李 東，沙文瀚，王 飛，劉 琳，曾羽飛

（奇瑞新能源汽車工程研究院，安徽 蕪湖 241000）

新能源汽車以電機作為驅(qū)動機構(gòu)，以動力電池作為供電來源，以實現(xiàn)電力驅(qū)動作為產(chǎn)品的核心職能，衍生包括充電、高壓安全及空調(diào)控制等高壓功能。一系列功能設(shè)計需要有效的模型輔助進行策略架構(gòu)和邏輯的設(shè)計。

行業(yè)內(nèi)對于架構(gòu)控制策略已經(jīng)有一定的研究，并進行相應(yīng)的驗證和搭載。如田晟等的純電動汽車上下電及電池管理系統(tǒng)故障控制策略對純電動汽車的上下電功能時序及電池的故障控制策略進行了解析。相比以往研究，該文對上下電過程中各控制節(jié)點的響應(yīng)原則進行了定義，基于此提出了正常上下電及緊急上下電的控制策略。

韓友國等基于某款電動汽車設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動控制策略，整車控制單元對用戶的駕駛意圖進行分析并建立相應(yīng)的制動及驅(qū)動策略，以及基于動力電池的荷電狀態(tài)，建立相應(yīng)的高壓安全保護策略。利賀等對增程式汽車目前主要存在的電能消耗-電能維持控制策略以及混合型控制策略進行分析，并提出了一種自適應(yīng)控制策略，能夠識別車輛工況、智能控制增程器啟停和功率輸出。

1 功能策略分解

1.1 原理基礎(chǔ)

電動汽車的最核心功能是電力驅(qū)動，電能作為驅(qū)動能源，電機作為驅(qū)動模塊，電池作為儲能元件。其中電機及其驅(qū)動系統(tǒng)作為整車的動力模塊，根據(jù)整車控制器的控制指令，輸出相應(yīng)的扭矩經(jīng)減速器、半軸到達車輪，電子控制器和功率變換器是電驅(qū)系統(tǒng)的兩大主要模塊，動力電池為整車的儲能單元，實現(xiàn)對整車高壓電能的儲存及輸出，設(shè)計有充電系統(tǒng)，動力電池電能輸出完畢后，對電池進行電能補充，目前充電方式主要為直流充電和交流充電。

壓縮機及PTC為整車的空調(diào)系統(tǒng)元件，同樣采用高壓電能作為能源，PTC（加熱器）相當(dāng)于加熱電阻，給PTC進行供電，PTC會產(chǎn)生熱量，通過鼓風(fēng)機實現(xiàn)整車加熱需求；壓縮機同樣進行供電，會在蒸發(fā)器吸收大量熱量，通過鼓風(fēng)機進行熱交換。

配電盒為整車的配電單元，包含熔斷器、高壓插件及繼電器等原件，可以對電能進行分配，同時電路發(fā)生過載，可以實現(xiàn)電安全保護。DCDC是整車的低壓供電單元，相當(dāng)于傳統(tǒng)車發(fā)電機的作用，可以將動力電池的高壓電轉(zhuǎn)換為12V低壓電，給整車低壓電器及蓄電池進行供電。

1.2 功能分解

如圖1所示，電力驅(qū)動功能包括上電策略、下電策略、擋位控制、扭矩輸出和起步蠕行等多部分子級功能構(gòu)成，同時需要并行的功能進行組合執(zhí)行，包括高壓安全、能源管理、充電控制和附件功能。

圖1 電動汽車結(jié)構(gòu)及功能分析示意圖

電機驅(qū)動

電機驅(qū)動為整車的核心功能，也是汽車最初始需求；電動汽車的驅(qū)動單元是電機，驅(qū)動能源來自于電能，電機驅(qū)動完整功能實現(xiàn)由高壓上電管理、高壓下電管理、扭矩輸出控制、擋位控制及起步蠕行等策略共同組建而成。

高壓安全

電動汽車內(nèi)有高壓電能進行傳輸，當(dāng)高壓電保護不良，就會存在人員觸電風(fēng)險，高壓安全保護功能是電動汽車開發(fā)過程中必須實現(xiàn)的基本保障。高壓安全分別從物理層和功能層進行考慮，物理層包括對電流傳輸線路的全方位絕緣保護，避免人員直接接觸電路；功能層包括環(huán)路互鎖功能、絕緣檢測功能、主動泄放、電位均衡及碰撞安全等。

