混合动力汽车上下电控制策略研究

2011-09-03于海生

汽车电器 2011年10期

王晨，张彤，于海生

（上海华普汽车有限公司，上海 201501）

随着国家新能源汽车战略地位的不断提升，各主机厂均不遗余力地推进各自纯电动、混合动力轿车的研发进程。作为一种新兴的汽车产业，它打破了传统汽车的拓扑结构，将动力电池、电机、AC／DC、DC／DC等复杂的电力电子器件都装备至整车中，给整车的布置、控制、振动、电磁干扰、行驶安全等方面带来了诸多新的挑战。

本文立足于某企业重度混合动力轿车产业化项目，仅以与整车强、弱电管理相关的部件为研究对象，着重分析整车的上、下电流程，上、下电过程中的故障诊断及处理方法。

1 传统汽车电源管理

针对传统汽车，由于动力源仅为发动机，并无电机、动力电池等高压器件，所以所谓的电源管理仅为12 V弱电管理。它主要包括整车电气附件的上、下电管理，以及发动机ECU等控制器的上、下电管理。当驾驶员进入驾驶舱，插入钥匙并置于OFF档时，所有电器设备均不得电，整车处于掉电状态；当驾驶员将钥匙拨至ACC档时，收音机、点烟器等电器附件均得电；当驾驶员将钥匙拨至ON档时，发动机控制器主芯片得电运行。传统汽车的所有上、下电控制都是通过钥匙开关的机械结构来完成，具有结构简单、可靠性高等特点，其电源管理拓扑结构如图1所示。

2 混合动力汽车电源管理

2.1 拓扑结构

在混合动力汽车中，动力不仅仅源自发动机，还有电机驱动系统。电机驱动系统属于强电范畴，必须由动力电池提供能量来源。所以，驱动电机、动力电池、DC／DC、AC／DC等一系列高压器件的引入，以及与之相对应的电机控制器（MCU），动力电池管理系统（BMS），再加上发动机控制器（ECU）、整车控制器（HCU）和车身控制器（BCU）等部件，构成了混合动力汽车极为庞大复杂的电气结构。

该混合动力轿车采用无钥匙进入系统［1］（PKE）替代传统车身控制器，并且配备一键式起动按钮，增加了整车舒适性，以及强、弱电管理的灵活性。为了确保整车上、下电的安全性，可靠性，必须严格定义各电气部件的上、下电流程，且各电气部件的上、下电状态必须经各控制器及时反馈给整车控制器，进行 “握手”确认后才执行下一步上、下电操作。该混合动力汽车弱电管理拓扑结构如图2所示。

2.2 上电流程

无钥匙系统始终从蓄电池取电，一般情况下处于低功耗模式，一旦监测到钥匙信号则被激活，进入正常工作模式。驾驶员携钥匙靠近混合动力轿车后，车门锁即自动开启，驾驶员随即进入驾驶舱。类似于传统车中钥匙置于OFF档的状态，此时整车除无钥匙进入系统和一键式起动按钮之外的所有电气部件均不得电。

驾驶员就位后，按下一键式起动按钮或执行其他无钥匙系统认可的认证操作后，无钥匙系统控制继电器1导通，将12 V弱电供给整车各电器附件（中控门、中控窗、收音机、点烟器等），整车进入ACC状态。

整车进入ACC状态后，当无钥匙系统再次监测到一键式起动按钮被按下时，则通过某特定DAC引脚 “通知”整车控制器的电源管理芯片，控制整车控制器主芯片得电运行。整车控制器得电后随即控制继电器2闭合，将蓄电池12 V弱电引至电机控制器、动力电池管理系统、发动机控制器等子控制器。待所有子控制器得电完成并自检成功后，通过CAN总线向整车控制器反馈上弱电成功信号。经整车控制器确认完毕后，由其点亮仪表盘相应指示灯，并通过语音设备提醒驾驶员上弱电完毕，至此，整车进入ON状态。

整车进入ON状态后，由整车控制器对一键式起动按钮和电子制动踏板［2］进行监测，一旦监测到制动踏板开度超过某设定值且一键式起动按钮被同时按下，整车控制器则向动力电池管理系统发送上强电指令。随即，动力电池管理系统控制强电继电器吸合，并向整车控制器反馈上强电完成信号。电能通过动力电池直流母线进入逆变器［3］单元，经逆变后送至电机交流母线端，经电机控制器检测后将电机的允许上强电信号反馈给整车控制器。若以上信号均正常，则整车控制器向电机控制器发送电机使能命令，电机控制器在收到该使能命令后则向整车控制器返回电机的上强电状态。整车控制器再次确认所有高压用电设备的上强电状态，确认无误后则点亮仪表盘相应指示灯，并通过语音设备提示驾驶员上强电完毕，至此，整车进入Ready状态。

