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        軍用混合動(dòng)力汽車高壓管理的預(yù)充控制策略

        2017-06-05 09:35:10黎云兵楊國(guó)超陽(yáng)禩乾
        關(guān)鍵詞:預(yù)充電接觸器壓差

        黎云兵,茍 斌,楊國(guó)超,陽(yáng)禩乾

        (1.駐東風(fēng)汽車公司軍代室,湖北 十堰 442000; 2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心,武漢 430000; 3.東風(fēng)越野車有限公司,湖北 十堰 442000)

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        軍用混合動(dòng)力汽車高壓管理的預(yù)充控制策略

        黎云兵1,茍 斌2,楊國(guó)超2,陽(yáng)禩乾3

        (1.駐東風(fēng)汽車公司軍代室,湖北 十堰 442000; 2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心,武漢 430000; 3.東風(fēng)越野車有限公司,湖北 十堰 442000)

        為降低沖擊電流對(duì)電動(dòng)汽車電器元件的沖擊,分析、對(duì)比電動(dòng)汽車上基于壓差控制和預(yù)充反饋控制的兩種高壓預(yù)充控制策略算法,提出一種混合控制策略。經(jīng)對(duì)某型軍用混合動(dòng)力車高壓管理分析,該混合控制策略使預(yù)充時(shí)間變長(zhǎng),能有效地限制沖擊電流,適合高壓智能管理,有利于提高整車安全性能,且預(yù)充時(shí)間可以通過(guò)預(yù)充電阻的選擇使其滿足預(yù)充要求。

        預(yù)充電;高壓管理;控制策略;混合動(dòng)力車

        插電式混合動(dòng)力汽車、增程式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車等主要由電池供應(yīng)能源,主要驅(qū)動(dòng)裝置均為電機(jī),其附件如空調(diào)、電動(dòng)液壓系統(tǒng)等均采用電池直接驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)汽車的高壓驅(qū)動(dòng)負(fù)載包括容性負(fù)載、感性負(fù)載、阻性負(fù)載。容性負(fù)載回路的電容在直流上電瞬間相當(dāng)于短路,會(huì)帶來(lái)極大的電流沖擊,而這種電流沖擊對(duì)回路中的電池和電器元件都會(huì)造成極大的損壞[1]。為防止容性負(fù)載帶來(lái)的上電電流沖擊,每個(gè)容性負(fù)載回路都必須有預(yù)充電路,使得回路中電容在上電之前具有一定的電壓值,并在高壓管理中開發(fā)相應(yīng)的預(yù)充控制策略。電動(dòng)汽車的高壓驅(qū)動(dòng)為車輛安全帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)和要求,將高壓回路進(jìn)行集成,并對(duì)高壓進(jìn)行管理將成為電動(dòng)汽車高壓安全的發(fā)展方向。

        1 高壓管理

        電動(dòng)汽車的高壓管理是指對(duì)車輛的高壓進(jìn)行集成控制和管理,保證車輛正常行駛;在車輛出現(xiàn)故障時(shí),按照一定控制邏輯管理高壓回路,保證車輛和相關(guān)人員的安全。在高壓管理中,電動(dòng)汽車高壓配電系統(tǒng)屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu),主要為電動(dòng)汽車中所有高壓回路提供高壓電的通斷,實(shí)現(xiàn)低壓控制高壓;同時(shí)保護(hù)每個(gè)高壓回路在出現(xiàn)短路和過(guò)電流狀況時(shí),能夠及時(shí)切斷該回路,以免對(duì)整個(gè)高壓回路中的其他電器元件造成損壞,特別是能對(duì)電池起保護(hù)作用[2]。

        某軍用混合動(dòng)力車型高壓回路主要包括輪轂電機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電動(dòng)液壓系統(tǒng)及DC/DC變換器,另外還配有充電接口。在高壓回路中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路、空調(diào)系統(tǒng)、油泵系統(tǒng)、DC/DC變換器均帶有容性負(fù)載,故需配有預(yù)充電路;直流充電回路也帶有容性負(fù)載,但預(yù)充電路已在充電機(jī)中配備。圖1所示為某軍用混合動(dòng)力車型的高壓配電系統(tǒng)高壓電路簡(jiǎn)圖。

