呂建龍 張興起 程濟(jì)秋 范佃英

（1.青島澳柯瑪專用車有限公司；2.山東雙全電機(jī)有限公司）

新能源物流車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的汽車。新能源物流車具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是世界各國為應(yīng)對能源環(huán)境問題而推行的新一代交通運(yùn)輸工具[1]。我國新能源物流車主要以混合動力、純電動和燃料電池作為三大主流發(fā)展方向。文章對整車控制器（VCU）組成部件的控制進(jìn)行論述，重點(diǎn)對整車上下電流程、充放電、電機(jī)控制器（MCU）控制、電池管理系統(tǒng)（BMS）控制、整車其他零部件控制、故障處理、設(shè)變修改等策略進(jìn)行分析。

1 整車CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

新能源物流車使用了基于CAN 總線的控制網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)目前有7 個節(jié)點(diǎn)分別連接到2 條不同的CAN 總線[2]，如圖1所示。表1示出新能源物流車CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)描述。

圖1 新能源物流車CAN 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

表1 新能源物流車CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)描述

2 整車控制器功能

整車控制器（VCU）通過CAN 總線網(wǎng)絡(luò)對新能源物流車動力鏈的各個環(huán)節(jié)進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和監(jiān)控，以提高整車能量利用效率，確保車輛的安全性和可靠性。具體功能包括：汽車驅(qū)動控制、制動能量回饋控制、整車能量優(yōu)化管理、故障診斷及保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)管理、車輛狀態(tài)監(jiān)視。

3 整車控制策略

3.1 整車上下電流程

3.1.1 上電流程

點(diǎn)火開關(guān)置于KEY_START：

1）VCU 上電后，判斷系統(tǒng)自檢是否正常，若不正常則上報“整車故障”，不執(zhí)行任何指令；若正常則判斷是否收到BMS 故障，若“是”則上報“電池故障”，不執(zhí)行任何指令；若無故障則閉合預(yù)充繼電器，進(jìn)入預(yù)充電階段。

2）預(yù)充繼電器閉合后8 s 內(nèi)，判斷電機(jī)報文“直流側(cè)電壓”與電池電壓壓差是否小于25 V，若“是”則VCU 判斷預(yù)充電完成，閉合主接觸器，然后斷開預(yù)充繼電器；否則，VCU 上報“預(yù)充超時故障（VCU 內(nèi)部上報）”和“整車故障”，斷開預(yù)充繼電器，不允許閉合主接觸器。

3）主接觸器閉合后，若有鑰匙START 信號，則向儀表發(fā)送“運(yùn)行準(zhǔn)備就緒”（READY），否則不發(fā)送任何指令。

4）如果 MCU、BMS 均正常且“運(yùn)行準(zhǔn)備就緒”（READY）之后，VCU 控制車輛進(jìn)入待命狀態(tài)。首先檢測擋位，在N 擋且加速踏板開度為0 的條件下，VCU檢測制動開關(guān)信號、擋位信號及加速踏板信號。

5）VCU 必須在上高壓完成后，可使能DC-DC、空調(diào)、電暖風(fēng)；在電量（SOC）＜10%時，停止空調(diào)、電暖風(fēng)等高壓電器的工作，同時保持DC-DC 的正常工作狀態(tài)。若DC-DC 上報故障，則VCU 根據(jù)DC-DC 故障措施進(jìn)行處理，并不進(jìn)入“限功率”。

3.1.2 下電流程

下電流程步驟為：

1）當(dāng) KEY_ON 下電后，VCU 下發(fā) MCU 的輸出扭矩歸零，停止驅(qū)動電機(jī)的一切指令，然后下發(fā)BMS 斷開主負(fù)接觸器指令，待主負(fù)接觸器狀態(tài)為“0”后，斷開高壓配電盒主接觸器；

2）使所有控制繼電器下電，使相應(yīng)的高低壓電器停止工作。

3.2 整車充電流程

當(dāng)VCU 檢測到充電信號后，進(jìn)入充電控制程序，不響應(yīng)踏板信號，車輛處于不可行駛狀態(tài)，VCU 進(jìn)入充電模式并點(diǎn)亮充電指示燈，策略如下：

1）充電時：當(dāng)SOC＜90%時，以4 s 周期閃爍點(diǎn)亮儀表充電指示燈；當(dāng)90%≤SOC＜100%且充電電流大于1 A 時，以2 s 周期閃爍點(diǎn)亮儀表充電指示燈；當(dāng)95%≤SOC＜100%且充電電流小于1 A 時，熄滅儀表充電指示燈。

2）放電時：當(dāng)SOC＜20%時，以7 s 周期閃爍點(diǎn)亮儀表充電指示燈；當(dāng)SOC＜10%時，以6 s 周期閃爍點(diǎn)亮儀表充電指示燈。