能源管理

能源管理是對供能單元電流、電壓、溫度的實時檢測以及狀態(tài)反饋，包括電流檢測、電壓檢測、SOC計算、瞬時功率計算以及溫度檢測。

充電控制

動力電池是整車的供能單元，當(dāng)動力電池電能用完之后，需要對動力電池補充電能，滿足整車的充電需求；包括快充功能、慢充功能、預(yù)約充電和充電顯示等。充電需求的實現(xiàn)需要完備的充電時序控制才能實現(xiàn)。

附件功能

隨著汽車智能化、電氣化的不斷發(fā)展，低壓部件越來越多，需要提供12V供電單元，相對于傳統(tǒng)汽車采用發(fā)電機給蓄電池進行供電，電動車設(shè)計有專屬的高壓附件DCDC模塊，可以將高壓電能轉(zhuǎn)化為12V低壓電。電動汽車相對于傳統(tǒng)汽車同樣有制冷、制熱需求，分別采用壓縮機及PTC來實現(xiàn)。

2 分級模型

基于原理基礎(chǔ)及功能分析可知，要實現(xiàn)高壓安全、空調(diào)功能、低壓供電需要一系列子功能組合實現(xiàn)。如圖2所示，通過對功能策略的研究，建立了請求級、監(jiān)控級、判斷級、指令級以及執(zhí)行級功能模型，便于策略的架構(gòu)及邏輯設(shè)計。

圖2 分級功能模型框圖

1）請求級 （input）：功能模型的啟動輸入級，當(dāng)請求級開始后，策略流程開始往后流動，如對車輛進行充電時，插上充電槍即為充電請求源頭；啟動空調(diào)，旋動空調(diào)按鈕或者大屏觸摸啟動空調(diào)為空調(diào)啟動源頭；行駛驅(qū)動的請求級可以認為是切換擋位到D擋級油門信號的組合；請求輸入不一定只是單一動作，也存在不同動作的集合。

2）監(jiān)控級 （Plan）：監(jiān)控級即對請求級狀態(tài)的監(jiān)控，包括請求信號及策略所需信號的監(jiān)控，如純電動汽車電力驅(qū)動行駛過程中，會對踏板信號進行監(jiān)控，同時檢測電機的輸出扭矩大小、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、溫度、整車車速等狀態(tài)。空調(diào)制冷監(jiān)控空調(diào)面板的啟動信號，同時會對電動壓縮機轉(zhuǎn)速、冷卻回路壓力、蒸發(fā)器溫度、風(fēng)扇狀態(tài)等進行監(jiān)控。

3）判斷級（decide）：即對監(jiān)控狀態(tài)及設(shè)定的閾值進行比對的層級，如充電啟動信號，同時滿足充電狀態(tài)，發(fā)出充電請求；或者動力電池內(nèi)對電芯的溫度、電壓、電流進行監(jiān)控，如某平臺電芯設(shè)定的高溫閾值為50℃，監(jiān)測到的電芯溫度為52℃，可判斷為動力電池二級過溫，并進行上報。

4）指令級（command）：即針對判斷級的輸入下發(fā)匹配的執(zhí)行指令，如在行駛驅(qū)動過程中，如指令級接收判斷級發(fā)出的高壓附件環(huán)路斷開故障，會對車速信號進行查看，當(dāng)前是否處于高速狀態(tài)，確認如高于30km/h，則下達儀表故障提示用戶及限制電機輸出功率指令，防止出現(xiàn)追尾等行駛安全，直到車速低于設(shè)定閾值時，再發(fā)出高壓斷開指令。如車速本身已低于10km/h，則直接發(fā)出高壓斷開指令。

5）執(zhí)行級 （execute）：即接收到指令級的具體指令進行執(zhí)行的層級，如指令級確認收到一般故障提示，發(fā)出限制功率指令，電機控制器需限制輸出扭矩；如發(fā)出高壓斷開指令，則動力電池需執(zhí)行相應(yīng)動作，斷開高壓回路輸出。

