某新能源物流车整车控制策略

吕建龙 张兴起 程济秋 范佃英

（1.青岛澳柯玛专用车有限公司；2.山东双全电机有限公司）

新能源物流车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术和新结构的汽车。新能源物流车具有高效节能、绿色环保的特点，是世界各国为应对能源环境问题而推行的新一代交通运输工具[1]。我国新能源物流车主要以混合动力、纯电动和燃料电池作为三大主流发展方向。文章对整车控制器（VCU）组成部件的控制进行论述，重点对整车上下电流程、充放电、电机控制器（MCU）控制、电池管理系统（BMS）控制、整车其他零部件控制、故障处理、设变修改等策略进行分析。

1 整车CAN网络架构

新能源物流车使用了基于CAN 总线的控制网络，系统目前有7 个节点分别连接到2 条不同的CAN 总线[2]，如图1所示。表1示出新能源物流车CAN 总线的网络描述。

图1 新能源物流车CAN 总线拓扑结构

表1 新能源物流车CAN 总线的网络描述

2 整车控制器功能

整车控制器（VCU）通过CAN 总线网络对新能源物流车动力链的各个环节进行管理、协调和监控，以提高整车能量利用效率，确保车辆的安全性和可靠性。具体功能包括：汽车驱动控制、制动能量回馈控制、整车能量优化管理、故障诊断及保护、网络管理、车辆状态监视。

3 整车控制策略

3.1 整车上下电流程

3.1.1 上电流程

点火开关置于KEY_START：

1）VCU 上电后，判断系统自检是否正常，若不正常则上报“整车故障”，不执行任何指令；若正常则判断是否收到BMS 故障，若“是”则上报“电池故障”，不执行任何指令；若无故障则闭合预充继电器，进入预充电阶段。

2）预充继电器闭合后8 s 内，判断电机报文“直流侧电压”与电池电压压差是否小于25 V，若“是”则VCU 判断预充电完成，闭合主接触器，然后断开预充继电器；否则，VCU 上报“预充超时故障（VCU 内部上报）”和“整车故障”，断开预充继电器，不允许闭合主接触器。

3）主接触器闭合后，若有钥匙START 信号，则向仪表发送“运行准备就绪”（READY），否则不发送任何指令。

4）如果 MCU、BMS 均正常且“运行准备就绪”（READY）之后，VCU 控制车辆进入待命状态。首先检测挡位，在N 挡且加速踏板开度为0 的条件下，VCU检测制动开关信号、挡位信号及加速踏板信号。

5）VCU 必须在上高压完成后，可使能DC-DC、空调、电暖风；在电量（SOC）＜10%时，停止空调、电暖风等高压电器的工作，同时保持DC-DC 的正常工作状态。若DC-DC 上报故障，则VCU 根据DC-DC 故障措施进行处理，并不进入“限功率”。

3.1.2 下电流程

下电流程步骤为：

1）当 KEY_ON 下电后，VCU 下发 MCU 的输出扭矩归零，停止驱动电机的一切指令，然后下发BMS 断开主负接触器指令，待主负接触器状态为“0”后，断开高压配电盒主接触器；

2）使所有控制继电器下电，使相应的高低压电器停止工作。

3.2 整车充电流程

当VCU 检测到充电信号后，进入充电控制程序，不响应踏板信号，车辆处于不可行驶状态，VCU 进入充电模式并点亮充电指示灯，策略如下：

1）充电时：当SOC＜90%时，以4 s 周期闪烁点亮仪表充电指示灯；当90%≤SOC＜100%且充电电流大于1 A 时，以2 s 周期闪烁点亮仪表充电指示灯；当95%≤SOC＜100%且充电电流小于1 A 时，熄灭仪表充电指示灯。