3.3 整車驅(qū)動控制策略

圖2示出新能源物流車整車驅(qū)動控制策略圖，其由駕駛員駕駛意圖解析、車輛模式管理及能量管理算法三部分組成[3]。在駕駛員駕駛意圖解析模塊中，整車控制策略通過鑰匙信號、擋位狀態(tài)模式、加速踏板位置傳感器和制動踏板位置傳感器捕獲駕駛員的操作過程，從而得到駕駛員的駕駛意圖。當(dāng)車輛進(jìn)入正常運(yùn)行后，在能量管理算法中，控制策略根據(jù)加速踏板位置傳感器、制動踏板位置傳感器的信號以及不同的運(yùn)行模式，能夠分配車輛的驅(qū)動力矩或制動力矩。

圖2 新能源物流車整車控制策略框圖

3.3.1 電機(jī)控制策略

1）VCU 接收到KEY_START 指令后，根據(jù)駕駛員需求給MCU 發(fā)送電機(jī)啟動指令；當(dāng)電機(jī)狀態(tài)為運(yùn)行后，VCU 會根據(jù)踏板開度給MCU 發(fā)送扭矩指令驅(qū)動汽車行駛。

2）KEY_ON 下電后，VCU 向 MCU 發(fā)送電機(jī)停止指令，然后切斷MCU 電源輸入。

3.3.2 制動能量回饋

電動汽車的制動回饋策略為：當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時，VCU 根據(jù)制動踏板位置與電機(jī)允許的最大制動扭矩計算出駕駛員所需求的制動扭矩，同時根據(jù)電池的SOC、電壓、電流、最大充電電流和電壓、BMS 故障等計算出電池最大允許的充電功率，以保證整車的功率不超出電池的最大允許充電功率，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速得出整車所允許的最大制動扭矩，取兩者最小值，最終得到電機(jī)制動回饋扭矩。

3.4 電機(jī)控制器（MCU）控制策略

MCU 在整車中的主要職能為接收并及時響應(yīng)VCU 的控制命令信號，將控制命令轉(zhuǎn)換到主回路控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3示出新能源物流車電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 新能源物流車電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.4.1 驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)接口及原理

圖4示出新能源物流車電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖4 新能源物流車電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)控制系統(tǒng)包括MCU 和驅(qū)動電機(jī)，MCU 內(nèi)部主要是電源變換器和MCU 主控板，具體如圖4所示。MCU 的主要工作是接收整車CAN 網(wǎng)絡(luò)中的控制信號（來自VCU），并轉(zhuǎn)換為控制驅(qū)動信號，驅(qū)動DC/AC 模塊，將電池包的直流電逆變?yōu)榻涣麟姾鬄殡姍C(jī)供電。

3.4.2 MCU 上電邏輯

本車型的MCU 為動力電池供電，不含12 V 供電。預(yù)充電回路放置在高壓配電盒（PDU）內(nèi)部，由VCU 控制。預(yù)充電過程結(jié)構(gòu)示意，如圖5所示。

圖5 新能源物流車預(yù)充電過程結(jié)構(gòu)示意圖

預(yù)充電時整車完成上高壓過程，車輛還沒有進(jìn)入行駛模式，只有當(dāng)VCU 接收到鑰匙START 信號時，車輛才能夠進(jìn)入行駛準(zhǔn)備就緒狀態(tài)（READY），駕駛員才可以操作車輛行駛。

3.4.3 MCU 下電邏輯

礦山工業(yè)廠房的設(shè)計，不僅要考慮建筑的使用功能滿足生產(chǎn)實際需要，建筑設(shè)計符合設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)外，礦山的廠區(qū)布局、建筑體型、建筑結(jié)構(gòu)體系、建筑立面外觀和節(jié)能環(huán)保都需順應(yīng)時代潮流，確保礦山建筑跟上時代的發(fā)展。讓礦山工業(yè)建筑更能體現(xiàn)人性化關(guān)懷，給工作人員提供更好的工作環(huán)境，減輕工作疲勞。響應(yīng)“既要金山銀山，更要綠水青山”的可持續(xù)發(fā)展號召，把每一座礦山建設(shè)成優(yōu)美的地質(zhì)公園是未來礦山發(fā)展的趨勢，所以礦山工業(yè)廠房的設(shè)計勢必突破傳統(tǒng)設(shè)計理念，拓寬建筑設(shè)計思路。

當(dāng)KEY_ON 下電后，VCU 切斷主回路電源，MCU向驅(qū)動電機(jī)輸出為零并進(jìn)入主板放電過程，正常下電。

3.5 電池管理系統(tǒng)（BMS）控制策略

電池包及BMS 是純電動汽車的能源供給中心，為整車提供所有的動力。BMS 的主要工作是管理串、并聯(lián)在一起的電池安全可靠地工作。新能源物流車電池包及BMS 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示。

圖6 新能源物流車電池包及電池管理系統(tǒng)示意圖

BMS 采集電池包的總電壓、總電流以及電池單體的電壓和電池包各個位置的溫度，監(jiān)控電池包及單體的安全充放電，與整車進(jìn)行CAN 通信[4]。

1）BMS 上電邏輯。當(dāng)鑰匙開關(guān)置于KEY_ON 時，BMS 開始上電，首先進(jìn)行自檢，自檢完成并無故障時，待接收到VCU 發(fā)送的允許閉合指令后，閉合電池包內(nèi)的放電總負(fù)繼電器，上電完成。

