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(1.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,上海 201804; 2.格至控智能動(dòng)力科技(上海)有限公司,上海 201206)

純電動(dòng)汽車作為新能源汽車,唯一的能量來源為蓄電池。純電動(dòng)汽車具有零排放、低噪聲以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),其技術(shù)的發(fā)展對(duì)國(guó)家能源、環(huán)境等領(lǐng)域都具有重大意義[1]。純電動(dòng)汽車以蓄電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和高壓附件(如直流/直流(DC/DC)變換器、空調(diào)壓縮機(jī)等)為動(dòng)力系統(tǒng),工作電流高達(dá)幾百安培,一旦發(fā)生短路或者絕緣故障,將對(duì)人的生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅,因此需對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)施加有效管理。

在純電動(dòng)汽車中,對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的有效管理通過整車控制器(VCU)來實(shí)現(xiàn),動(dòng)力總成電氣架構(gòu)如圖1所示。圖1中,CAN表示控制器局域網(wǎng)絡(luò)。整車控制器負(fù)責(zé)車輛上下電流程控制、驅(qū)動(dòng)決策控制、故障信息診斷處理、能量管理等關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn),對(duì)整車駕駛性能的提高以及能量利用的優(yōu)化有著重要影響[2]。

圖1 純電動(dòng)汽車動(dòng)力總成電氣架構(gòu)Fig.1 Electrical structure of power assembly for pure electric vehicle

作為整車控制器負(fù)責(zé)的功能之一,上下電是保證純電動(dòng)汽車安全啟動(dòng)與停機(jī)的一個(gè)必經(jīng)流程,也是整車控制策略設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[3]。上下電涉及到電機(jī)控制器(MCU)、高壓附件以及鑰匙和踏板等多個(gè)設(shè)備,對(duì)上下電控制策略的制定需充分考慮到這些設(shè)備的工作特性及其相互之間的作用。

目前國(guó)內(nèi)外純電動(dòng)汽車產(chǎn)量有限,對(duì)純電動(dòng)汽車整車控制策略的研究主要集中在電池管理系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)矩分配策略上,針對(duì)純電動(dòng)汽車上下電策略的研究并不多[4]。文獻(xiàn)[3-5]以特定車型為基礎(chǔ),各自實(shí)現(xiàn)整車上下電策略并進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]將上下電策略分為5個(gè)階段,在每個(gè)階段依據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)定義了蓄電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和高壓附件的運(yùn)行模式并將之抽象成狀態(tài)機(jī),然后依據(jù)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)上下電策略。

1 上下電策略

為了降低開發(fā)復(fù)雜度,同時(shí)遵循軟件工程高內(nèi)聚低耦合的原則[7-9],本文將上電策略進(jìn)行模塊化分解,即低壓上電和高壓上電2個(gè)子模塊,并分別予以實(shí)現(xiàn)。

1.1 上電策略

正常車況下,整車進(jìn)入上電流程的主要依據(jù)為鑰匙信號(hào),本文將車輛鑰匙信號(hào)設(shè)置為3擋,分別為Off擋、On擋、Start擋。上電流程主要包括低壓上電以及高壓上電兩部分,其中低壓上電由鑰匙On擋的上升沿信號(hào)觸發(fā),高壓上電由鑰匙Start擋的脈沖信號(hào)觸發(fā)。

1.1.1低壓上電

一輛純電動(dòng)汽車通常包含多個(gè)電子控制單元,如電池管理系統(tǒng)控制器、整車控制器等。低壓上電的目的如下所示:①使能部分低壓附件設(shè)備(如儀表盤);②喚醒電池管理系統(tǒng)并與整車控制器通過CAN總線建立連接;③控制電池管理系統(tǒng)進(jìn)行控制器自檢。如果整車控制器無法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)從CAN總線上收到電池管理系統(tǒng)的通信報(bào)文或者包含錯(cuò)誤信息的報(bào)文,則整車控制器存儲(chǔ)相應(yīng)通信故障碼并進(jìn)入控制器通信故障下電流程;如果電池管理系統(tǒng)與整車控制器自檢發(fā)現(xiàn)故障或者自檢超時(shí),則通過總線發(fā)送相應(yīng)故障碼至整車控制器并進(jìn)入控制器通信故障下電子流程,即報(bào)故障碼并關(guān)閉控制器;如果在低壓上電流程中電池管理系統(tǒng)控制器通過自檢,且無通信故障,則子控制器通過自檢,然后進(jìn)入預(yù)充電子流程。

