混合动力汽车电源管理及诊断策略研究

伍庆龙

（中国第一汽车集团有限公司 新能源开发院，长春 130013）

主题词：混合动力汽车 电源管理 上下电流程 诊断策略

1 前言

混合动力汽车由于其燃油节省效果好正在被越来越多的汽车厂商推广和研发。混合动力汽车是从至少两类车载存储的能量中获得动力的汽车，包括可消耗的燃料或者可充电电能存储装置。利用电池给电机提供动力来源，且通过电机来调节发动机的工作点，可以有效降低混动汽车的油耗和排放，进一步提高整车性能。

传统汽车的动力系统，其电源上下电管理是无法满足混合动力汽车应用的，混合动力汽车有其自身的能量源管理策略[1]。这是因为，混合动力汽车的动力系统与传统汽车的动力系统相比，前者在后者的基础上，增加了高压动力电池组、驱动电机、启动发电一体机及其对应的电机控制器、逆变器等复杂的电力电子器件，这些都装备至整车中形成了较为庞大的混合动力系统架构。因此，为了满足混合动力汽车动力系统新增的零部件上下电需求和说明各控制器的运行状态，需要对混合动力车辆的高低压电源上下电管理进行分析，并对其高低压上下电过程涉及的诊断策略及控制方法进行阐述。

2 传统汽车电源管理

因为传统汽车没有类似混动汽车的高压部件，其电源管理主要为12 V低压系统的弱电管理。通过12 V蓄电池给传统车上的低压电气附件供电，比如给各控制器、低压用电器等，来实现整车的上下电管理。传统汽车的电源上下电管理模式执行如下的流程步骤。

（1）钥匙在OFF档时，低压用电器及控制器处于断电状态。

（2）钥匙在ACC档时，部分低压电器开始工作。

（3）钥匙在ON档时，整车上所有控制器全部工作。

（4）钥匙在Start档时，发电机得电开始运转并拖起发动机至预定的转速后开始喷油点火完成发动机起动。

传统汽车的电源上下电管理是通过钥匙开关的机械结构来完成的，如上述步骤分析，在上下电过程中钥匙档位一般分为OFF、ACC、ON、Start档位，在不同的档位下，控制器按预定的设计需求进行工作。

3 混合动力汽车电源管理

混合动力汽车构型方案至少应有两个以上的动力源，一部分的动力来自传统发动机，另一部分来自高压动力电池和电机驱动系统[2]。高压动力电池、电机驱动系统及高压线束等均属于强电范畴，电机驱动的能量来源于高压动力电池提供[3]。除了电池系统、电机系统等高压部件，还要引入与之相对应的控制器，包括整车控制器（HCU，Hybrid Control Unit），动力电池管理系统（BMS，Battery Management System），电 机 控 制 器（MCU,Motor Control Unit），再加上原有车上的发动机控制器（EMS,Engine Management System）等部件，这就构成了混合动力汽车极为庞大复杂的电气架构。

混合动力汽车电源管理模式不同于传统汽车，因其包括了12 V低压弱电和高压强电两方面的电源管理[4]，为了保证整车高低压电源上下电的安全性及可靠性，上下电过程的每一步骤中涉及的信号状态必须经过各控制器之间相互确认和反馈。因此，混合动力汽车高低压电源上下电管理应当遵循一定的流程。

3.1 高压上电流程

在保证安全的前提下，混合动力系统应执行如下图1的高压上电流程步骤。

（1）当没有插上汽车钥匙时，即在钥匙OFF档位下，混合动力系统各控制器处于用电关闭状态。

（2）当插上钥匙并且将钥匙拨至ON档位后，相关的控制单元如整车控制器HCU、电池管理系统BMS、驱动电机控制器MCU、DCDC等控制器将会执行初始化自检，完成低压上电。

