军用混合动力汽车高压管理的预充控制策略

黎云兵，苟 斌,杨国超，阳禩乾

(1.驻东风汽车公司军代室，湖北 十堰 442000； 2.东风汽车公司技术中心，武汉 430000； 3.东风越野车有限公司，湖北 十堰 442000)



军用混合动力汽车高压管理的预充控制策略

黎云兵1，苟 斌2,杨国超2，阳禩乾3

(1.驻东风汽车公司军代室，湖北 十堰 442000； 2.东风汽车公司技术中心，武汉 430000； 3.东风越野车有限公司，湖北 十堰 442000)

为降低冲击电流对电动汽车电器元件的冲击，分析、对比电动汽车上基于压差控制和预充反馈控制的两种高压预充控制策略算法，提出一种混合控制策略。经对某型军用混合动力车高压管理分析，该混合控制策略使预充时间变长，能有效地限制冲击电流，适合高压智能管理，有利于提高整车安全性能，且预充时间可以通过预充电阻的选择使其满足预充要求。

预充电；高压管理；控制策略；混合动力车

插电式混合动力汽车、增程式混合动力汽车、纯电动汽车等主要由电池供应能源，主要驱动装置均为电机，其附件如空调、电动液压系统等均采用电池直接驱动。电动汽车的高压驱动负载包括容性负载、感性负载、阻性负载。容性负载回路的电容在直流上电瞬间相当于短路，会带来极大的电流冲击，而这种电流冲击对回路中的电池和电器元件都会造成极大的损坏[1]。为防止容性负载带来的上电电流冲击，每个容性负载回路都必须有预充电路，使得回路中电容在上电之前具有一定的电压值，并在高压管理中开发相应的预充控制策略。电动汽车的高压驱动为车辆安全带来了新的挑战和要求，将高压回路进行集成，并对高压进行管理将成为电动汽车高压安全的发展方向。

1 高压管理

电动汽车的高压管理是指对车辆的高压进行集成控制和管理，保证车辆正常行驶；在车辆出现故障时，按照一定控制逻辑管理高压回路，保证车辆和相关人员的安全。在高压管理中，电动汽车高压配电系统属于执行机构，主要为电动汽车中所有高压回路提供高压电的通断，实现低压控制高压；同时保护每个高压回路在出现短路和过电流状况时，能够及时切断该回路，以免对整个高压回路中的其他电器元件造成损坏，特别是能对电池起保护作用[2]。

某军用混合动力车型高压回路主要包括轮毂电机系统、发电机系统、空调系统、电动液压系统及DC/DC变换器，另外还配有充电接口。在高压回路中，驱动电机回路、空调系统、油泵系统、DC/DC变换器均带有容性负载，故需配有预充电路；直流充电回路也带有容性负载，但预充电路已在充电机中配备。图1所示为某军用混合动力车型的高压配电系统高压电路简图。

图1 高压配电系统原理

图中KM为直流接触器，R为预充电阻，Fuse为电流熔断器，它们是高压配电系统中最重要的3类电器元件。

左前轮毂电机系统、右前轮毂电机系统、左后轮毂电机系统与右后轮毂电机系统为车辆的驱动系统，系统的硬件及上电特性一致，故通过KM5控制其高压电的通断，4个高压回路并联在一起。在KM5闭合之前，通过控制KM4经预充电阻R2给轮毂电机系统的高压回路进行预充；通过KM7控制发电机系统的高压回路的通断，在KM7闭合之前，通过控制KM6经预充电阻R3给发电机系统的高压回路进行预充；附件DC/DC变换器与空调系统均为容性负载，通过KM9控制其高压回路的通断，两个高压回路并联在一起，在KM9闭合之前，通过控制KM8经预充电阻R4给DC/DC变换器与空调系统的高压回路预充。电动液压系统为整车的转向及制动提供动力，直接涉及车辆的安全性，为避免因其他系统故障引起的高压保护，导致转向及制动系统失效，此高压回路与其他高压回路并联为独立的回路。

2 高压预充电阻选型计算方法

对于容性负载回路，在高压电上电瞬间，电容相当于短路，为防止上电瞬间的大电流冲击对回路中的电器元件造成损伤，故需要设置预充回路，在上电之前进行预充，使回路中电容充电至一定电压状态才接通主回路。

电动汽车中，驱动电机和电机控制器所在回路为主要供电回路，回路中所带电容的电容值最大。将图1中驱动电机和电机控制器所在回路进行简化，其物理模型如图2所示。

图2 驱动电机回路高压物理简化模型

KM1所在回路为供电主回路，KM2所在回路为预充回路，KM0所在回路为动力电池主回路。图2的上电顺序为KM0先闭合，再闭合KM2，开始进行预充，预充完成后，闭合KM1，之后再断开KM1。KM0和KM2闭合之后，由于R1远大于r1与r2之和，故等效电路中r1和r2的影响可以忽略不计，故预充回路的等效电路图如图3所示。

