軍用混合動(dòng)力汽車高壓管理的預(yù)充控制策略

黎云兵，茍 斌,楊國超，陽禩乾

(1.駐東風(fēng)汽車公司軍代室，湖北 十堰 442000； 2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430000； 3.東風(fēng)越野車有限公司，湖北 十堰 442000)

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軍用混合動(dòng)力汽車高壓管理的預(yù)充控制策略

黎云兵1，茍 斌2,楊國超2，陽禩乾3

(1.駐東風(fēng)汽車公司軍代室，湖北 十堰 442000； 2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430000； 3.東風(fēng)越野車有限公司，湖北 十堰 442000)

為降低沖擊電流對(duì)電動(dòng)汽車電器元件的沖擊，分析、對(duì)比電動(dòng)汽車上基于壓差控制和預(yù)充反饋控制的兩種高壓預(yù)充控制策略算法，提出一種混合控制策略。經(jīng)對(duì)某型軍用混合動(dòng)力車高壓管理分析，該混合控制策略使預(yù)充時(shí)間變長(zhǎng)，能有效地限制沖擊電流，適合高壓智能管理，有利于提高整車安全性能，且預(yù)充時(shí)間可以通過預(yù)充電阻的選擇使其滿足預(yù)充要求。

預(yù)充電；高壓管理；控制策略；混合動(dòng)力車

插電式混合動(dòng)力汽車、增程式混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車等主要由電池供應(yīng)能源，主要驅(qū)動(dòng)裝置均為電機(jī)，其附件如空調(diào)、電動(dòng)液壓系統(tǒng)等均采用電池直接驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)汽車的高壓驅(qū)動(dòng)負(fù)載包括容性負(fù)載、感性負(fù)載、阻性負(fù)載。容性負(fù)載回路的電容在直流上電瞬間相當(dāng)于短路，會(huì)帶來極大的電流沖擊，而這種電流沖擊對(duì)回路中的電池和電器元件都會(huì)造成極大的損壞[1]。為防止容性負(fù)載帶來的上電電流沖擊，每個(gè)容性負(fù)載回路都必須有預(yù)充電路，使得回路中電容在上電之前具有一定的電壓值，并在高壓管理中開發(fā)相應(yīng)的預(yù)充控制策略。電動(dòng)汽車的高壓驅(qū)動(dòng)為車輛安全帶來了新的挑戰(zhàn)和要求，將高壓回路進(jìn)行集成，并對(duì)高壓進(jìn)行管理將成為電動(dòng)汽車高壓安全的發(fā)展方向。

1 高壓管理

電動(dòng)汽車的高壓管理是指對(duì)車輛的高壓進(jìn)行集成控制和管理，保證車輛正常行駛；在車輛出現(xiàn)故障時(shí)，按照一定控制邏輯管理高壓回路，保證車輛和相關(guān)人員的安全。在高壓管理中，電動(dòng)汽車高壓配電系統(tǒng)屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要為電動(dòng)汽車中所有高壓回路提供高壓電的通斷，實(shí)現(xiàn)低壓控制高壓；同時(shí)保護(hù)每個(gè)高壓回路在出現(xiàn)短路和過電流狀況時(shí)，能夠及時(shí)切斷該回路，以免對(duì)整個(gè)高壓回路中的其他電器元件造成損壞，特別是能對(duì)電池起保護(hù)作用[2]。

某軍用混合動(dòng)力車型高壓回路主要包括輪轂電機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電動(dòng)液壓系統(tǒng)及DC/DC變換器，另外還配有充電接口。在高壓回路中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路、空調(diào)系統(tǒng)、油泵系統(tǒng)、DC/DC變換器均帶有容性負(fù)載，故需配有預(yù)充電路；直流充電回路也帶有容性負(fù)載，但預(yù)充電路已在充電機(jī)中配備。圖1所示為某軍用混合動(dòng)力車型的高壓配電系統(tǒng)高壓電路簡(jiǎn)圖。

圖1 高壓配電系統(tǒng)原理

圖中KM為直流接觸器，R為預(yù)充電阻，F(xiàn)use為電流熔斷器，它們是高壓配電系統(tǒng)中最重要的3類電器元件。

左前輪轂電機(jī)系統(tǒng)、右前輪轂電機(jī)系統(tǒng)、左后輪轂電機(jī)系統(tǒng)與右后輪轂電機(jī)系統(tǒng)為車輛的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件及上電特性一致，故通過KM5控制其高壓電的通斷，4個(gè)高壓回路并聯(lián)在一起。在KM5閉合之前，通過控制KM4經(jīng)預(yù)充電阻R2給輪轂電機(jī)系統(tǒng)的高壓回路進(jìn)行預(yù)充；通過KM7控制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的高壓回路的通斷，在KM7閉合之前，通過控制KM6經(jīng)預(yù)充電阻R3給發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的高壓回路進(jìn)行預(yù)充；附件DC/DC變換器與空調(diào)系統(tǒng)均為容性負(fù)載，通過KM9控制其高壓回路的通斷，兩個(gè)高壓回路并聯(lián)在一起，在KM9閉合之前，通過控制KM8經(jīng)預(yù)充電阻R4給DC/DC變換器與空調(diào)系統(tǒng)的高壓回路預(yù)充。電動(dòng)液壓系統(tǒng)為整車的轉(zhuǎn)向及制動(dòng)提供動(dòng)力，直接涉及車輛的安全性，為避免因其他系統(tǒng)故障引起的高壓保護(hù)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向及制動(dòng)系統(tǒng)失效，此高壓回路與其他高壓回路并聯(lián)為獨(dú)立的回路。