        圖1 高壓配電系統(tǒng)原理

        圖中KM為直流接觸器,R為預(yù)充電阻,F(xiàn)use為電流熔斷器,它們是高壓配電系統(tǒng)中最重要的3類電器元件。

        左前輪轂電機(jī)系統(tǒng)、右前輪轂電機(jī)系統(tǒng)、左后輪轂電機(jī)系統(tǒng)與右后輪轂電機(jī)系統(tǒng)為車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),系統(tǒng)的硬件及上電特性一致,故通過(guò)KM5控制其高壓電的通斷,4個(gè)高壓回路并聯(lián)在一起。在KM5閉合之前,通過(guò)控制KM4經(jīng)預(yù)充電阻R2給輪轂電機(jī)系統(tǒng)的高壓回路進(jìn)行預(yù)充;通過(guò)KM7控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的高壓回路的通斷,在KM7閉合之前,通過(guò)控制KM6經(jīng)預(yù)充電阻R3給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的高壓回路進(jìn)行預(yù)充;附件DC/DC變換器與空調(diào)系統(tǒng)均為容性負(fù)載,通過(guò)KM9控制其高壓回路的通斷,兩個(gè)高壓回路并聯(lián)在一起,在KM9閉合之前,通過(guò)控制KM8經(jīng)預(yù)充電阻R4給DC/DC變換器與空調(diào)系統(tǒng)的高壓回路預(yù)充。電動(dòng)液壓系統(tǒng)為整車的轉(zhuǎn)向及制動(dòng)提供動(dòng)力,直接涉及車輛的安全性,為避免因其他系統(tǒng)故障引起的高壓保護(hù),導(dǎo)致轉(zhuǎn)向及制動(dòng)系統(tǒng)失效,此高壓回路與其他高壓回路并聯(lián)為獨(dú)立的回路。

        2 高壓預(yù)充電阻選型計(jì)算方法

        對(duì)于容性負(fù)載回路,在高壓電上電瞬間,電容相當(dāng)于短路,為防止上電瞬間的大電流沖擊對(duì)回路中的電器元件造成損傷,故需要設(shè)置預(yù)充回路,在上電之前進(jìn)行預(yù)充,使回路中電容充電至一定電壓狀態(tài)才接通主回路。

        電動(dòng)汽車中,驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器所在回路為主要供電回路,回路中所帶電容的電容值最大。將圖1中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器所在回路進(jìn)行簡(jiǎn)化,其物理模型如圖2所示。

        圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路高壓物理簡(jiǎn)化模型

        KM1所在回路為供電主回路,KM2所在回路為預(yù)充回路,KM0所在回路為動(dòng)力電池主回路。圖2的上電順序?yàn)镵M0先閉合,再閉合KM2,開始進(jìn)行預(yù)充,預(yù)充完成后,閉合KM1,之后再斷開KM1。KM0和KM2閉合之后,由于R1遠(yuǎn)大于r1與r2之和,故等效電路中r1和r2的影響可以忽略不計(jì),故預(yù)充回路的等效電路圖如圖3所示。

        圖3 預(yù)充回路等效電路

        圖3中:

        (1)

        式中:E為電池開路電壓,V;Rl為預(yù)充電阻阻值,Ω;C為高壓回路中等效電容,F(xiàn);UC為電容兩端電壓,V;UR為預(yù)充電阻兩端電壓,V;PR為預(yù)充過(guò)程中預(yù)充電阻平均功率,W。

        假設(shè)預(yù)充時(shí)間為t,通過(guò)式(1)得

        Uc=E×(1-e-t/τ)

        (2)

        (3)

        式中τ為時(shí)間常數(shù),τ=R·C。

        在預(yù)充過(guò)程中,預(yù)充電阻的最大瞬態(tài)功率PRm為

        PRm=E2/R1

        (4)