（3）当把钥匙从On档位转向Start起动档位后，HCU将通过CAN总线发送混合动力系统使能信号给相关控制器，告之动力系统准备高压上电。

（4）相关的控制器（如BMS、MCU、DCDC等）在收到该混合动力系统使能信号后，并且确保在没有故障发生的前提下，电池管理系统BMS将对高压母线进行预充电控制。

图1 高压上电流程

（5）高压母线一旦预充过程结束，BMS将会通过CAN总线发送高压主继电器闭合信号指令。在收到主继电器闭合信号及没有故障发生的前提下，MCU和DCDC将控制IGBT管门驱动，进入准备状态。

（6）所有控制器都会发出各自的响应信号给HCU，以此说明自身控制器的状态。HCU控制器在收到来自BMS、MCU、DCDC状态及无故障的信息反馈后，HCU将会发送混合动力系统准备就绪信号，并在仪表上显示Ready信号提示灯[5-6]。至此，混合动力系统高压上电过程完成。

3.2 高压下电流程

当钥匙转至OFF档位或者拨出时，混合动力系统执行如下图2的高压下电流程步骤。

图2 高压下电流程

（1）车辆下电时，整车控制器HCU接收钥匙信号并判断动力系统断电命令。

（2）HCU将会发送动力系统准备关断信号指令给各个控制器，包括BMS、MCU、DCDC等。

（3）MCU收到高压下电的指令后开始做三相交流绝缘检测，并在交流绝缘检测结束后，向HCU反馈信号。

（4）HCU向电池管理系统发出指令，命令BMS打开高压主继电器。

（5）BMS在接收到打开高压主继电器的指令后，开始执行高压下电流程，控制将母线电压降至一定范围之内。此时，若各控制器均无故障，HCU将进入电源断开模式，各控制器BMS、MCU、DCDC等亦全部进入电源断开模式。至此，混合动力系统高压下电过程完成。

与传统汽车的整车电源上下电管理流程相比，混合动力汽车在上下电流程中采用高压电池主继电器状态控制、电机状态控制及DCDC状态控制代替了发动机控制器的上下电时序，同时也能有效利用起动发电一体机来起动车辆。

由于混合动力汽车的特点，各控制器的运行状态是否正常，会影响整车高压上下电的正常流程。在电源上下电管理流程中除了考虑混合动力系统的特点以满足正常安全上高压，还要考虑到高压母线电流及电压、高压动力电池预充电、电机控制模式、绝缘检测、信号传送等情况，以保证并判断上下电流程能否正常进行或者进入故障处理模式。

4 故障诊断及处理

一般正常情况下，混合动力汽车将执行前述的电源上下电管理流程。但是，在实际过程中若出现如整车绝缘电阻值低、电池端电压低等异常情况，，则会给高低压电源上下电过程带来安全隐患[7]。另外，高压互锁回路是否处于正常状态也是上下电故障管理要考虑的因素。为此，在电源上下电管理流程执行时应考虑可能出现的故障以及与之相应的故障处理策略，减少出错的概率。下面将从预充电及母线电压诊断、绝缘电阻检测、高压互锁检测及系统通信超时诊断这四个方面来对故障诊断处理进行展开说明，见图3。

4.1 预充电及母线电压诊断

动力电池是由大量单体电池串联形成的高压电池包。动力电池组的电流、电压输出由电池管理系统进行控制。当整车需要上高压时，整车控制器HCU向电池管理系统BMS发送高压上电指令，BMS控制动力电池高压主继电器导通，动力电池通过预充电电阻给电机逆变器端的预充电电容进行充电，当其端电压达到预设值时，才允许逆变器端正式接入动力电池端。高压下电时，待BMS控制动力电池高压主继电器断开以后，电机逆变器电容要进行主动放电后，才能完成高压下电过程。

图3 故障诊断处理分类

为避免瞬时电流过大及母线电压超过预设值，在上高压电之前应进行检测动力系统是否出现故障，如果电机端电压过大，电机应主动进行放电，将电能释放完毕，然后再执行正常上电流程。如果检测到母线电压不满足范围值要求，则HCU发现故障后应禁止高压上电转入下电流程。

