插电式纯电动汽车上下电控制策略研究与设计

薛念文，马先萌，盘朝奉

(江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013)

能源危机和环境污染程度的日益加剧使得传统车辆面临严峻的挑战，发展新能源电动汽车是汽车行业未来发展的趋势［1］。纯电动汽车(EV)以动力蓄电池组作为唯一动力源，电动机作为唯一动力驱动装置，工作电压高达几百伏，当发生高压电路绝缘失效或短路等故障时，会直接影响到驾乘人员的生命财产以及车载用电器的安全。因此，在设计和规划高压动力系统时应充分考虑整车和人员的电气安全性，确保车辆运行安全、驾驶人员安全和车辆运行环境安全［2］。

整车控制器(VMS)是纯电动汽车运行的核心单元，担负着整车驱动控制、能量管理、整车安全、故障诊断和信息处理等功能，是实现纯电动汽车安全高效运行的必要保障［3］。纯电动汽车上下电控制策略开发设计的目的在于:在已有整车动力系统结构的前提下，通过采集钥匙及踏板等驾驶员动作信号，并通过CAN总线，BMS(电池管理系统)及MC(电机控制器)等子系统进行通讯，来控制整车安全高压上电、下电，同时在上、下电过程中，力求准确诊断出整车动力系统的高压故障并迅速做出相应处理。

1 EV动力系统结构

笔者所讨论的EV动力系统采用锂电池，选取72 V、100 Ah的磷酸铁锂电池组，由24块锂电池串联而成。EV动力系统包括一套高压蓄电池组，电机驱动系统和DC-DC变换器。由于采用交流异步电机，电机驱动系统主要包括DC/AC逆变器、驱动电机以及电机控制器MC，它的主要功能是将电能转变为机械能，并通过传动系统将能量传递到车轮来驱动车辆行驶，如图1。

在动力系统部件选型中，动力性要求是主要考虑的因素［4］。笔者所开发的上、下电控制策略所应用的电动汽车平台，其动力系统参数如表1。

图1 EV动力系统结构Fig.1 EV power system structure

表1 动力系统各部件参数Table1 Parameters of power system components

EV是个高度集成的电气系统，各个部件之间具有很强的耦合性，为了能准确响应并判别驾驶员意图，同时确保整车安全，需要建立一个中央控制单元进行动力系统的协调控制，从而达到更好的经济性与动力性。VMS作为最上层控制单元负责协调动力系统各个部件的运行，采集驾驶员控制输入信号，向各个部件控制系统发送控制指令，并向仪表及多功能显示单元等设备输出动力系统状态信息［5］。VMS信号图如图2，信号主要包括CAN总线信号和硬线信号，其中硬线信号包括模拟信号和数字信号两类。

图2 EV整车控制器信号Fig.2 EV vehicle controller signal diagram

2 MotoTron快速开发平台

开发工程师要面对的是如何将开发策略与底层软件、硬件及硬件驱动、通讯协议等对接实现开发的整个过程［6］。电控单元ECU的开发是一个极其复杂的过程。它包括功能概念定义、算法开发、软件编程、底层操作系统和驱动程序开发、硬件在环仿真测试、匹配标定及验证、ECU软件灌装等多个步骤和任务。MotoHawk集成了GreenHill编译器，当系统模型建立完毕后，编译器会将C代码自动生成可供刷写的SRZ文件，同时生成L文件以备调用［6-7］。

MotoHawk是基于MotoTron的ControlCore产品级软件架构和产品级ECU硬件下的系统开发软件，使得开发人员在Matlab/Simulink编译环境下生成基于体系结构的应用软件成为可能，且贯穿整个开发、车辆标定及测试阶段［8］。开发人员在Matlab/Simulink/Stateflow/RTW编译环境下生成基于体系结构的应用软件，MotoHawk应用在ECU开发、标定及测试的各个阶段。使用Simulink/Stateflow图形化编程工具进行EV控制策略开发，通过MotoHawk在Simulink/Stateflow中与硬件ECU对接起来，从而大大缩短了从开发到生产的周期。图3为系统的底层设置，通过设置，在 Simulink/Stateflow中将控制 ECU的PIN脚与控制策略的输入输出连接起来。极大的简化策略开发人员的工作量，提高开发效率。

图3 系统的底层设置Fig.3 Underlying system settings

3 EV上电控制策略的分析与设计

3.1 整体思想

EV上电过程控制策略的总体思想是:在保证动力系统高压上电过程顺利实现的同时，与整车故障诊断控制策略相结合，确保高压上电过程的安全，在上电过程中出现故障时能顺利切换到相应的故障处理流程，紧急状况下断开高压接触器。

3.2 预充电电路

为了防止在高压接触器闭合瞬间形成的强电流和高电压对动力电机驱动系统高压器件形成冲击，造成损毁，导致接通高压电路，需要设计一个预充电电路，通过VMS在上电过程中控制相应高压接触器通断时序，和设计一个合理的控制逻辑。

图4为预充电电路原理图，其中R为限流电阻，而K1、K2、K3为3个直流高压接触器。Vb为高压蓄电池组端电压，Vh为电机高压输入端端电压。

图4 预充电电路原理图Fig.4 Pre-charge circuit diagram

电动汽车高压接触器闭合之前，先要完成对高压电系统电路预充电，具体执行过程为:ECU接受到高压上电信号之后，先控制引脚P 1.0和P 1.1闭合高压接触器K1和K2。在预充电时间t(t=8 s)内，ECU检测电压Vh，如若Vh达到Vb的90%以上，则系统预充电成功，否则预充电失败，停止接通高压接触器。依据式(1):