由于動(dòng)力總成系統(tǒng)中電機(jī)控制器含容性負(fù)載,如果直接導(dǎo)通高壓繼電器,產(chǎn)生的瞬時(shí)過大電流會(huì)直接導(dǎo)致母線繼電器損毀,因此預(yù)充電是高壓上電前必須經(jīng)過的步驟。預(yù)充電原理如圖2所示。

圖2 預(yù)充電原理Fig.2 Precharge principle

預(yù)充電控制分直接控制與間接控制2種方法。直接控制是整車控制器直接控制預(yù)充繼電器閉合進(jìn)行預(yù)充;間接控制是電池管理系統(tǒng)控制預(yù)充繼電器與主繼電器的閉合與斷開,然后整車控制器發(fā)送預(yù)充命令給電池管理系統(tǒng)從而間接地控制預(yù)充電流程。無論哪種方法,只要在規(guī)定的預(yù)充電時(shí)間內(nèi),控制器檢測(cè)到的電池端電壓和容性負(fù)載端電壓的差值小于所設(shè)定的閾值,則預(yù)充電成功。延時(shí)閉合正極主繼電器,然后斷開預(yù)充繼電器,即完成低壓上電流程,隨后進(jìn)入等待狀態(tài),等待高壓上電信號(hào)的到來。如果預(yù)充電失敗,則進(jìn)入預(yù)充電故障下電子流程,即斷開預(yù)充繼電器,整車控制器控制電機(jī)放電,關(guān)閉控制器并關(guān)機(jī)。低壓上電流程如圖3所示。

圖3 低壓上電策略流程Fig.3 Flow chart of low voltage power-up strategy

1.1.2高壓上電

高壓上電信號(hào)(鑰匙Start擋脈沖信號(hào)觸發(fā))到來之后,由于低壓上電流程中預(yù)充電已經(jīng)完成,因此整車控制器首先喚醒電機(jī)控制器與整車控制器以建立CAN總線連接,然后進(jìn)行自檢。如果電機(jī)控制器自檢發(fā)現(xiàn)故障或者通信發(fā)生故障,則通過總線發(fā)送故障信號(hào)至整車控制器并進(jìn)入電機(jī)控制器通信故障下電子流程,即報(bào)故障碼,斷開主繼電器,整車控制器控制電機(jī)放電,然后關(guān)閉控制器進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。如果電機(jī)控制器自檢通過并且通信正常,則整車控制器使能車載高壓附件并檢測(cè)其工作狀態(tài),若檢測(cè)無故障且均處于正常工作狀態(tài),則整車進(jìn)入Ready狀態(tài),整車控制器控制踏板電源開啟,驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常給電,上電流程完成;若檢測(cè)到故障,則進(jìn)入高壓附件故障下電子流程,即報(bào)故障碼,關(guān)閉高壓附件,斷開主繼電器,控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)放電,最后關(guān)閉控制器進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。高壓上電流程如圖4所示。

圖4 高壓上電策略流程Fig.4 Flow chart of high voltage power-up strategy

1.2 下電策略

本文將下電策略分為正常下電策略與緊急下電策略并分別予以實(shí)現(xiàn)。

1.2.1正常下電策略

在不發(fā)生故障的前提下,下電信號(hào)(鑰匙On擋的下降沿信號(hào)觸發(fā))到來,進(jìn)入正常下電流程。為了防止駕駛員誤操作以及考慮到駕駛員與車輛的安全性,此時(shí)整車控制器需監(jiān)測(cè)車速,只有當(dāng)車速處于絕對(duì)低速(如5 km·h-1)的情況時(shí),整車控制器才可以控制驅(qū)動(dòng)電機(jī),使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩清零;控制高壓附件離開工作狀態(tài)并進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),斷開高壓主繼電器,此時(shí)控制器端容性負(fù)載依舊帶高壓電,因此整車控制器需控制電機(jī)控制器主動(dòng)放電,將控制器端電壓降到設(shè)定的安全電壓,則主動(dòng)放電完成;放電完成后各子系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài),經(jīng)過一段延時(shí)整車系統(tǒng)進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)。正常下電流程如圖5所示。