2）放电时：当SOC＜20%时，以7 s 周期闪烁点亮仪表充电指示灯；当SOC＜10%时，以6 s 周期闪烁点亮仪表充电指示灯。

3.3 整车驱动控制策略

图2示出新能源物流车整车驱动控制策略图，其由驾驶员驾驶意图解析、车辆模式管理及能量管理算法三部分组成[3]。在驾驶员驾驶意图解析模块中，整车控制策略通过钥匙信号、挡位状态模式、加速踏板位置传感器和制动踏板位置传感器捕获驾驶员的操作过程，从而得到驾驶员的驾驶意图。当车辆进入正常运行后，在能量管理算法中，控制策略根据加速踏板位置传感器、制动踏板位置传感器的信号以及不同的运行模式，能够分配车辆的驱动力矩或制动力矩。

图2 新能源物流车整车控制策略框图

3.3.1 电机控制策略

1）VCU 接收到KEY_START 指令后，根据驾驶员需求给MCU 发送电机启动指令；当电机状态为运行后，VCU 会根据踏板开度给MCU 发送扭矩指令驱动汽车行驶。

2）KEY_ON 下电后，VCU 向 MCU 发送电机停止指令，然后切断MCU 电源输入。

3.3.2 制动能量回馈

电动汽车的制动回馈策略为：当驾驶员踩下制动踏板时，VCU 根据制动踏板位置与电机允许的最大制动扭矩计算出驾驶员所需求的制动扭矩，同时根据电池的SOC、电压、电流、最大充电电流和电压、BMS 故障等计算出电池最大允许的充电功率，以保证整车的功率不超出电池的最大允许充电功率，根据电机的转速得出整车所允许的最大制动扭矩，取两者最小值，最终得到电机制动回馈扭矩。

3.4 电机控制器（MCU）控制策略

MCU 在整车中的主要职能为接收并及时响应VCU 的控制命令信号，将控制命令转换到主回路控制电机运转。图3示出新能源物流车电机控制系统结构示意图。

图3 新能源物流车电机控制系统结构示意图

3.4.1 驱动电机系统接口及原理

图4示出新能源物流车电机系统内部结构图。

图4 新能源物流车电机系统内部结构图

电机控制系统包括MCU 和驱动电机，MCU 内部主要是电源变换器和MCU 主控板，具体如图4所示。MCU 的主要工作是接收整车CAN 网络中的控制信号（来自VCU），并转换为控制驱动信号，驱动DC/AC 模块，将电池包的直流电逆变为交流电后为电机供电。

3.4.2 MCU 上电逻辑

本车型的MCU 为动力电池供电，不含12 V 供电。预充电回路放置在高压配电盒（PDU）内部，由VCU 控制。预充电过程结构示意，如图5所示。

图5 新能源物流车预充电过程结构示意图

预充电时整车完成上高压过程，车辆还没有进入行驶模式，只有当VCU 接收到钥匙START 信号时，车辆才能够进入行驶准备就绪状态（READY），驾驶员才可以操作车辆行驶。

3.4.3 MCU 下电逻辑

矿山工业厂房的设计，不仅要考虑建筑的使用功能满足生产实际需要，建筑设计符合设计规范标准外，矿山的厂区布局、建筑体型、建筑结构体系、建筑立面外观和节能环保都需顺应时代潮流，确保矿山建筑跟上时代的发展。让矿山工业建筑更能体现人性化关怀，给工作人员提供更好的工作环境，减轻工作疲劳。响应“既要金山银山，更要绿水青山”的可持续发展号召，把每一座矿山建设成优美的地质公园是未来矿山发展的趋势，所以矿山工业厂房的设计势必突破传统设计理念，拓宽建筑设计思路。

当KEY_ON 下电后，VCU 切断主回路电源，MCU向驱动电机输出为零并进入主板放电过程，正常下电。

3.5 电池管理系统（BMS）控制策略

电池包及BMS 是纯电动汽车的能源供给中心，为整车提供所有的动力。BMS 的主要工作是管理串、并联在一起的电池安全可靠地工作。新能源物流车电池包及BMS 内部结构示意图，如图6所示。