3 整車電氣策略設(shè)計

基于分級模型和高壓架構(gòu)，分別制定出驅(qū)動控制和絕緣保護的邏輯策略。如圖3所示。

圖3 行駛驅(qū)動邏輯策略

3.1 驅(qū)動控制

1）請求級：用戶踩下油門或切換擋位，會有擋位及油門信號，請求級為擋位切換及油門信號。

2）監(jiān)控級：VCU和MCU對模塊進行狀態(tài)監(jiān)控，包括油門信號、擋位信號、模塊是否有故障。

3）判斷級：VCU接收請求信號進行邏輯判斷，下發(fā)動作指令。

4）指令級：向減速器發(fā)出擋位切換指令，進行前進擋切換，VCU接收到油門信號，向電機控制器發(fā)出扭矩輸出請求。

5）執(zhí)行級：減速器進行擋位切換，電機控制器執(zhí)行動作并發(fā)出當(dāng)前扭矩狀態(tài)，車輛進入電力驅(qū)動狀態(tài)。用戶想要停車時，踩下制動開關(guān)，同時切換擋位到N擋，VCU同時檢測到制動狀態(tài)及擋位切換請求后，下發(fā)擋位切換指令，同時向電機控制器發(fā)出零扭矩請求，減速器及電機控制器響應(yīng)并執(zhí)行驅(qū)動動作，車輛驅(qū)動停止；用戶拔下鑰匙，VCU未檢測到ON擋信號，發(fā)出繼電器切斷指令，BMS斷開主正負繼電器，各模塊進入休眠。

3.2 絕緣保護

如圖4所示，①請求級：以高壓回路的低閾值狀態(tài)作為絕緣保護功能的啟動輸入；②監(jiān)控級：一級單元BMS被喚醒后會實時對高壓回路的阻值狀態(tài)進行監(jiān)控，當(dāng)存在低閾值狀態(tài)時，BMS會上報低閾值狀態(tài)和絕緣故障給整車控制器；③判斷級：整車控制器接收到低閾值狀態(tài)和絕緣故障后，匹配相應(yīng)故障信息，進行邏輯判斷；④指令級：下發(fā)動作指令，向BMS發(fā)出斷開繼電器指令，向MCU發(fā)出停止驅(qū)動輸入指令，同時儀表點亮絕緣故障燈，提示用戶存在絕緣故障；⑤執(zhí)行級：BMS在接收到動作指令后，執(zhí)行斷開繼電器保護動作，并將繼電器的狀態(tài)信息實時發(fā)出。

圖4 絕緣保護邏輯策略

4 高壓策略實車驗證

基于邏輯策略分解及高壓架構(gòu)的設(shè)計，進行了某款電動汽車車型的搭載測試，對時序邏輯進行了采集驗證。

4.1 驅(qū)動控制時序

如圖5所示，在0時刻鑰匙點火，低壓繼電器吸合，各模塊開始工作，VCU在200ms內(nèi)發(fā)出吸合指令，BMS接收到吸合指令，吸合主繼電器，繼電器狀態(tài)顯示為閉合，電池電壓拉升。用戶踩下制動及切換擋位，VCU對制動及擋位信號進行采集，發(fā)出扭矩請求指令，MCU輸出相應(yīng)扭矩，時序顯示MCU端檢測的電流開始上升，與設(shè)計策略相符。駕駛一段時間后，重新踩制動切斷擋位至N擋，停車下電，VCU檢測到鑰匙下電信號，發(fā)出切斷指令，BMS斷開高壓繼電器，MCU端電壓快速泄放，各模塊逐步休眠。

圖5 驅(qū)動控制時序

4.2 絕緣保護時序

如圖6所示，在0時刻整車發(fā)生了絕緣失效，高壓回路的物理狀態(tài)發(fā)生改變，基于策略設(shè)計，BMS應(yīng)對整車的高壓回路絕緣狀態(tài)進行監(jiān)控。時序顯示BMS在200ms內(nèi)檢測到了高壓回路電阻降低狀態(tài)，并像CAN網(wǎng)絡(luò)上報了低閾值阻值以及故障信息。

圖6 絕緣保護時序

絕緣故障為高壓安全故障，VCU接受到故障信息在100ms內(nèi)下發(fā)斷電指令和儀表報警，BMS執(zhí)行斷電指令，繼電器斷開，同時儀表進行故障報警。

5 結(jié)論

文中在對功能策略研究的基礎(chǔ)上建立了多級功能模型，基于模型梳理高壓電氣策略的內(nèi)在架構(gòu)和邏輯。根據(jù)功能模型提出了電力驅(qū)動、絕緣保護電氣策略，進行了搭載測試。

抓取的實車數(shù)據(jù)顯示：電力驅(qū)動功能正常，當(dāng)有擋位及制動踏板信號時，電機輸出相應(yīng)的輸出扭矩，電流顯示正常。

整車上電后，有實時的絕緣阻值反饋，當(dāng)人為地在高壓電路中接入低阻值電阻時，低阻值會立刻被檢測到，同時有絕緣報警，并斷開高壓回路，有效保護了人員安全。