电动汽车高压配电控制策略的改进

黄志勇， 陈 竹， 张新林

(湖南中车时代电动汽车股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

随着电动汽车的发展，为了精简控制系统，实现用电设备的集中控制，越来越多的厂家将电机驱动、逆变发电、整车控制、辅助电源(包含DC/DC变速器和DC/AC逆变器)、绝缘检测等功能模块集成在一个电气控制器中(简称控制总成)[1]。集成后，部件之间具有很强的耦合性[2]。因此，控制总成上电、下电和电池管理系统(BMS)的统一管理,是电动汽车动力系统设计的关键部分[3-5]。目前,国内大多数电动汽车将车载用电设备分别作为单独个体进行研究，而将BMS、整车控制和高压配电等进行综合研究的很少,造成电动汽车动力系统出现问题时找不到故障的源头。本文结合电动汽车硬件架构和现在电动汽车常规的BMS系统与控制总成配电控制策略，分析该控制策略存在的弊端，并进行改进和测试验证[6-10]。

1 高压系统结构及常规配电控制策略

1.1 电动汽车高压系统结构

电动汽车高压系统结构简图如图1所示。图中，S1为动力电池，K1为主正接触器，K2为主负接触器，K3为主接触器，K4为预充接触器，R1为预充电阻，C1为控制总成支撑电容，DC/AC为逆变模块(用来控制油泵和气泵)，C2为DC/AC的支撑电容、BMS为电池管理系统，VCU为整车控制系统，高压负载包括DC/DC模块、主电机逆变驱动模块、绝缘检测模块等。BMS控制K1和K2的通断，实现储能系统对外供电。VCU控制K3和K4的通断,实现控制总成的上电和下电。

图1 电动汽车高压系统硬件结构简图

1.2 BMS高压配电常规控制策略

BMS高压配电常规控制策略如图2所示。

图2 BMS高压配电控制策略

从图2可以看出，BMS高压配电策略只根据钥匙信号和故障信号来进行控制，钥匙On信号有效，BMS闭合接触器K1和K2；钥匙信号无效或系统出现故障，BMS上报故障信号，同时断开接触器K1和K2。

1.3 控制总成高压配电常规控制策略

控制总成高压配电常规控制策略如图3所示。

图3 控制总成高压配电常规控制策略

从图3可以看出，钥匙On信号有效时，控制总成闭合K4进行预充电，预充电完成后闭合K3，完成上电过程。钥匙信号无效或系统故障时，控制总成进行延时断电。延时断电具体处理策略如下：首先，VCU输出一个指令将控制总成输出转矩限制在一定数值以下；其次，对钥匙信号无效触发的故障信号进行若干秒的滤波，如果滤波后信号消失，则VCU回到正常运行状态；如果滤波后信号还存在，则进一步读取主回路电流值；如果主回路电流小于5 A，则直接断开K3；如果大于5 A，则延时若干秒后强制断开K3。

1.4 高压配电常规控制策略的缺陷

假设钥匙在On挡时在很短时间内来回转动一次。钥匙由On→Off挡时，BMS立即断电，控制总成开始延时断电。由于钥匙转动时间很短，在控制总成完成断电前(K4处于闭合)，钥匙由Off→On挡，BMS重新上电(闭合K1和K2)，则控制总成的高压电路在没有预充电的情况下直接通了高压。取包含C2、DC/AC逆变模块所在回路进行分析，这种异常情况产生的瞬时电流为：

(1)

支撑电容容量一般在几百微法，电容在正常放电时会在5 min以内降到36 V以下，但是在放电的初始阶段，电容电压下降非常快。如果短时内断开高压又加上高压，会造成一个比较大的压差，这种压差引起的du/dt数量级能达到106或更大，由式(1)可知该情况下产生的脉冲电流很大，对整个控制总成高压回路的功能部件都会造成极大的冲击。

造成这种安全隐患的主要原因是控制总成生产厂家和电池生产厂家通常不是一家，在高压配电时只根据自身信号输入情况去控制主接触器，BMS和整车控制系统之间缺乏配合，造成了高压配电紊乱。

2 控制策略的改进及验证

2.1 控制策略的改进

针对1.4节高压配电控制策略的缺陷，在常规控制策略的基础上进行了改进。增加了两个系统的信息交互部分，在图4中用虚线表示，同时为了防止K1和K2在大电流时分闸而粘连,K1和K2的下电也添加了延时断电。控制策略在高压系统上电、控制总成下电、BMS下电的具体改进如下：

1) 高压系统上电。VCU上电后无异常，给BMS发送闭合K2指令再闭合K1，同时等待BMS反馈K2状态；BMS自检无故障，且接收到VCU发送来的闭合指令后闭合K2，并向VCU发送报文，反馈VCU K2状态；VCU收到BMS反馈报文后闭合K4进行预充电。预充电结束后，闭合K3，完成整个系统的高压上电。