Vh≥0.9Vb(t=8 s)(1)式中:Vb为高压蓄电池组端电压;Vh为电机高压输入端端电压。

ECU控制流程如图5。

图5 预充电控制流程Fig.5 Pre-charge control flow chart

3.3 EV 钥匙开关

EV钥匙开关与传统车钥匙开关外形一样，但功能设定不同，如图6。电动车无需发动引擎，所以在启动挡，整车管理系统发送闭合高压接触器指令。钥匙顺时针旋转一挡至附件挡，灯光、喇叭及收音机电源接通。此时车内低压设备上电，VMS及各子系统ECU上电复位并初始化。钥匙旋转至点火挡，VMS通过CAN总线、BMS(电池管理系统)与MC(电机控制器)等动力系统子模块恢复通讯，采集高压电池组、电机及其控制器等模块的状态信息，判断是否正常，车载显示系统上电，显示整车低压设备状态信息，同时等待钥匙信号。钥匙旋转至启动挡时，VMS发出控制指令，顺序依次闭合3个高压接触器。动力系统上电过程中，VMS检测到二级或者一级故障，系统紧急断开高压接触器，并上报故障码、发出语音提示。

图6 EV钥匙开关Fig.6 EV key switch

钥匙信号作为高压上电、正常下电过程的重要判断依据，因此对钥匙信号的有效位判断和逻辑判断就显得尤为重要。有效位判断包括附件挡、点火挡、启动挡的是否有效判断，逻辑判断就是3个挡位信号的时序有效判断，比如在钥匙启动档有效时，如果附件挡、点火挡有一挡或两挡无效，则说明信号逻辑出错。利用Simulink设计的钥匙信号诊断策略，在上电过程中对钥匙信号进行诊断处理，包括信号滤波和有效位判断，如图7。

图7 EV钥匙信号诊断Fig.7 EV key diagnostic signals

3.4 上电过程控制

对于EV高压系统的整个动力电路，存在着大量的容性负载。如果在高压电路接通过程中不采取有效的防范措施，高压电路在上电瞬间，由于系统电路容性负载的存在，将会对整个高压系统电路造成上电冲击［9］。为此，在上电过程中需要对高压电路进行防电流瞬态冲击预充电。

EV在接到有效启动的命令组合信号之后，整车管理系统(VMS)低压上电，对高压电路系统进行高压上电前预诊断，如果SOC达到一定值，电压正常，并且电路无绝缘和短路等故障，接通防电流瞬态冲击预充电系统进行高压电路预充电。如果高压电路预充电在约定的正常时间范围内完成，则系统允许接通高压电路，否则禁止高压电路接通。上电流程如图8～图9。

图8 钥匙上电状态Fig.8 Key power-on state diagram

图9 EV上电流程Fig.9 EV key power-up flow chart

4 EV下电控制策略的分析与设计

下电过程是指EV动力系统高压下电过程，在车辆遇到紧急情况时应切断高压电源与动力系统的连接，在设定高压下电控制策略的时候要尽可能把所有的可能情况考虑在内，并保证乘车安全是制定控制策略的首要考虑因素。高压下电包括正常停车断电和紧急故障断电。

正常停车断电时，VMS接受到关机断电信号后EV进入自动断电程序，按照时序完成动力系统的高压下电过程，并对下电过程进行诊断和检测。下电时启动计时器Time，表明下电时的持续时间。具体下电时序为:①VMS发送电机停止工作的指令，当电机反馈已经停止工作，或电机通讯故障，或定时器time超过等待电机停止工作时间时，VMS控制DC/DC模块停止工作，并控制真空泵高压下电;②延时等待继电器关闭时间T后，VMS控制蓄电池接触器断开;③蓄电池主接触器处于断开状态的条件下，在该步骤不进行紧急故障条件的检测。如果此时钥匙转动到ON位，或者计时器time超过延时等待继电器关闭时间，下电模式将切换到上电模式。

在正式断开高压接触器之前需对电池组箱温度进行检测，在温度许可范围之内自动执行断电程序并进行一定时间延时，以保证VMS本身电源供电。检测温度超出范围许可，则控制风扇强制对电池组进行降温，直到温度许可时进行高压下电。紧急故障下电可能发生在任何工况中，比如在车辆启动、运行、下电不同状态时，检测到紧急故障，如整车绝缘纸过低、线路烧结等，则自动切断高压接触器，进行高压下电。如果高压下电时间过长，则强行切换到低压上电模式。当检测到紧急故障，且电机没有放电时，由下电模式进入紧急故障模式。在高压下电过程中利用自保信号保证低压有电。详见图10。

图10 EV下电流流程Fig.10 EV key power-off flow chart

5 结语

纯电动汽车上、下电控制的核心就是对动力系统高压电路通断的控制，如何在此过程中能准确高效的进行控制，达到既能快速响应驾驶员动作，又可以保证整车在上电、下电过程中的安全性是个难点。

对于上电、下电控制策略初步实现了以整车管理系统为控制核心的EV顺利上电、常规下电、紧急下电等关键功能。

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