混合动力汽车高压上下电控制策略

刘卫东， 彭玉环， 吴方义， 王爱春

（江铃汽车股份有限公司， 江西 南昌 330001）

近年来，在国家相关政策的大力支持鼓励下，越来越多的主机厂开展了新能源汽车，包括混合动力汽车的研发，并投入市场。在双积分政策的压力下，主机厂已经开始面临油耗压力，力争通过提升新能源车产销来增大企业平均油耗的分母。尽管中国发展新能源车的政策驱动力很强，混合动力新能源汽车技术难度大，但将是应对未来中大型车降低油耗压力、提高续航的可靠手段。在这样的产业发展背景下，插电式混合动力汽车必将迎来一波发展浪潮［1］。

1 初始化及高压上下电控制

当智能钥匙在车内且合法有效，换挡杆挡位处于P/N挡，踩下制动踏板，按下启动按钮，车辆开始启动，车辆启动包括纯电启动与发动机启动：①当电池包允许放电电流小于一定值时，或电池包电量SOC小于一定值时，只允许发动机启动；②当电池包允许放电电流大于一定值，且电池包电量SOC大于一定值时，采用纯电启动。无论是发动机启动还是纯电启动，都需要完成启动电子防盗认证。

车辆启动电子防盗控制由发动机控制单元ECM、牵引力电机控制器MCU、动力控制模块HCU、被动进入/一键启动模块PEPS和智能钥匙参与控制［2］。

首先智能钥匙与PEPS完成钥匙认证，认证成功后，整车进入IGN ON，HCU、EMS、MCU完成相应初始化工作。同时PEPS开始确认如下条件1是否全部满足。

条件1：①电源模式处于IGN ON；②制动踏板信号有效；③挡位处于P或N挡位；④车速小于3km/h；⑤智能钥匙认证成功；⑥电子转向柱锁解锁成功；⑦发动机或电机转速为0。

若满足以上条件1，防盗认证成功，PEPS发送启动请求信号给VMS，VMS进入高压上电过程。在完成初始化之后，HCU同时确认电池包状态，当高压电池包允许放电电流及动力模式开关状态符合以下条件2中的任意一条。

条件2：①SOC小于一定值；②高压电池包允许放电电流小于一定值；③SOC大于一定值且高压电池包允许放电电流大于一定值且动力模式开关为HEV模式。

HCU将整车动力模式置为HEV模式，当高压电池包电量SOC、高压电池包允许放电电流及动力模式开关状态符合以下条件3。

条件3：①SOC大于一定值；②高压电池包允许放电电流大于一定值；③动力模式开关为EV模式。

HCU将整车动力模式置为EV模式。当高压上电完成之后，HCU成功接收整车模式信号为驾驶模式后，HCU开始控制动力系统，并确认当前动力系统是否就绪，动力系统就绪需要满足以下条件4。

条件4：动力系统就绪后，HCU通过总线反馈动力系统就绪并判断是否需要采用发动机启动。①当不需要采用发动机启动，整车EV启动完成，仪表显示整车可用于驾驶等信息；②当需要启动发动机，HCU通过总线发送启动请求信号给发动机控制模块ECM，并判断外界环境温度；③当外界温度小于一定值时，HCU通过总线发送冷启动请求信号给PEPS，PEPS确认条件1满足，断开ACC与IGN2继电器，同时通过总线发送冷启动允许信号给HCU，HCU接收到有效信号后，控制冷启动继电器吸合，通过冷启动继电器带动发动机启动，当PEPS接收到发动机控制模块反馈的发动机启动成功信号之后，重新吸合ACC与IGN2继电器；④当外界温度大于一定值时，HCU控制采用P0电机带动发动机启动。发动机控制模块确认发动机转速，并控制喷油点火，当发动机启动成功后，通过总线反馈发动机状态，整车发动机启动完成。控制采用发动机启动并发送发动机启动请求信号给发动机ECM，发动机ECM接收该信号后发送认证请求给HCU，开始防盗认证，当HCU接收发动机防盗认证成功信号之后，发送起动机工作请求信号给PEPS，PEPS确认是否满足条件1，当满足条件1后，PEPS断开ACC与IGN 2继电器，并发送起动机允许吸合信号给HCU与发动机ECM，HCU接收该信号之后吸合起动机继电器，ECM确认发动机转速满足要求，开始喷油点火控制，车辆完成启动工作。

