薛念文，馬先萌，盤(pán)朝奉

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

能源危機(jī)和環(huán)境污染程度的日益加劇使得傳統(tǒng)車(chē)輛面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，發(fā)展新能源電動(dòng)汽車(chē)是汽車(chē)行業(yè)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)［1］。純電動(dòng)汽車(chē)(EV)以動(dòng)力蓄電池組作為唯一動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)作為唯一動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，工作電壓高達(dá)幾百伏，當(dāng)發(fā)生高壓電路絕緣失效或短路等故障時(shí)，會(huì)直接影響到駕乘人員的生命財(cái)產(chǎn)以及車(chē)載用電器的安全。因此，在設(shè)計(jì)和規(guī)劃高壓動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮整車(chē)和人員的電氣安全性，確保車(chē)輛運(yùn)行安全、駕駛?cè)藛T安全和車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境安全［2］。

整車(chē)控制器(VMS)是純電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行的核心單元，擔(dān)負(fù)著整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制、能量管理、整車(chē)安全、故障診斷和信息處理等功能，是實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)汽車(chē)安全高效運(yùn)行的必要保障［3］。純電動(dòng)汽車(chē)上下電控制策略開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的目的在于:在已有整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，通過(guò)采集鑰匙及踏板等駕駛員動(dòng)作信號(hào)，并通過(guò)CAN總線，BMS(電池管理系統(tǒng))及MC(電機(jī)控制器)等子系統(tǒng)進(jìn)行通訊，來(lái)控制整車(chē)安全高壓上電、下電，同時(shí)在上、下電過(guò)程中，力求準(zhǔn)確診斷出整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的高壓故障并迅速做出相應(yīng)處理。

1 EV動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者所討論的EV動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)包括一套高壓蓄電池組，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和DC-DC變換器。由于采用交流異步電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括DC/AC逆變器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電機(jī)控制器MC，它的主要功能是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，并通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將能量傳遞到車(chē)輪來(lái)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛行駛，如圖1。

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

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

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

EV是個(gè)高度集成的電氣系統(tǒng)，各個(gè)部件之間具有很強(qiáng)的耦合性，為了能準(zhǔn)確響應(yīng)并判別駕駛員意圖，同時(shí)確保整車(chē)安全，需要建立一個(gè)中央控制單元進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，從而達(dá)到更好的經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性。VMS作為最上層控制單元負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)部件的運(yùn)行，采集駕駛員控制輸入信號(hào)，向各個(gè)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(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)信息［5］。VMS信號(hào)圖如圖2，信號(hào)主要包括CAN總線信號(hào)和硬線信號(hào)，其中硬線信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩類(lèi)。

圖2 EV整車(chē)控制器信號(hào)Fig.2 EV vehicle controller signal diagram

2 MotoTron快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)

開(kāi)發(fā)工程師要面對(duì)的是如何將開(kāi)發(fā)策略與底層軟件、硬件及硬件驅(qū)動(dòng)、通訊協(xié)議等對(duì)接實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的整個(gè)過(guò)程［6］。電控單元ECU的開(kāi)發(fā)是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。它包括功能概念定義、算法開(kāi)發(fā)、軟件編程、底層操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、硬件在環(huán)仿真測(cè)試、匹配標(biāo)定及驗(yàn)證、ECU軟件灌裝等多個(gè)步驟和任務(wù)。MotoHawk集成了GreenHill編譯器，當(dāng)系統(tǒng)模型建立完畢后，編譯器會(huì)將C代碼自動(dòng)生成可供刷寫(xiě)的SRZ文件，同時(shí)生成L文件以備調(diào)用［6-7］。

MotoHawk是基于MotoTron的ControlCore產(chǎn)品級(jí)軟件架構(gòu)和產(chǎn)品級(jí)ECU硬件下的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，使得開(kāi)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(gè)開(kāi)發(fā)、車(chē)輛標(biāo)定及測(cè)試階段［8］。開(kāi)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(kāi)發(fā)、標(biāo)定及測(cè)試的各個(gè)階段。使用Simulink/Stateflow圖形化編程工具進(jìn)行EV控制策略開(kāi)發(fā)，通過(guò)MotoHawk在Simulink/Stateflow中與硬件ECU對(duì)接起來(lái)，從而大大縮短了從開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)的周期。圖3為系統(tǒng)的底層設(shè)置，通過(guò)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(lái)。極大的簡(jiǎn)化策略開(kāi)發(fā)人員的工作量，提高開(kāi)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(jì)