2）BMS 下電邏輯。當(dāng) KEY_ON 下電后，BMS 斷開電池包主回路，完成下電。

3.6 整車其他零部件控制策略

DC-DC 設(shè)備的功能是將整車的高壓直流電轉(zhuǎn)換成整車12 V 低壓電，為整車提供持續(xù)的低壓電源。圖7示出新能源物流車DC-DC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，展示出DC-DC 模塊在整車上的連接方式和功能。當(dāng)整車鑰匙開關(guān)置于KEY_ON 的時候，DC-DC 轉(zhuǎn)換器并不啟動，只有當(dāng)整車成功進(jìn)入 READY 模式后，VCU 輸出DC-DC 使能信號，DC-DC 轉(zhuǎn)換器才開啟。

圖7 新能源物流車DC-DC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.7 故障處理策略

3.7.1 BMS 故障處理策略

BMS 故障處理策略如下：

一級故障：VCU 發(fā)送相應(yīng)故障碼，點(diǎn)亮整車故障燈。當(dāng)前循環(huán)故障消失，可消除故障碼。

二級故障：VCU 限功率為正常額定功率的50%，點(diǎn)亮電池電壓低指示燈、整車故障燈及限功率指示燈，上報故障碼。當(dāng)前工況故障可恢復(fù)，可消除故障碼及熄滅指示燈。

三級故障：上報故障信息、故障碼并點(diǎn)亮電池電壓低指示燈、整車故障燈。VCU 切斷動力輸出扭矩為0，若故障出現(xiàn)5 s 內(nèi)車速低于15 km/h，則直接切斷高壓。切斷高壓后，需重新上下電，故障、指示燈當(dāng)前循環(huán)不消除。

3.7.2 MCU 故障處理策略

MCU 故障處理策略如下：

一級故障：上報故障碼并點(diǎn)亮整車故障燈。當(dāng)前循環(huán)故障消失，可消除故障碼及熄滅故障燈。

二級故障：VCU 限功率為正常峰值扭矩的10%，點(diǎn)亮整車故障燈，上報故障碼。當(dāng)前工況故障可恢復(fù)，可消除故障碼、熄滅整車故障燈。

三級故障：上報故障信息、故障碼并點(diǎn)亮整車故障燈。VCU 切斷動力輸出扭矩為0，無切斷高壓處理。需重新上下電，整車故障燈及故障碼當(dāng)前循環(huán)不消除。

3.7.3 VCU 故障處理策略

VCU 故障處理策略如下：

一級故障：上報故障碼并點(diǎn)亮整車故障燈。當(dāng)前循環(huán)故障消失，可消除故障碼及熄滅故障燈。

三級故障：上報故障信息、故障碼并點(diǎn)亮整車故障燈。VCU 切斷動力輸出扭矩為0，無切斷高壓處理。需重新上下電，整車故障燈及故障碼當(dāng)前循環(huán)不消除。

3.8 設(shè)變修改相關(guān)策略

增加BMS 二級、三級故障點(diǎn)亮電池包電壓低指示燈要求：1）BMS 上報的所有二、三級故障，VCU 均會觸發(fā)儀表BMS 電壓低指示燈并立即點(diǎn)亮，依據(jù)故障消除條件，所有故障消除，則熄滅電壓低指示燈；2）觸發(fā)電池包電壓低指示燈，故障參照通信協(xié)議。

SOC≤15%時，修改 VCU 限功率值：1）VCU 接收到BMS 的SOC≤15%及BMS 二級限功率處理后，將執(zhí)行限功率處理，將限制功率設(shè)置為額定功率的50%，待限功率啟動后，VCU 將依據(jù)協(xié)議要求發(fā)送限功率報警燈；2）SOC≤10%時自動關(guān)閉空調(diào)；3）BMS 觸發(fā) VCU 限功率故障，根據(jù)通信協(xié)議確定。

4 結(jié)論

新能源物流車整車控制系統(tǒng)以VCU 為核心部件，由電機(jī)、電池、控制器、充電系統(tǒng)及外圍輔助系統(tǒng)共同構(gòu)建[5]。新能源物流車整車控制策略的根本就是VCU的策略，其中包括整車網(wǎng)絡(luò)管理、工作模式控制、驅(qū)動控制及能量管理等。而VCU 的開發(fā)包括系統(tǒng)分析及實車驗證測試等，在整車測試過程中需按照整車通信協(xié)議進(jìn)行調(diào)試，各零部件在此協(xié)議下采用CAN 通信，同時電氣部件的線束及接插件都應(yīng)按照新能源車的標(biāo)準(zhǔn)制作，保證各項性能指標(biāo)的可靠實現(xiàn)。文章中所述的新能源物流車控制策略在設(shè)計開發(fā)流程需重點(diǎn)監(jiān)控，在實踐層面上，對整車開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。