无论是发动机启动成功还是纯电启动成功，之后如果需要从IGN ON启动车辆，从上一次认证成功30s之内启动车辆，不需要再进行防盗认证，超过30s，启动车辆需要重新进行防盗认证。

车辆起动之后，按下EV或HEV模式切换开关，从纯电模式切换至混合动力模式，或从混合动力模式切换至纯电模式，不需要再进行防盗认。启动防盗认证如图1所示。

图1 启动防盗认证示意图

2 高压互锁保护控制

高压工作电压范围为220～420V，为保证整车漏电安全，整车具备高压互锁保护控制。整车高压互锁由图2所示的控制电路实现。

图2 整车高压互锁控制示意图

当整车控制模块VMS确认高压允许上电后，VMS控制HVIL_OUT输出高电压，如果所有高压零部件（MCU、ACU、P0 Motor、P3 Motor、DC-DC、OBC、BP） 的高压接插件正常连接，继电器R1吸合，同时VMS采集HVIL_IN信号，并确认HVIL_IN 信号符合要求 （高电平有效），若VMS 检测HVIL_IN信号不满足要求，则控制停止HVIL_OUT高电平的输出。

在整个高压互锁控制过程中，假如断开维修开关，VMS检测HVIL_IN信号不满足要求，停止HVIL_OUT高电平的输出，同时R1继电器断开，BMS高压断电［3］。

3 高压预充电及上下电控制

3.1 启动高压上电控制

当VMS接收到有效启动请求信号之后，总体确认以下条件满足，VMS控制HVIL_OUT输出高电平，同时通过总线发送启动高压上电请求信号给BMS。若所有高压零部件高压接插件连接正常，R1继电器吸合。

①制动踏板踩下且信号有效（硬线信号）；②挡位处于P挡或N挡（硬线信号）；③启动请求信号有效；④动力系统正常；⑤DC/DC正常；⑥BMS及电池系统正常；⑦CAN通信正常。

如上述条件满足，HVIL_OUT高电平输出后，判断HVIL_IN信号符合要求 （高电平有效），则通过总线发送高压上电指令。BMS高压继电器获得驱动电压之后，BMS接收到有效的上电请求信号，BMS控制预充继电器吸合。预充电继电器吸合后，BMS通过总线发送预充继电器状态信号给VMS，VMS接收到该有效信号后，将高压状态信号置为Activation，同时BMS将主正、主负继电器状态反馈给VMS，VMS接收到继电器闭合的信号后，将整车高压状态置为ON，高压上电完成。

如不满足要求，预充电失败，BMS断开预充电继电器，整车高压上电失败，同时BMS通过总线信号将高压上电失败状态反馈给VMS，VMS将整车模式置为Termination Mode，并发出高压下电指令。

若高压上电指令发出1s之后，BMS主正继电器未闭合并且未反馈预充失败信号，则VMS自行判断预充失败，将整车模式置为Termination Mode，并发出高压下电指令。

当在启动高压上电过程中预充失败，此时VMS重新检测启动条件，当制动踏板踩下，启动按钮按下，VMS重新接收到PEPS发送的有效启动请求信号之后，重新进入高压上电。若重复上高压电次数大于5，则VMS禁止上高压电。

3.2 充电高压上电控制

当VMS接收到有效的充电枪插入信号之后，确认以下条件满足，VMS控制HVIL_OUT输出高电平，同时通过总线发送高压上电请求信号给BMS。若所有高压零部件高压接插件连接正常，R1继电器吸合。

①充电枪插入信号有效；②挡位处于P挡；③动力系统正常；④DC/DC正常；⑤BMS正常；⑥OBC正常；⑦CAN通信正常。

若上述条件满足，HVIL_OUT高电平输出后，判断HVIL_IN信号符合要求 （高电平有效），则通过总线发送高压上电指令。

3.3 运行高压下电控制

高压下电是由VMS与BMS主导控制。高压下电分为正常高压下电过程及紧急情况下电过程。在高压下电控制过程中，MCU与ACU会根据电机温度，优先请求冷却风扇工作，进行降温处理，从而保护电机防止过热。

整车高压上电中，按下启动按钮，整车进入POWER OFF状态，此时，VMS将整车模式置为终止模式，同时将高压状态置为Termination状态，并发送总线信号控制DC-DC停止工作，同时继续吸合CG继电器，进入下电等待阶段。