圖5 正常下電策略流程Fig.5 Flow chart of normal power-down

1.2.2緊急下電策略

緊急下電可發(fā)生在任何工況中,如運(yùn)行、啟動(dòng)、停機(jī)等。在實(shí)際工程中,整車故障分類比較復(fù)雜,其中較常見的為按故障嚴(yán)重程度進(jìn)行等級(jí)分類,低等級(jí)故障處理方式為報(bào)警,中等級(jí)故障處理方式為降載跛行,高等級(jí)故障處理方式為停機(jī)[10]。當(dāng)出現(xiàn)低等級(jí)故障或中等級(jí)故障時(shí),整車控制器控制電池管理系統(tǒng)降低充放電功率,但其下電邏輯與正常下電一致;當(dāng)出現(xiàn)高等級(jí)故障時(shí)必須執(zhí)行緊急下電策略,如不采取緊急下電策略或采取策略不當(dāng),則會(huì)損毀動(dòng)力系統(tǒng)甚至威脅駕駛員的生命安全。本文以車輛運(yùn)行狀態(tài)為例,車輛在運(yùn)行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重故障(如電池長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重過溫)后,整車控制器檢測(cè)到該故障,首先儀表報(bào)警提示,然后整車控制器發(fā)送指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩清零并使高壓附件離開工作狀態(tài),待確認(rèn)直流母線電流接近零后,整車控制器切斷高壓主繼電器并請(qǐng)求電機(jī)控制器進(jìn)行緊急放電操作,經(jīng)過延時(shí)后系統(tǒng)進(jìn)入故障關(guān)機(jī)狀態(tài),處于此狀態(tài)時(shí)整車無法再次上電,必須修復(fù)故障并使用專業(yè)診斷工具清除故障信息才能使整車再次上電。緊急下電流程如圖6所示。

2 策略實(shí)現(xiàn)

圖6 緊急下電策略流程Fig.6 Flow chart of urgent power-down

Stateflow軟件是集成于Simulink軟件中的圖形化設(shè)計(jì)與開發(fā)工具,其基礎(chǔ)為有限狀態(tài)機(jī)理論。Stateflow軟件通過對(duì)狀態(tài)圖、流程圖的創(chuàng)建,實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的建模和仿真。Stateflow軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的建模,完成狀態(tài)邏輯的切換以及進(jìn)行復(fù)雜邏輯的可視化開發(fā),在汽車領(lǐng)域與嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[11-12]。

上下電邏輯主要由鑰匙信號(hào)與系統(tǒng)故障信號(hào)驅(qū)動(dòng),可以抽象為事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。鑰匙信號(hào)與系統(tǒng)故障信號(hào)的驅(qū)動(dòng)可以抽象為狀態(tài)轉(zhuǎn)移,這與Simulink/Stateflow軟件的機(jī)理相契合。本文基于Simulink/Stateflow開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)了上述上下電策略。信號(hào)名稱與說明如表1所示。

2.1 低壓上電邏輯實(shí)現(xiàn)

在Stateflow軟件中實(shí)現(xiàn)的低壓上電策略如圖7所示。系統(tǒng)檢測(cè)到鑰匙On擋上升沿信號(hào)(KeyPos==1)時(shí),部分信號(hào)需進(jìn)行初始化(Standby狀態(tài))。依據(jù)低壓上電邏輯(LowPower狀態(tài)),首先整車控制器使能并自檢,隨后喚醒電池管理系統(tǒng)進(jìn)行自檢和通信檢測(cè)。若無故障則進(jìn)入預(yù)充電流程(Wait_PreChrg狀態(tài)),否則上報(bào)故障碼(ECU_Fault狀態(tài))并進(jìn)入下電流程(LowPowerDown狀態(tài));若預(yù)充電無故障則進(jìn)入高壓上電等待狀態(tài)(PreChrg_Success狀態(tài)),否則上報(bào)故障碼(PreChrg_Fail狀態(tài))并進(jìn)入下電流程。

表1 上下電模型信號(hào)說明

圖7 低壓上電策略實(shí)現(xiàn)Fig.7 Realization of low voltage power-up strategy

2.2 高壓上電邏輯實(shí)現(xiàn)