        當(dāng)預(yù)充完成后,KM1閉合,預(yù)充回路將被短接,之后KM2斷開。上電瞬間的等效電路圖如圖4所示。

        圖4 高壓上電瞬間等效電路

        上電瞬間KM1兩端壓差UD和沖擊電流Is為

        UD=E-UC

        (5)

        Is=UD/(r1+r2)

        (6)

        式中:r1為電池內(nèi)阻;r2為高壓回路中等效電阻。

        從前面的分析可以看出來(lái),預(yù)充就是為了減小上電沖擊電流Is,用以保護(hù)高壓回路電氣設(shè)備。將式(2)(5)(6)合并可得

        (7)

        式中預(yù)充時(shí)間t、預(yù)充電阻R1、沖擊電流Is均為未知數(shù)。

        預(yù)充時(shí)間越短,車輛啟動(dòng)越快,故要求預(yù)充時(shí)間越短越好。沖擊電流主要受主接觸器的瞬時(shí)最大抗沖擊電流限制,對(duì)于直流接觸器,沖擊電流越大,對(duì)其壽命影響越大。預(yù)充電阻越小,預(yù)充時(shí)間會(huì)越短,其額定功率會(huì)越大,從而加大了預(yù)充電阻的選擇難度[3]。因此,應(yīng)當(dāng)綜合考慮以上3個(gè)參數(shù),取適當(dāng)?shù)闹凳蛊渚軡M足要求,一般要求預(yù)充時(shí)間小于1 s。以某型軍用混合動(dòng)力車的輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路為實(shí)例計(jì)算,其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 某軍用混合動(dòng)力車型輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路主要參數(shù)

        所選主接觸器KM1額定電流為300 A,10 s內(nèi)可抗沖擊電流為900 A。將沖擊電流Is分別定為300 A、600 A、900 A,預(yù)充電阻各參數(shù)隨預(yù)充時(shí)間t的變化曲線如圖5所示。

        (a)預(yù)充電阻與預(yù)充時(shí)間的變化曲線

        (b)預(yù)充電阻平均功率與預(yù)充時(shí)間的變化曲線

        (c)預(yù)充電阻最大功率與預(yù)充時(shí)間的變化曲線圖5 預(yù)充電阻不同參數(shù)與預(yù)充時(shí)間之間的變化關(guān)系曲線

        從圖5(a)中可得,當(dāng)Is一定時(shí),t和R1之間呈線性關(guān)系:當(dāng)t一定時(shí),R1隨著Is的增大而增大;當(dāng)R1一定時(shí),t隨著Is的增大而增大。從圖5(b)和(c)中可以得,在t相同時(shí),改變Is,PR和PRm均變化很小,基本可以忽略不計(jì),即Is對(duì)預(yù)充電阻的標(biāo)稱功率選擇無(wú)影響。PR和PRm隨著t的增大而減小,即t對(duì)預(yù)充電阻的標(biāo)稱功率選擇影響較大。

        一般線繞電阻在脈沖持續(xù)時(shí)間為5 s以內(nèi)時(shí),可以承受標(biāo)稱功率5~10倍的瞬時(shí)功率,1 s以下的脈沖瞬時(shí)功率承受能力可以達(dá)到標(biāo)稱功率的20倍甚至更多。根據(jù)圖5的計(jì)算結(jié)果,綜合考慮選擇預(yù)充電阻的阻值和標(biāo)稱功率為75 Ω/200 W。

        將所選擇的預(yù)充電阻代入計(jì)算,得到預(yù)充時(shí)間與電容兩端電壓UC、主接觸器兩端壓差UD、沖擊電流Is之間關(guān)系如圖6所示。從圖6(a)和(b)中可以看出,預(yù)充時(shí)間t大于1 s后UC、UD和Is均變化較小。

        (a)電壓和預(yù)充時(shí)間之間的關(guān)系曲線

        (b)沖擊電流和預(yù)充時(shí)間之間的關(guān)系曲線圖6 選定預(yù)充電阻下各參數(shù)與預(yù)充時(shí)間之間的關(guān)系曲線