图6 新能源物流车电池包及电池管理系统示意图

BMS 采集电池包的总电压、总电流以及电池单体的电压和电池包各个位置的温度，监控电池包及单体的安全充放电，与整车进行CAN 通信[4]。

1）BMS 上电逻辑。当钥匙开关置于KEY_ON 时，BMS 开始上电，首先进行自检，自检完成并无故障时，待接收到VCU 发送的允许闭合指令后，闭合电池包内的放电总负继电器，上电完成。

2）BMS 下电逻辑。当 KEY_ON 下电后，BMS 断开电池包主回路，完成下电。

3.6 整车其他零部件控制策略

DC-DC 设备的功能是将整车的高压直流电转换成整车12 V 低压电，为整车提供持续的低压电源。图7示出新能源物流车DC-DC 系统结构示意图，展示出DC-DC 模块在整车上的连接方式和功能。当整车钥匙开关置于KEY_ON 的时候，DC-DC 转换器并不启动，只有当整车成功进入 READY 模式后，VCU 输出DC-DC 使能信号，DC-DC 转换器才开启。

图7 新能源物流车DC-DC 系统结构示意图

3.7 故障处理策略

3.7.1 BMS 故障处理策略

BMS 故障处理策略如下：

一级故障：VCU 发送相应故障码，点亮整车故障灯。当前循环故障消失，可消除故障码。

二级故障：VCU 限功率为正常额定功率的50%，点亮电池电压低指示灯、整车故障灯及限功率指示灯，上报故障码。当前工况故障可恢复，可消除故障码及熄灭指示灯。

三级故障：上报故障信息、故障码并点亮电池电压低指示灯、整车故障灯。VCU 切断动力输出扭矩为0，若故障出现5 s 内车速低于15 km/h，则直接切断高压。切断高压后，需重新上下电，故障、指示灯当前循环不消除。

3.7.2 MCU 故障处理策略

MCU 故障处理策略如下：

一级故障：上报故障码并点亮整车故障灯。当前循环故障消失，可消除故障码及熄灭故障灯。

二级故障：VCU 限功率为正常峰值扭矩的10%，点亮整车故障灯，上报故障码。当前工况故障可恢复，可消除故障码、熄灭整车故障灯。

三级故障：上报故障信息、故障码并点亮整车故障灯。VCU 切断动力输出扭矩为0，无切断高压处理。需重新上下电，整车故障灯及故障码当前循环不消除。

3.7.3 VCU 故障处理策略

VCU 故障处理策略如下：

一级故障：上报故障码并点亮整车故障灯。当前循环故障消失，可消除故障码及熄灭故障灯。

三级故障：上报故障信息、故障码并点亮整车故障灯。VCU 切断动力输出扭矩为0，无切断高压处理。需重新上下电，整车故障灯及故障码当前循环不消除。

3.8 设变修改相关策略

增加BMS 二级、三级故障点亮电池包电压低指示灯要求：1）BMS 上报的所有二、三级故障，VCU 均会触发仪表BMS 电压低指示灯并立即点亮，依据故障消除条件，所有故障消除，则熄灭电压低指示灯；2）触发电池包电压低指示灯，故障参照通信协议。

SOC≤15%时，修改 VCU 限功率值：1）VCU 接收到BMS 的SOC≤15%及BMS 二级限功率处理后，将执行限功率处理，将限制功率设置为额定功率的50%，待限功率启动后，VCU 将依据协议要求发送限功率报警灯；2）SOC≤10%时自动关闭空调；3）BMS 触发 VCU 限功率故障，根据通信协议确定。

4 结论

新能源物流车整车控制系统以VCU 为核心部件，由电机、电池、控制器、充电系统及外围辅助系统共同构建[5]。新能源物流车整车控制策略的根本就是VCU的策略，其中包括整车网络管理、工作模式控制、驱动控制及能量管理等。而VCU 的开发包括系统分析及实车验证测试等，在整车测试过程中需按照整车通信协议进行调试，各零部件在此协议下采用CAN 通信，同时电气部件的线束及接插件都应按照新能源车的标准制作，保证各项性能指标的可靠实现。文章中所述的新能源物流车控制策略在设计开发流程需重点监控，在实践层面上，对整车开发具有一定的指导意义。