在Stateflow軟件中實(shí)現(xiàn)的高壓上電策略如圖8所示。依據(jù)高壓上電邏輯(HighPower狀態(tài)),系統(tǒng)在高壓上電等待狀態(tài)(PreChrg_Success狀態(tài))檢測(cè)到鑰匙Start擋脈沖信號(hào)(KeyPos==2)后,首先喚醒電機(jī)控制器進(jìn)行自檢和通信檢測(cè)(MCU_Check狀態(tài)),若無故障則繼續(xù)使能高壓附件(HVACC_Check狀態(tài)),否則上報(bào)故障(MCU_Fault狀態(tài))并進(jìn)入下電流程(HighPowerDown狀態(tài))。仿真模型中高壓附件只以DC/DC變換器為例,若高壓附件無故障,則進(jìn)入就緒狀態(tài)(VCU_Run狀態(tài)),否則上報(bào)故障(HVACC_Fault狀態(tài))并進(jìn)入下電流程。

圖8 高壓上電策略實(shí)現(xiàn)Fig.8 Realization of high voltage power-up strategy

2.3 正常下電邏輯實(shí)現(xiàn)

在Stateflow軟件中實(shí)現(xiàn)的正常下電策略如圖9所示。系統(tǒng)在檢測(cè)到On擋下降沿(KeyPos==0)信號(hào)后,首先電機(jī)力矩清零,然后高壓附件(HVACC_Off狀態(tài))關(guān)閉,當(dāng)檢測(cè)到車速小于設(shè)定車速5 km·h-1時(shí),系統(tǒng)控制高壓主繼電器斷開,電機(jī)主動(dòng)放電(PowerDown狀態(tài)),經(jīng)過一段延時(shí)后系統(tǒng)進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)(Sys_Off狀態(tài))。

圖9 正常下電策略實(shí)現(xiàn)Fig.9 Realization of normal power-down strategy

2.4 緊急下電邏輯實(shí)現(xiàn)

在Stateflow軟件中實(shí)現(xiàn)的緊急下電策略如圖10所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到故障信號(hào)(FaultCode～=0)后,儀表通過故障碼類型報(bào)警,首先電機(jī)力矩清零,然后高壓附件(HVACC_Down狀態(tài))關(guān)閉,確認(rèn)母線電流接近零后,系統(tǒng)控制高壓主繼電器斷開,電機(jī)緊急放電(Fault_PowerDown狀態(tài)),經(jīng)過一段延時(shí)后系統(tǒng)進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)(Fault_Off狀態(tài))。此時(shí)考慮到安全性,無論鑰匙進(jìn)行任何動(dòng)作,均不能影響系統(tǒng)緊急下電。

3 結(jié)果分析

在Stateflow軟件中搭建純電動(dòng)汽車仿真模型。設(shè)置預(yù)充電兩端電壓差值為電池端電壓的5%,電池端電壓恒定為100 V,最大預(yù)充電時(shí)間為3 s,限定低速為5 km·h-1,放電電壓閾值為36 V,整車關(guān)機(jī)前的延時(shí)設(shè)定為10 s,上述測(cè)試數(shù)據(jù)在實(shí)際工程中均可根據(jù)實(shí)際工況標(biāo)定或調(diào)整?；谝陨蠈?shí)現(xiàn)邏輯與設(shè)定的測(cè)試數(shù)據(jù),給定典型輸入,仿真驗(yàn)證上下電邏輯的正確性。

圖10 緊急下電策略實(shí)現(xiàn)Fig.10 Realization of urgent power-down strategy

3.1 正常上電

給定輸入信號(hào)時(shí)序如圖11所示。KeyPos表示鑰匙信號(hào),Gear表示擋位信號(hào),BatteryVoltage表示蓄電池端電壓,ControllerVoltage表示控制器端電壓。