4.2 绝缘电阻检测诊断

为保证人员免遭高压触电风险，高压系统应当进行绝缘电阻检测诊断，若绝缘电阻值过小，整车控制器HCU应当发送高压主继电器断开的指令。与传统汽车上下电不同，在混合动力汽车高压上下电和动力系统运行过程中，绝缘检测是由电池管理系统BMS负责完成的，HCU会记录上次下电流程中出现的绝缘故障，检测结果和故障等级描述如下。

（1）当绝缘值处于某一范围[x,y]时，HCU将记录绝缘故障等级1，此时可以不点亮混合动力系统故障警告灯。即若上次下电过程中曾出现过等级1的绝缘故障，还是允许上高压的。故障等级1的严重度低于故障等级2。

（2）当绝缘值低于某一值x时，HCU将记录绝缘故障等级2，并要立刻禁止混合动力系统功能，同时将混合动力系统故障警告灯点亮。车辆需要进行电路等故障排查，另外在排查完之后，绝缘故障必须通过诊断设备彻底清除。

4.3 高压互锁检测诊断

混合动力汽车上一般会设置高压互锁回路用于检测电气回路的状态。当高压互锁回路断开时，表示某一高压部件的低压或高压连接断开，此时车上的人员有可能会接触到高压电从而造成触电伤害，因此电池管理系统BMS在检测到高压互锁断开信号之后应当立即断开相应的高压电池继电器以切断高压输出。在BMS初始化完成后，实时发送高压互锁的状态给整车控制器HCU。

整车控制器HCU对动力系统的控制需要考虑高压互锁的状态，具体控制策略描述如下。

（1）如果在高压主继电器闭合之前收到高压互锁的状态为断开时，HCU不能再发送主继电器闭合的指令给BMS。

（2）如果在高压主继电器闭合之后收到高压互锁的状态为断开时，HCU的处理策略为：若车速小于某一值（如5 km/h），HCU将发送关闭高压系统的指令，此时BMS应响应HCU发送的高压主继电器打开或闭合信号命令；如果车速高于某一值（如5 km/h），HCU将综合考虑车辆的其他状态（如安全性等）来控制车辆，如果HCU判断可以关闭高压系统，那么BMS亦应响应HCU发送的高压主继电器打开或闭合信号命令。

4.4 网络通信超时诊断

由前述内容可知，每一项电源上下电管理步骤的有效实施均需要借助CAN网络通信，如果CAN通信出现异常，将会对整车高低压上下电流程造成严重影响。在上下电过程中要进行CAN通信诊断，诊断机制包括帧超时（Frame Time out），通信中断（CAN Bus off）等，如果在预定的时间内，控制器相互之间没有收到指定的信号，则会出现CAN通信故障，此时整车依据故障类别执行相应策略，通信中断时，动力系统应转入下电流程。

5 实车试验结果及分析

通过在某样车中进行试验，依次操作钥匙从Off档、ACC档、On档至Start档，观察仪表盘显示，并利用CANoe等诊断工具进行实车数据采集分析，得到相关数据以分析结果是否合理及有效。

在高压上电流程中，当驾驶员将钥匙拨至Start档位时，整车控制器HCU会要求电池管理系统BMS闭合高压主继电器，当高压主继电器闭合信号后BMS反馈该信号给HCU，HCU将会向电机控制器MCU发送电机使能命令，当MCU反馈电机上高压电状态信号和电机处于转矩可输出状态后，HCU会将动力系统准备就绪信号使能，仪表上也会有相应的Ready信号灯显示，表明此时车辆处于可行驶的状态，则高压上电完成。

在高压下电流程中，当驾驶员将钥匙转至OFF档位时，整车控制器HCU会先关闭电机使能，待电池管理系统BMS通过CAN总线反馈高压下电完成之后，电机将进行自放电操作，直至电机母线电压降至安全阈值内，则高压下电完成。

6 结束语

本文详细描述了混合动力汽车电源高低压上下电管理流程及控制方法，详细分析了混合动力汽车各控制器的上下电步骤流程，并且从上下电流程中的预充电管理、电机母线电压检测、绝缘检测、高压互锁检测及网络通信超时方面进行故障策略研究及分析。最后结合某样车实例，通过试验及数据分析验证了相关电源上下电管理流程控制方法的有效性和可靠性。