图3 预充回路等效电路

图3中：

(1)

式中：E为电池开路电压，V；Rl为预充电阻阻值，Ω；C为高压回路中等效电容，F；UC为电容两端电压，V；UR为预充电阻两端电压，V；PR为预充过程中预充电阻平均功率，W。

假设预充时间为t，通过式(1)得

Uc=E×(1-e-t/τ)

(2)

(3)

式中τ为时间常数，τ=R·C。

在预充过程中，预充电阻的最大瞬态功率PRm为

PRm=E2/R1

(4)

当预充完成后，KM1闭合，预充回路将被短接，之后KM2断开。上电瞬间的等效电路图如图4所示。

图4 高压上电瞬间等效电路

上电瞬间KM1两端压差UD和冲击电流Is为

UD=E-UC

(5)

Is=UD/(r1+r2)

(6)

式中:r1为电池内阻；r2为高压回路中等效电阻。

从前面的分析可以看出来，预充就是为了减小上电冲击电流Is，用以保护高压回路电气设备。将式(2)(5)(6)合并可得

(7)

式中预充时间t、预充电阻R1、冲击电流Is均为未知数。

预充时间越短，车辆启动越快，故要求预充时间越短越好。冲击电流主要受主接触器的瞬时最大抗冲击电流限制，对于直流接触器，冲击电流越大，对其寿命影响越大。预充电阻越小，预充时间会越短，其额定功率会越大，从而加大了预充电阻的选择难度[3]。因此，应当综合考虑以上3个参数，取适当的值使其均能满足要求，一般要求预充时间小于1 s。以某型军用混合动力车的轮毂驱动电机回路为实例计算，其主要参数见表1。

表1 某军用混合动力车型轮毂驱动电机回路主要参数

所选主接触器KM1额定电流为300 A，10 s内可抗冲击电流为900 A。将冲击电流Is分别定为300 A、600 A、900 A，预充电阻各参数随预充时间t的变化曲线如图5所示。

(a)预充电阻与预充时间的变化曲线

(b)预充电阻平均功率与预充时间的变化曲线

(c)预充电阻最大功率与预充时间的变化曲线图5 预充电阻不同参数与预充时间之间的变化关系曲线

从图5(a)中可得，当Is一定时，t和R1之间呈线性关系：当t一定时，R1随着Is的增大而增大；当R1一定时，t随着Is的增大而增大。从图5(b)和(c)中可以得，在t相同时，改变Is，PR和PRm均变化很小，基本可以忽略不计，即Is对预充电阻的标称功率选择无影响。PR和PRm随着t的增大而减小，即t对预充电阻的标称功率选择影响较大。

一般线绕电阻在脉冲持续时间为5 s以内时，可以承受标称功率5～10倍的瞬时功率，1 s以下的脉冲瞬时功率承受能力可以达到标称功率的20倍甚至更多。根据图5的计算结果，综合考虑选择预充电阻的阻值和标称功率为75 Ω/200 W。

将所选择的预充电阻代入计算，得到预充时间与电容两端电压UC、主接触器两端压差UD、冲击电流Is之间关系如图6所示。从图6(a)和(b)中可以看出，预充时间t大于1 s后UC、UD和Is均变化较小。

(a)电压和预充时间之间的关系曲线

(b)冲击电流和预充时间之间的关系曲线图6 选定预充电阻下各参数与预充时间之间的关系曲线

3 预充控制策略分析

3.1 基于压差控制策略分析

压差控制是指控制主接触器两端闭合瞬间的电压值，使其在一定范围内，保证主接触器闭合瞬间的通过电流在承受的范围值内。在高压回路中，r1和r2不变，只需控制主接触器闭合瞬间两端压差就可以控制冲击电流。采用该控制策略的整车上电逻辑如图7所示。根据所选的KM1的型号和表1中所给的参数，确定最大压差Uset=30 V，则Uset=UD=30 V。

基于压差控制策略所计算的各个参数见表2，从表2可知得，所选的预充电阻能够满足要求。

表2 基于压差控制策略所计算的各个参数

图7 基于压差控制策略下的高压上电逻辑

3.2 基于预充反馈信号控制策略分析

预充反馈信号控制是指采用电容端反馈的预充信号表示预充完成，当接受该预充反馈信号时，闭合主接触器。采用该控制策略的整车上电逻辑如图8所示。根据表1所给数据，确定预充反馈信号时，电容充电量为95%，则UD= (1-95%)×E=30 V。该控制策略所计算的各个参数见表3。从表3中可知，所选的预充电阻能够满足要求。