由于该混合动力轿车采用CAN通信方式进行上、下电管理，所以控制方案设计具有较强的灵活性。比如，当整车处于ACC状态，可设定驾驶员踩下制动踏板并同时按下一键式起动按钮后，整车直接从ACC状态进入Ready状态。

2.3 下电流程

为确保下电安全性及考虑设备的使用寿命，我们遵守强电先下，弱电后下的原则，并同时要求下电过程中各控制器节点也必须同样进行 “握手”沟通。当车速处于静止状态且驾驶员按下一键式起动按钮时，整车控制器即监测到驾驶员的下强电意图。此时，整车控制器通过CAN总线向电机控制器发送电机下电使能命令，电机控制器在接收到该指令后，对电机进行下电使能操作，同时向整车控制器反馈允许下强电信号。整车控制器在收到电机控制器反馈的允许下强电信号后，通过CAN总线向动力电池管理系统发送电池下强电信号，动力电池管理系统在接收到该指令后，断开强电继电器并向整车控制器反馈下强电完成信号。一旦整车控制器接收到动力电池管理系统反馈的下强电完成信号，则执行对电机的自放电操作，将其母线端的残留电能耗散掉。至此，整车返回到ON状态。

整车返回到ON状态后，仍然可以通过上述上电流程再次进行上强电操作，或者通过再次按下一键式起动按钮进行下弱电操作。首先，整车控制器通过IO引脚控制继电器2断开，将所有子控制器节点掉电，同时启动定时器进行计时，当达到指定延时时间后，通过CAN总线向无钥匙进入系统发出掉电请求。此时，由无钥匙进入系统将整车控制器弱电断开，至此，整车返回到ACC状态。

为避免下电流程过于繁琐，该混合动力轿车将整车ACC状态作为掉电流程的最终状态，直至驾驶员离开驾驶舱并执行锁门操作。此时，无钥匙进入系统对所有电器附件进行掉电处理，并将系统本身置入低功耗模式运行，直至驾驶员再次靠近整车并执行开门操作。

3 故障诊断及处理

一般情况下，该混合动力轿车执行上述上、下电流程。但是，实际过程中往往出现动力电池端电压过低、前次下电自放电不完全等情况，给整车的上下强电过程带来安全隐患。为此，在制定整车上下电策略时必须充分考虑故障诊断及相应处理策略，增加上下强电的安全性、可靠性。

动力电池由大量单体电池串联而成，一般分为两组，两组之间设有熔断器，以防止动力电池瞬时电流过大而损坏。当整车控制器向动力电池管理系统发送上强电指令时，动力电池管理系统首先控制继电器B、C导通，动力电池通过预充电［4］电阻给逆变器端的预充电电容进行充电，当其端电压达到动力电池端电压的设定比例时，动力电池管理系统闭合主继电器A并断开预充电电路，逆变器端正式接入动力电池端。预充电原理示意图如图3所示。

由上述上强电过程可知，电机母线电压作为一个重要参数，是实现整车上下电故障诊断及处理的关键所在。实际上强电过程中，必须首先监控电机母线电压，若其已经大于某设定值，则说明前次下电流程中自放电操作未完成。所以，为确保安全，在本次上强电过程之前应首先对电机进行自放电操作，将电机端的残余电能释放完毕后再执行正常上电流程。当动力电池闭合强电继电器返回上强电完成信号后，整车控制器不仅需要监测电机控制器返回的上强电状态信号，而且应监测电机母线电压是否超过指定值，若母线电压不满足使用要求，则说明上电过程出现故障或动力电池能量不足，整车控制器禁止发送电机使能命令并自动转入下电流程中。执行下电流程自放电操作时也应监控电机母线电压，确保电机母线电压降至指定值以下才允许整车重新进入ON状态。

由前述可知，每一道上、下电步骤的成功实施均需要借助CAN通信，所以CAN通信的可靠性对整车能否上、下电成功起着决定性作用。在配备多项高压器件的混合动力汽车中，常常因为电磁兼容性问题而造成信号的干扰或失真。所以，为避免在整车上、下强电过程中由于CAN通信干扰或其它原因而导致执行中断，要求在每一项上、下强电步骤中进行定时计数，当在指定时间内未收到可识别的CAN指令时，则自动转入下强电流程，以此保证上、下电过程的安全可靠性。

4 试验结果及分析

将上述电源管理策略应用于实车中，并通过CANoe［5］等诊断工具进行数据采集及分析，得到相关数据，如图4所示。上强电过程中，整车控制器只有监测到电机母线电压均满足上强电要求，且动力电池反馈了上强电完成信号时，才会向电机控制器发送电机使能命令，在接下来的一个时间步长里，电机控制器才会反馈电机上强电状态信号。同理，下强电过程中，整车控制器先关闭电机使能，待动力电池反馈下强电完成信号后重新为电机上使能，进行放电操作，直至电机母线电压降至安全阈值以内再重新关闭电机使能。