DC-DC接收到有效停止工作信号后，控制高低压转换工作停止，停止工作后，反馈DC-DC工作状态。

HCU接收VMS发送的整车“终止模式”状态信号，通过总线控制高压动力电机停止工作，当动力电机停止工作后，HCU通过总线信号将动力系统状态反馈给VMS。当P0电机与P3电机温度过高时，HCU通过总线发送冷却风扇请求信号给发动机控制单元ECM，当电机温度冷却至允许范围之内，HCU通过总线发送冷却风扇停止工作信号，VMS允许CG继电器断开。

当VMS接收到DC-DC及动力系统零部件停止工作状态信号后，发送高压下电请求信号给BMS，BMS接收高压下电请求信号之后，控制主正和主负高压继电器断开，并反馈电池包状态信号给VMS，VMS接收到该信号之后，同时确认主正主负继电器处于断开状态之后，控制HVIL_OUT接口停止输出。

当VMS发送高压下电请求信号之后开始计时，当超过1s之后，BMS依然未反馈电池包下电状态信号或者主正主负继电器依然处于吸合状态，VMS无条件停止HVIL_OUT接口的电气输出。

VMS控制HVIL_OUT接口停止输出，同时通过总线发送高压放电允许信号给HCU，HCU接收到该有效信号之后，控制MCU进行高压放电。当MCU高压放电完成之后，MCU通过总线将放电完成状态发送给VMS，VMS接收到该有效信号后，才允许CG继电器断开。

VMS控制HVIL_OUT接口停止输出后，将高压状态置为OFF状态。CG继电器的关闭条件：①BMS反馈继电器断开；②HVIL_IN检测到低电平；③高压放电完成；④冷却风扇停止工作。

3.4 充电高压下电控制

当充电完成后，BMS通过总线信号控制OBC停止工作，OBC接收到有效信号之后停止高压充电工作，并将OBC状态信号反馈给BMS。BMS通过总线信号将充电完成状态信号发送给VMS，VMS接收到该有效信号后，或者充电枪插入信号无效，将整车模式置为Termination Mode，同时将高压状态置为Termination状态，并发送总线信号控制DC-DC停止工作，同时继续吸合CG继电器，进入下电等待阶段。

DC-DC接收到有效停止工作信号后，控制高低压转换工作停止，停止工作后，反馈DC-DC工作状态。HCU接收VMS发送的整车“终止模式”状态信号，HCU通过总线信号将动力系统状态反馈给VMS。

当VMS接收到DC-DC及动力系统零部件停止工作状态信号后，发送高压下电请求信号给BMS，BMS接收高压下电请求信号之后，控制主正和主负高压继电器断开，并反馈电池包状态信号给VMS，VMS接收到该信号之后，同时确认主正主负继电器处于断开状态之后，控制HVIL_OUT接口停止输出，同时检测HVIL_IN接口的反馈信号有效。

当VMS发送高压下电请求信号之后开始计时，当超过2s之后，BMS依然未反馈电池包下电状态信号或者主正主负继电器依然处于吸合状态，VMS无条件停止HVIL_OUT接口的电气输出。

VMS控制HVIL_OUT接口停止输出，同时通过总线发送高压放电允许信号给HCU，HCU接收到该有效信号之后，控制MCU进行高压放电。当MCU高压放电完成之后，MCU通过总线将放电完成状态发送给VMS，VMS接收到该有效信号后，才允许CG继电器断开。

VMS控制HVIL_OUT接口停止输出后，将高压状态置为OFF状态。CG继电器的关闭条件和运行下电相同。

3.5 故障下电

当整车高压控制系统、高压零部件等出现故障时，VMS执行强制高压下电控制，故障下电过程同样也包括下电等待阶段、延时断电阶段以及断电完成阶段。在各阶段所需要完成的控制过程与正常下电过程一样。

在出现严重故障，如发生碰撞时进行紧急下电，VMS可以不考虑动力系统、OBC、DC-DC工作状态，直接通过HIVL_OUT断开高压。

4 总结

混合动力汽车的高压上下电控制策略复杂，但安全要求非常高。本次设计从整车的防盗、上下电、预充电、高压互锁、故障下电等多个方面，结合动力控制模块HCU、发动机控制单元ECM、车身控制器BCM、电机控制器MCU、被动进入/一键启动控制器PEPS等多个整车模块设计了安全、可靠的策略方案，并已经过批量生产验证。