3.1 整體思想

EV上電過(guò)程控制策略的總體思想是:在保證動(dòng)力系統(tǒng)高壓上電過(guò)程順利實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，與整車(chē)故障診斷控制策略相結(jié)合，確保高壓上電過(guò)程的安全，在上電過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)能順利切換到相應(yīng)的故障處理流程，緊急狀況下斷開(kāi)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(qiáng)電流和高電壓對(duì)動(dòng)力電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)一個(gè)預(yù)充電電路，通過(guò)VMS在上電過(guò)程中控制相應(yīng)高壓接觸器通斷時(shí)序，和設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)直流高壓接觸器。Vb為高壓蓄電池組端電壓，Vh為電機(jī)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(dòng)汽車(chē)高壓接觸器閉合之前，先要完成對(duì)高壓電系統(tǒng)電路預(yù)充電，具體執(zhí)行過(guò)程為:ECU接受到高壓上電信號(hào)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(shí)間t(t=8 s)內(nèi)，ECU檢測(cè)電壓Vh，如若Vh達(dá)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(jī)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(kāi)關(guān)

EV鑰匙開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)車(chē)鑰匙開(kāi)關(guān)外形一樣，但功能設(shè)定不同，如圖6。電動(dòng)車(chē)無(wú)需發(fā)動(dòng)引擎，所以在啟動(dòng)擋，整車(chē)管理系統(tǒng)發(fā)送閉合高壓接觸器指令。鑰匙順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一擋至附件擋，燈光、喇叭及收音機(jī)電源接通。此時(shí)車(chē)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(diǎn)火擋，VMS通過(guò)CAN總線、BMS(電池管理系統(tǒng))與MC(電機(jī)控制器)等動(dòng)力系統(tǒng)子模塊恢復(fù)通訊，采集高壓電池組、電機(jī)及其控制器等模塊的狀態(tài)信息，判斷是否正常，車(chē)載顯示系統(tǒng)上電，顯示整車(chē)低壓設(shè)備狀態(tài)信息，同時(shí)等待鑰匙信號(hào)。鑰匙旋轉(zhuǎn)至啟動(dòng)擋時(shí)，VMS發(fā)出控制指令，順序依次閉合3個(gè)高壓接觸器。動(dòng)力系統(tǒng)上電過(guò)程中，VMS檢測(cè)到二級(jí)或者一級(jí)故障，系統(tǒng)緊急斷開(kāi)高壓接觸器，并上報(bào)故障碼、發(fā)出語(yǔ)音提示。

圖6 EV鑰匙開(kāi)關(guān)Fig.6 EV key switch

鑰匙信號(hào)作為高壓上電、正常下電過(guò)程的重要判斷依據(jù)，因此對(duì)鑰匙信號(hào)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(diǎn)火擋、啟動(dòng)擋的是否有效判斷，邏輯判斷就是3個(gè)擋位信號(hào)的時(shí)序有效判斷，比如在鑰匙啟動(dòng)檔有效時(shí)，如果附件擋、點(diǎn)火擋有一擋或兩擋無(wú)效，則說(shuō)明信號(hào)邏輯出錯(cuò)。利用Simulink設(shè)計(jì)的鑰匙信號(hào)診斷策略，在上電過(guò)程中對(duì)鑰匙信號(hào)進(jìn)行診斷處理，包括信號(hào)濾波和有效位判斷，如圖7。

圖7 EV鑰匙信號(hào)診斷Fig.7 EV key diagnostic signals

3.4 上電過(guò)程控制

對(duì)于EV高壓系統(tǒng)的整個(gè)動(dòng)力電路，存在著大量的容性負(fù)載。如果在高壓電路接通過(guò)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(fù)載的存在，將會(huì)對(duì)整個(gè)高壓系統(tǒng)電路造成上電沖擊［9］。為此，在上電過(guò)程中需要對(duì)高壓電路進(jìn)行防電流瞬態(tài)沖擊預(yù)充電。