圖11 正常上電輸入信號(hào)Fig.11 Normal power-up input signal

輸出結(jié)果如圖12所示。

圖12 正常上電輸出信號(hào)Fig.12 Normal power-up output signal

如圖11和圖12所示,當(dāng)t=2 s時(shí),系統(tǒng)檢測(cè)到鑰匙On擋上升沿信號(hào),此時(shí)開始低壓上電。首先整車控制器開始工作,整車控制器標(biāo)志位VCUFlag置1,然后整車控制器喚醒電池管理系統(tǒng)進(jìn)行自檢和通信檢測(cè),電池管理系統(tǒng)標(biāo)志位BMSEnable置1,檢測(cè)無故障。當(dāng)t=3～5 s時(shí),整車控制器控制預(yù)充繼電器閉合并開始預(yù)充電,PreChargeCommand置1,程序內(nèi)設(shè)置控制器端電壓ControllerVoltage從0到95 V,電池端電壓BatteryVoltage設(shè)置為100 V,符合預(yù)充電完成條件。主繼電器MainRelayCommand在t=5 s時(shí)置1,預(yù)充繼電器PreChargeCommand置0,然后鑰匙Start擋脈沖信號(hào)到來,開始高壓上電。整車控制器喚醒電機(jī)控制器和高壓附件進(jìn)行自檢和通信檢測(cè),電機(jī)控制器和高壓附件標(biāo)志位MCUEnable與DCDCEnable置1,檢測(cè)無故障,上電完成。此時(shí)SysReady標(biāo)志位置1,之后擋位掛在前進(jìn)擋1,車輛進(jìn)入行駛模式。

3.2 正常下電

給定輸入信號(hào)時(shí)序如圖13所示。

圖13 正常下電輸入信號(hào)Fig.13 Normal power-down input signal

輸出結(jié)果如圖14所示。

如圖13和圖14所示,當(dāng)t=158 s時(shí),系統(tǒng)檢測(cè)到鑰匙On擋下降沿信號(hào),此時(shí)車速高于5 km·h-1(見圖15),故無法進(jìn)入正常下電流程;當(dāng)t=168 s時(shí),車速低于5 km·h-1,此時(shí)系統(tǒng)才進(jìn)入正常下電流程,SysReady標(biāo)志位置0。電機(jī)轉(zhuǎn)矩清零,高壓附件標(biāo)志位DCDCEnbale置0,然后斷開高壓主繼電器,高壓主繼電器標(biāo)志位MainRelayCommand置0。整車控制器發(fā)送主動(dòng)放電指令至電機(jī)控制器,使電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)放電操作,即MCUDisCharge標(biāo)志位置1。控制器端電壓ControllerVoltage降到設(shè)定閾值36 V,且經(jīng)過程序設(shè)置的10 s延時(shí),放電完成,MCUDisCharge標(biāo)志位置0。整車控制器、電池管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器依次關(guān)機(jī),SysReady標(biāo)志位置0,整車進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài),最終各個(gè)標(biāo)志位均置0。

圖14 正常下電輸出信號(hào)Fig.14 Normal power-down output signal

圖15 車速信號(hào)Fig.15 Vehicle velocity signal

3.3 緊急下電

圖16 緊急下電輸入信號(hào)Fig.16 Urgent power-up input signal

給定輸入信號(hào)時(shí)序如圖16所示,BatTempState表示蓄電池組長(zhǎng)時(shí)間過溫故障。

輸出結(jié)果如圖17所示。

如圖16和圖17所示,當(dāng)t=70 s時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到電池長(zhǎng)時(shí)間嚴(yán)重過溫故障(BatTempState=4),此時(shí)雖然鑰匙On擋下降沿信號(hào)(t=158 s時(shí)On下降沿到來)沒有到來,但是由于檢測(cè)到嚴(yán)重故障,因此直接進(jìn)入緊急下電流程。首先SysReady置0,高壓附件關(guān)閉即DCDCEnable置0,然后斷開高壓主繼電器,MainRelayCommand置0,接著整車控制器控制電機(jī)緊急放電,MCUDisCharge置1,控制器端電壓ControllerVoltage快速降到閾值36 V,最后經(jīng)過一段延時(shí)后整車進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài),各個(gè)標(biāo)志位均置0。

4 結(jié)語

本文開展了上下電策略研究。將上電策略進(jìn)行模塊化分解,分為低壓上電和高壓上電2個(gè)子模塊,降低了策略實(shí)現(xiàn)的難度;在正常下電策略的研究中,增加了速度反饋,顯著提高了正常下電策略的安全性?；赟imulink/Stateflow開發(fā)環(huán)境對(duì)這些子策略分別予以實(shí)現(xiàn),仿真結(jié)果表明該實(shí)現(xiàn)與期望保持一致?；赟imulink/Stateflow實(shí)現(xiàn)的策略在實(shí)際工程中有很大的應(yīng)用價(jià)值。

圖17 緊急下電輸出信號(hào)Fig.17 Urgent power-up output signal

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