图4 改进后高压上电控制策略

2)控制总成下电。控制总成在两种情况下会启动下电流程，第一是检测到钥匙信号无效，第二是系统出现故障。两种情况下电如图5所示。

图5 改进后控制总成下电策略

如果是钥匙信号无效造成的下电，控制总成会在完全断开K3后，再次检测钥匙信号状态；如果钥匙信号有效，则延时若干秒后重新进入预充电过程，如果钥匙信号保持无效，则给BMS发送下电指令。如果是系统故障引起的下电，VCU会根据故障等级调整下电顺序，威胁到整车安全行驶的故障，VCU会直接断开K3，再向BMS发送下电指令，普通故障VCU会先进行限速限功，再发送下电指令。

3) BMS下电。BMS下电过程如图6所示。BMS下电也分两种情况，不同情况处理过程如下：①BMS收到VCU下电指令。收到指令后，BMS按照延时断电逻辑进行断电。②BMS系统故障断电。系统故障时，BMS会给VCU发送故障代码，如果30 s内VCU反馈了下电指令，则BMS按照收到指令的时间开始延时断电；如果等待时间超过30 s，则BMS在30 s后进入延时断电。通过控制策略的改进，K1、K2、K3和K4闭合和断开动作都要经过VCU和BMS的综合判断。

图6 改进后BMS下电策略

2.2 测试及验证

为了验证改进后控制策略的有效性，取一辆电动汽车，以其油泵DC/AC模块所在回路为测试对象(受测试电流探头量程限制将熔断器F1替换为15根状态基本一致的导线，探头夹住其中一根)。控制策略改进前DC/AC模块所在回路在钥匙经历On→Off→On过程产生的信号波形如图7(a)所示。

(a)控制策略改进前DC/AC上电流波形

(b) (a)图中方框部分局部放大波形

从图7(a)中的电容电压曲线可以看出，方框以左钥匙正经历On→Off过程，BMS已经断开高压，电容电压在不断下降；同时K3信号保持有效,证明K3还没有断开。在C2电容电压降到200 V左右时，突然增加到了电池电压330 V(图7(b)读得电压上升时间约380 μs)，说明BMS控制的K1、K2已经闭合，即钥匙由Off挡打到了On挡。而此时VCU控制的K3控制信号还是低电平，说明控制总成延时断电还没完成，K3仍然闭合着。DC/AC支撑电容C2为390 μF，由式(1)可知，这个过程产生的瞬时电流为：

(2)

实际测得瞬时电流为142.5 A(图7(b)中单独一根导线测得电流9.5 A,共15根并联)，与计算值相差6.4 %，理论推导值与实际测试值基本吻合。通常DC/AC模块所在回路工作电流峰值在30 A以内，选用的熔断器最大工作电流50 A，表明控制策略改进前如果驾驶员在短时间内转动几次钥匙，该回路熔断器会损毁，造成转向助力失效。主回路支撑电容(C1)通常在1 000 μF以上，产生的尖峰电流更大，可能引起K3粘连或其他功能部件损坏。

图8 高压配电控制策略优化后信号波形一

图9 高压配电控制策略优化后信号波形二

按照前述控制策略改进后，在同一位置钥匙不停地开关，测得的两种信号波形分别如图8和图9所示。波形一(图8)是钥匙On→Off→On时间小于控制总成下电时钥匙信号滤波时间时测得的波形。VCU将这种情况下钥匙扭动产生的信号当成杂波滤掉了,VCU没有向BMS发送掉电指令，回路状态保持不变，系统没有尖峰电流或尖峰电压出现，对系统没有冲击。波形二(图9)是钥匙On→Off→On时间大于控制总成下电滤波时间时测得的波形。控制总成K3断开(信号由低变高)，电容电压不断下降到0，30 s后再缓慢上升到电池电压，说明经历了完整的预充电过程。从图8和图9电流曲线可以看出，整个上下电过程DC/AC回路电流没有图7所示的尖峰电流，说明上下电过程对该回路基本没有冲击，大大提高了电动汽车高压配电的安全性。测试结果与改进后控制策略需要达到的控制效果一致。

3 结束语

本文通过建立整车控制与BMS之间的通信机制，把两个子系统作为一个整体进行统一控制，突破了控制总成与储能系统分别作为独立小系统控制时存在的局限性。最后通过实际测试对改进后控制策略的有效性和安全性进行了验证。目前我司生产的电动汽车和对外销售的电机驱动系统都采用了该高压配电控制策略，该控制策略已实现大批量应用。

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