EV在接到有效啟動(dòng)的命令組合信號(hào)之后，整車(chē)管理系統(tǒng)(VMS)低壓上電，對(duì)高壓電路系統(tǒng)進(jìn)行高壓上電前預(yù)診斷，如果SOC達(dá)到一定值，電壓正常，并且電路無(wú)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(jìn)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(shí)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(jì)

下電過(guò)程是指EV動(dòng)力系統(tǒng)高壓下電過(guò)程，在車(chē)輛遇到緊急情況時(shí)應(yīng)切斷高壓電源與動(dòng)力系統(tǒng)的連接，在設(shè)定高壓下電控制策略的時(shí)候要盡可能把所有的可能情況考慮在內(nèi)，并保證乘車(chē)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(chē)斷電和緊急故障斷電。

正常停車(chē)斷電時(shí)，VMS接受到關(guān)機(jī)斷電信號(hào)后EV進(jìn)入自動(dòng)斷電程序，按照時(shí)序完成動(dòng)力系統(tǒng)的高壓下電過(guò)程，并對(duì)下電過(guò)程進(jìn)行診斷和檢測(cè)。下電時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器Time，表明下電時(shí)的持續(xù)時(shí)間。具體下電時(shí)序?yàn)?①VMS發(fā)送電機(jī)停止工作的指令，當(dāng)電機(jī)反饋已經(jīng)停止工作，或電機(jī)通訊故障，或定時(shí)器time超過(guò)等待電機(jī)停止工作時(shí)間時(shí)，VMS控制DC/DC模塊停止工作，并控制真空泵高壓下電;②延時(shí)等待繼電器關(guān)閉時(shí)間T后，VMS控制蓄電池接觸器斷開(kāi);③蓄電池主接觸器處于斷開(kāi)狀態(tài)的條件下，在該步驟不進(jìn)行緊急故障條件的檢測(cè)。如果此時(shí)鑰匙轉(zhuǎn)動(dòng)到ON位，或者計(jì)時(shí)器time超過(guò)延時(shí)等待繼電器關(guān)閉時(shí)間，下電模式將切換到上電模式。

在正式斷開(kāi)高壓接觸器之前需對(duì)電池組箱溫度進(jìn)行檢測(cè)，在溫度許可范圍之內(nèi)自動(dòng)執(zhí)行斷電程序并進(jìn)行一定時(shí)間延時(shí)，以保證VMS本身電源供電。檢測(cè)溫度超出范圍許可，則控制風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)電池組進(jìn)行降溫，直到溫度許可時(shí)進(jìn)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(chē)輛啟動(dòng)、運(yùn)行、下電不同狀態(tài)時(shí)，檢測(cè)到緊急故障，如整車(chē)絕緣紙過(guò)低、線路燒結(jié)等，則自動(dòng)切斷高壓接觸器，進(jìn)行高壓下電。如果高壓下電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則強(qiáng)行切換到低壓上電模式。當(dāng)檢測(cè)到緊急故障，且電機(jī)沒(méi)有放電時(shí)，由下電模式進(jìn)入緊急故障模式。在高壓下電過(guò)程中利用自保信號(hào)保證低壓有電。詳見(jiàn)圖10。

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

5 結(jié)語(yǔ)

純電動(dòng)汽車(chē)上、下電控制的核心就是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)高壓電路通斷的控制，如何在此過(guò)程中能準(zhǔn)確高效的進(jìn)行控制，達(dá)到既能快速響應(yīng)駕駛員動(dòng)作，又可以保證整車(chē)在上電、下電過(guò)程中的安全性是個(gè)難點(diǎn)。

對(duì)于上電、下電控制策略初步實(shí)現(xiàn)了以整車(chē)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(dòng)力瞬時(shí)優(yōu)化能量管理策略研究［J］.汽車(chē)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(guó)偉，劉奮，程浩，等.純電動(dòng)轎車(chē)整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制策略開(kāi)發(fā)實(shí)踐［J］.上海汽車(chē)，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(chē)用燃料電池/蓄電池混合動(dòng)力的能量管理策略仿真［J］.汽車(chē)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(guó)偉，梁偉銘，等.插電式燃料電池轎車(chē)整車(chē)控制策略研究［J］.上海汽車(chē)，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(tái)的發(fā)動(dòng)機(jī)ECU快速原型開(kāi)發(fā)［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2008.

［9］宋炳雨.純電動(dòng)汽車(chē)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.