        3 預(yù)充控制策略分析

        3.1 基于壓差控制策略分析

        壓差控制是指控制主接觸器兩端閉合瞬間的電壓值,使其在一定范圍內(nèi),保證主接觸器閉合瞬間的通過(guò)電流在承受的范圍值內(nèi)。在高壓回路中,r1和r2不變,只需控制主接觸器閉合瞬間兩端壓差就可以控制沖擊電流。采用該控制策略的整車上電邏輯如圖7所示。根據(jù)所選的KM1的型號(hào)和表1中所給的參數(shù),確定最大壓差Uset=30 V,則Uset=UD=30 V。

        基于壓差控制策略所計(jì)算的各個(gè)參數(shù)見(jiàn)表2,從表2可知得,所選的預(yù)充電阻能夠滿足要求。

        表2 基于壓差控制策略所計(jì)算的各個(gè)參數(shù)

        圖7 基于壓差控制策略下的高壓上電邏輯

        3.2 基于預(yù)充反饋信號(hào)控制策略分析

        預(yù)充反饋信號(hào)控制是指采用電容端反饋的預(yù)充信號(hào)表示預(yù)充完成,當(dāng)接受該預(yù)充反饋信號(hào)時(shí),閉合主接觸器。采用該控制策略的整車上電邏輯如圖8所示。根據(jù)表1所給數(shù)據(jù),確定預(yù)充反饋信號(hào)時(shí),電容充電量為95%,則UD= (1-95%)×E=30 V。該控制策略所計(jì)算的各個(gè)參數(shù)見(jiàn)表3。從表3中可知,所選的預(yù)充電阻能夠滿足要求。

        參數(shù)UD/VIs/At/sPR/WPRm/W數(shù)值305990.8210224770

        3.3 混合控制策略分析

        為了避免電壓的變化導(dǎo)致沖擊電流過(guò)大而損壞主接觸器,同時(shí)為了保證負(fù)載部件中的電容達(dá)到預(yù)充反饋值而不損壞其他電氣元件,設(shè)計(jì)一種混合控制策略。采用該控制策略的整車上電邏輯如圖9所示。由表1所給參數(shù)以及所選預(yù)充電阻,壓差控制和預(yù)充反饋控制兩種在預(yù)充過(guò)程中電流變化曲線與高壓回路上下電邏輯圖如圖10、圖11所示。由圖10可知,預(yù)充反饋控制策略下的沖擊電流大于壓差控制,但預(yù)充時(shí)間小于壓差控制,在該狀態(tài)下的混合控制策略的電流變化與壓差控制相同。由圖11可知,在電動(dòng)汽車高壓上電邏輯中,上電時(shí)先閉合負(fù)控主接觸器KM0,再閉合預(yù)充接觸器KM2,預(yù)充完成閉合KM1,斷開KM2;下電時(shí)KM0和KM1可以同時(shí)下電;在整個(gè)過(guò)程中,沖擊電流為KM0通過(guò)最大電流。

        圖9 混合控制策略下的高壓上電邏輯

        圖10 兩種控制策略下高壓回路電流變化曲線

        圖11 高壓回路上下電邏輯

        (a)沖擊電流隨動(dòng)力電池電壓變化曲線

        (b)預(yù)充時(shí)間隨動(dòng)力電池電壓變化曲線圖12 3種控制策略下動(dòng)力電池變化對(duì)沖擊電流和預(yù)充時(shí)間的影響曲線

