整車處于ACC狀態(tài)，可設(shè)定駕駛員踩下制動踏板并同時按下一鍵式起動按鈕后，整車直接從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，并同時要求下電過程中各控制器節(jié)點也必須同樣進(jìn)行 “握手”溝通。當(dāng)車速處于靜止?fàn)顟B(tài)且駕駛員按下一鍵式起動按鈕時，整車控制器即監(jiān)測到駕駛員的下強(qiáng)電意圖。此時，整車控制器通過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，對電機(jī)進(jìn)行下電使能操作，同時向整車控制器反饋允許下強(qiáng)電信號。整車控制器在收到電機(jī)控制器反饋的允許下強(qiáng)電信號后，通過CAN總線向動力電池管理系統(tǒng)發(fā)送電池下強(qiáng)電信號，動力電池管理系統(tǒng)在接收到該指令后，斷開強(qiáng)電繼電器并向整車控制器反饋下強(qiáng)電完成信號。一旦整車控制器接收到動力電池管理系統(tǒng)反饋的下強(qiáng)電完成信號，則執(zhí)行對電機(jī)的自放電操作，將其母線端的殘留電能耗散掉。至此，整車返回到ON狀態(tài)。

整車返回到ON狀態(tài)后，仍然可以通過上述上電流程再次進(jìn)行上強(qiáng)電操作，或者通過再次按下一鍵式起動按鈕進(jìn)行下弱電操作。首先，整車控制器通過IO引腳控制繼電器2斷開，將所有子控制器節(jié)點掉電，同時啟動定時器進(jìn)行計時，當(dāng)達(dá)到指定延時時間后，通過CAN總線向無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)發(fā)出掉電請求。此時，由無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)將整車控制器弱電斷開，至此，整車返回到ACC狀態(tài)。

為避免下電流程過于繁瑣，該混合動力轎車將整車ACC狀態(tài)作為掉電流程的最終狀態(tài)，直至駕駛員離開駕駛艙并執(zhí)行鎖門操作。此時，無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)對所有電器附件進(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并執(zhí)行開門操作。

3 故障診斷及處理

一般情況下，該混合動力轎車執(zhí)行上述上、下電流程。但是，實際過程中往往出現(xiàn)動力電池端電壓過低、前次下電自放電不完全等情況，給整車的上下強(qiáng)電過程帶來安全隱患。為此，在制定整車上下電策略時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，以防止動力電池瞬時電流過大而損壞。當(dāng)整車控制器向動力電池管理系統(tǒng)發(fā)送上強(qiáng)電指令時，動力電池管理系統(tǒng)首先控制繼電器B、C導(dǎo)通，動力電池通過預(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)到動力電池端電壓的設(shè)定比例時，動力電池管理系統(tǒng)閉合主繼電器A并斷開預(yù)充電電路，逆變器端正式接入動力電池端。預(yù)充電原理示意圖如圖3所示。

由上述上強(qiáng)電過程可知，電機(jī)母線電壓作為一個重要參數(shù)，是實現(xiàn)整車上下電故障診斷及處理的關(guān)鍵所在。實際上強(qiáng)電過程中，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)電過程之前應(yīng)首先對電機(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)動力電池閉合強(qiáng)電繼電器返回上強(qiáng)電完成信號后，整車控制器不僅需要監(jiān)測電機(jī)控制器返回的上強(qiáng)電狀態(tài)信號，而且應(yīng)監(jiān)測電機(jī)母線電壓是否超過指定值，若母線電壓不滿足使用要求，則說明上電過程出現(xiàn)故障或動力電池能量不足，整車控制器禁止發(fā)送電機(jī)使能命令并自動轉(zhuǎn)入下電流程中。執(zhí)行下電流程自放電操作時也應(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、下電步驟的成功實施均需要借助CAN通信，所以CAN通信的可靠性對整車能否上、下電成功起著決定性作用。在配備多項高壓器件的混合動力汽車中，常常因為電磁兼容性問題而造成信號的干擾或失真。所以，為避免在整車上、下強(qiáng)電過程中由于CAN通信干擾或其它原因而導(dǎo)致執(zhí)行中斷，要求在每一項上、下強(qiáng)電步驟中進(jìn)行定時計數(shù)，當(dāng)在指定時間內(nèi)未收到可識別的CAN指令時，則自動轉(zhuǎn)入下強(qiáng)電流程，以此保證上、下電過程的安全可靠性。

4 試驗結(jié)果及分析

將上述電源管理策略應(yīng)用于實車中，并通過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)電過程中，整車控制器只有監(jiān)測到電機(jī)母線電壓均滿足上強(qiáng)電要求，且動力電池反饋了上強(qiáng)電完成信號時，才會向電機(jī)控制器發(fā)送電機(jī)使能命令，在接下來的一個時間步長里，電機(jī)控制器才會反饋電機(jī)上強(qiáng)電狀態(tài)信號。同理，下強(qiáng)電過程中，整車控制器先關(guān)閉電機(jī)使能，待動力電池反饋下強(qiáng)電完成信號后重新為電機(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內(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)汽車與混合動力汽車電源管理模式的區(qū)別，從安全性、可靠性角度分析了混合動力汽車各電氣部件的上、下電過程，提出了基于電機(jī)母線電壓及時間定時的故障診斷策略，并結(jié)合無鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)、一鍵式起動按鈕，將該上、下電策略應(yīng)用于某企業(yè)的混合動力轎車中，最后通過試驗數(shù)據(jù)驗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［J］.微型機(jī)與應(yīng)用， 2010， （20）: 103-106.

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

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

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

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