参数UD/VIs/At/sPR/WPRm/W数值305990．8210224770

3.3 混合控制策略分析

为了避免电压的变化导致冲击电流过大而损坏主接触器，同时为了保证负载部件中的电容达到预充反馈值而不损坏其他电气元件，设计一种混合控制策略。采用该控制策略的整车上电逻辑如图9所示。由表1所给参数以及所选预充电阻，压差控制和预充反馈控制两种在预充过程中电流变化曲线与高压回路上下电逻辑图如图10、图11所示。由图10可知，预充反馈控制策略下的冲击电流大于压差控制，但预充时间小于压差控制，在该状态下的混合控制策略的电流变化与压差控制相同。由图11可知，在电动汽车高压上电逻辑中，上电时先闭合负控主接触器KM0，再闭合预充接触器KM2，预充完成闭合KM1，断开KM2；下电时KM0和KM1可以同时下电；在整个过程中，冲击电流为KM0通过最大电流。

图9 混合控制策略下的高压上电逻辑

图10 两种控制策略下高压回路电流变化曲线

图11 高压回路上下电逻辑

(a)冲击电流随动力电池电压变化曲线

(b)预充时间随动力电池电压变化曲线图12 3种控制策略下动力电池变化对冲击电流和预充时间的影响曲线

所讨论的3种控制，动力电池电压的变化对冲击电流和预充时间均有较大的影响，根据以上的计算所得的预充电阻，分析改变不同的动力电池电压对冲击电流和预充时间的影响(如图12所示)。从图12中可以看出，在不同的动力电池电压下，基于压差控制的控制策略能够保证冲击电流恒定不变，但预充时间会随着动力电池电压的增大而增大；基于预充反馈的控制策略能够保证预充时间恒定不变，但冲击电流随着动力电池电压的增大而增大，这样就有可能由于电容预充容量设置的不合理导致冲击电流过大而损坏主接触器；混合控制策略能够保证冲击电流属于两种控制策略的最小值，但预充时间属于两者中的最大值，冲击电流和预充时间与动力电池电压无严格的线性增长关系[4]。分析表明，混合控制策略能够很好地保护主接触器和负载端电气设备，提高电动汽车的整车安全性能，而预充时间可以通过合理选择预充电阻使其能够满足实际需求。

根据以上分析，该型混合动力军车的高压回路预充电阻选型见表4，高压回路上电顺序见表5。该军用混合动力车型的上电总时间约为2.1 s，满足整车的设计要求(≤3 s)。

表4 高压回路预充电阻选型

表5 高压回路上电次序

4 结 语

从汽车安全角度考虑，提出了高压智能管理，基于高压原理图分析了预充的意义，简化相应的物理模型，给出了预充电阻选型的计算方法。通过分析和对比两种电动汽车常用的预充控制策略的算法本质，提出一种混合控制策略，混合控制策略能更好地限制冲击电流和保护电器元件，使得主接触器和负载元件得到良好的保护，提高了整车的安全性。

[1] 曹立波,童俊,邓群,等.混合动力客车高压电安全性能研究[J].湖南大学学报,2008,35(4):42-46.

[2] 朱建新,郑荣良,卓斌,等.电动汽车高压电安全诊断与控制策略的研究[J].汽车工程,2007,29(4):308-312.

[3] 傅荣杰.纯电动汽车高压电气安全管理与时间延时研究[J].变频器世界,2012,26(2):111.

[4] WANG J P,CAO B G, CHEN Q S, et al. Combined state of charge estimator for electric vehicle battery pack[J]. Control Engineering Practice, 2007(12):1569-1576.

(编辑：张峰)

Precharge Control Strategy of High-pressure Management for Military Hybrid Vehicle

LI Yunbing1, GOU Bin2, YANG Guochao2, YANG Yiqian3

(1.Military Representative Office in Dongfeng Motor Corporation, Shiyan 442000, China; 2.Technology Center of Dongfeng Motor Corporation,Wuhan 430000, China; 3.Dongfeng Off-road Vehicles Co. Ltd., Shiyan 442000, China)

To reduce the impact of surge current on electric elements for electrical vehicle, the paper analyzes and compares two high-pressure precharge control strategy algorithms based on pressure difference control and precharge feedback control, and proposes a hybrid control strategy. The analysis on high-pressure management for a military hybrid vehicle shows that lengthening precharge time with this hybrid control strategy can restrict surge current effectively, which is fit for high-pressure management and in favour of improving vehicle safety performance, and it can meet the requirement of precharge time by selecting precharge resistance.

precharge; high-pressure management; control strategy; hybrid vehicle

2016-10-26；

2016-11-28．

黎云兵(1991—)，男，硕士，助理工程师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.05.009

U463．67

A

1674-2192(2017)05- 0036- 06

● 车辆工程 Vehicle Engineering