        所討論的3種控制,動(dòng)力電池電壓的變化對(duì)沖擊電流和預(yù)充時(shí)間均有較大的影響,根據(jù)以上的計(jì)算所得的預(yù)充電阻,分析改變不同的動(dòng)力電池電壓對(duì)沖擊電流和預(yù)充時(shí)間的影響(如圖12所示)。從圖12中可以看出,在不同的動(dòng)力電池電壓下,基于壓差控制的控制策略能夠保證沖擊電流恒定不變,但預(yù)充時(shí)間會(huì)隨著動(dòng)力電池電壓的增大而增大;基于預(yù)充反饋的控制策略能夠保證預(yù)充時(shí)間恒定不變,但沖擊電流隨著動(dòng)力電池電壓的增大而增大,這樣就有可能由于電容預(yù)充容量設(shè)置的不合理導(dǎo)致沖擊電流過(guò)大而損壞主接觸器;混合控制策略能夠保證沖擊電流屬于兩種控制策略的最小值,但預(yù)充時(shí)間屬于兩者中的最大值,沖擊電流和預(yù)充時(shí)間與動(dòng)力電池電壓無(wú)嚴(yán)格的線性增長(zhǎng)關(guān)系[4]。分析表明,混合控制策略能夠很好地保護(hù)主接觸器和負(fù)載端電氣設(shè)備,提高電動(dòng)汽車的整車安全性能,而預(yù)充時(shí)間可以通過(guò)合理選擇預(yù)充電阻使其能夠滿足實(shí)際需求。

        根據(jù)以上分析,該型混合動(dòng)力軍車的高壓回路預(yù)充電阻選型見(jiàn)表4,高壓回路上電順序見(jiàn)表5。該軍用混合動(dòng)力車型的上電總時(shí)間約為2.1 s,滿足整車的設(shè)計(jì)要求(≤3 s)。

        表4 高壓回路預(yù)充電阻選型

        表5 高壓回路上電次序

        4 結(jié) 語(yǔ)

        從汽車安全角度考慮,提出了高壓智能管理,基于高壓原理圖分析了預(yù)充的意義,簡(jiǎn)化相應(yīng)的物理模型,給出了預(yù)充電阻選型的計(jì)算方法。通過(guò)分析和對(duì)比兩種電動(dòng)汽車常用的預(yù)充控制策略的算法本質(zhì),提出一種混合控制策略,混合控制策略能更好地限制沖擊電流和保護(hù)電器元件,使得主接觸器和負(fù)載元件得到良好的保護(hù),提高了整車的安全性。

        [1] 曹立波,童俊,鄧群,等.混合動(dòng)力客車高壓電安全性能研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2008,35(4):42-46.

        [2] 朱建新,鄭榮良,卓斌,等.電動(dòng)汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究[J].汽車工程,2007,29(4):308-312.

        [3] 傅榮杰.純電動(dòng)汽車高壓電氣安全管理與時(shí)間延時(shí)研究[J].變頻器世界,2012,26(2):111.

        [4] WANG J P,CAO B G, CHEN Q S, et al. Combined state of charge estimator for electric vehicle battery pack[J]. Control Engineering Practice, 2007(12):1569-1576.

        (編輯:張峰)

        Precharge Control Strategy of High-pressure Management for Military Hybrid Vehicle

        LI Yunbing1, GOU Bin2, YANG Guochao2, YANG Yiqian3

        (1.Military Representative Office in Dongfeng Motor Corporation, Shiyan 442000, China; 2.Technology Center of Dongfeng Motor Corporation,Wuhan 430000, China; 3.Dongfeng Off-road Vehicles Co. Ltd., Shiyan 442000, China)

        To reduce the impact of surge current on electric elements for electrical vehicle, the paper analyzes and compares two high-pressure precharge control strategy algorithms based on pressure difference control and precharge feedback control, and proposes a hybrid control strategy. The analysis on high-pressure management for a military hybrid vehicle shows that lengthening precharge time with this hybrid control strategy can restrict surge current effectively, which is fit for high-pressure management and in favour of improving vehicle safety performance, and it can meet the requirement of precharge time by selecting precharge resistance.

        precharge; high-pressure management; control strategy; hybrid vehicle

        2016-10-26;

        2016-11-28.

        黎云兵(1991—),男,碩士,助理工程師.

        10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.05.009

        U463.67

        A

        1674-2192(2017)05- 0036- 06

        ● 車輛工程 Vehicle Engineering

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