2 高壓預(yù)充電阻選型計(jì)算方法

對(duì)于容性負(fù)載回路，在高壓電上電瞬間，電容相當(dāng)于短路，為防止上電瞬間的大電流沖擊對(duì)回路中的電器元件造成損傷，故需要設(shè)置預(yù)充回路，在上電之前進(jìn)行預(yù)充，使回路中電容充電至一定電壓狀態(tài)才接通主回路。

電動(dòng)汽車中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器所在回路為主要供電回路，回路中所帶電容的電容值最大。將圖1中驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器所在回路進(jìn)行簡(jiǎn)化，其物理模型如圖2所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路高壓物理簡(jiǎn)化模型

KM1所在回路為供電主回路，KM2所在回路為預(yù)充回路，KM0所在回路為動(dòng)力電池主回路。圖2的上電順序?yàn)镵M0先閉合，再閉合KM2，開始進(jìn)行預(yù)充，預(yù)充完成后，閉合KM1，之后再斷開KM1。KM0和KM2閉合之后，由于R1遠(yuǎn)大于r1與r2之和，故等效電路中r1和r2的影響可以忽略不計(jì)，故預(yù)充回路的等效電路圖如圖3所示。

圖3 預(yù)充回路等效電路

圖3中：

(1)

式中：E為電池開路電壓，V；Rl為預(yù)充電阻阻值，Ω；C為高壓回路中等效電容，F(xiàn)；UC為電容兩端電壓，V；UR為預(yù)充電阻兩端電壓，V；PR為預(yù)充過程中預(yù)充電阻平均功率，W。

假設(shè)預(yù)充時(shí)間為t，通過式(1)得

Uc=E×(1-e-t/τ)

(2)

(3)

式中τ為時(shí)間常數(shù)，τ=R·C。

在預(yù)充過程中，預(yù)充電阻的最大瞬態(tài)功率PRm為

PRm=E2/R1

(4)

當(dāng)預(yù)充完成后，KM1閉合，預(yù)充回路將被短接，之后KM2斷開。上電瞬間的等效電路圖如圖4所示。

圖4 高壓上電瞬間等效電路

上電瞬間KM1兩端壓差UD和沖擊電流Is為

UD=E-UC

(5)

Is=UD/(r1+r2)

(6)

式中:r1為電池內(nèi)阻；r2為高壓回路中等效電阻。

從前面的分析可以看出來，預(yù)充就是為了減小上電沖擊電流Is，用以保護(hù)高壓回路電氣設(shè)備。將式(2)(5)(6)合并可得

(7)

式中預(yù)充時(shí)間t、預(yù)充電阻R1、沖擊電流Is均為未知數(shù)。

預(yù)充時(shí)間越短，車輛啟動(dòng)越快，故要求預(yù)充時(shí)間越短越好。沖擊電流主要受主接觸器的瞬時(shí)最大抗沖擊電流限制，對(duì)于直流接觸器，沖擊電流越大，對(duì)其壽命影響越大。預(yù)充電阻越小，預(yù)充時(shí)間會(huì)越短，其額定功率會(huì)越大，從而加大了預(yù)充電阻的選擇難度[3]。因此，應(yīng)當(dāng)綜合考慮以上3個(gè)參數(shù)，取適當(dāng)?shù)闹凳蛊渚軡M足要求，一般要求預(yù)充時(shí)間小于1 s。以某型軍用混合動(dòng)力車的輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路為實(shí)例計(jì)算，其主要參數(shù)見表1。

表1 某軍用混合動(dòng)力車型輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)回路主要參數(shù)

所選主接觸器KM1額定電流為300 A，10 s內(nèi)可抗沖擊電流為900 A。將沖擊電流Is分別定為300 A、600 A、900 A，預(yù)充電阻各參數(shù)隨預(yù)充時(shí)間t的變化曲線如圖5所示。

(a)預(yù)充電阻與預(yù)充時(shí)間的變化曲線

(b)預(yù)充電阻平均功率與預(yù)充時(shí)間的變化曲線

(c)預(yù)充電阻最大功率與預(yù)充時(shí)間的變化曲線圖5 預(yù)充電阻不同參數(shù)與預(yù)充時(shí)間之間的變化關(guān)系曲線

從圖5(a)中可得，當(dāng)Is一定時(shí)，t和R1之間呈線性關(guān)系：當(dāng)t一定時(shí)，R1隨著Is的增大而增大；當(dāng)R1一定時(shí)，t隨著Is的增大而增大。從圖5(b)和(c)中可以得，在t相同時(shí)，改變Is，PR和PRm均變化很小，基本可以忽略不計(jì)，即Is對(duì)預(yù)充電阻的標(biāo)稱功率選擇無影響。PR和PRm隨著t的增大而減小，即t對(duì)預(yù)充電阻的標(biāo)稱功率選擇影響較大。

一般線繞電阻在脈沖持續(xù)時(shí)間為5 s以內(nèi)時(shí)，可以承受標(biāo)稱功率5～10倍的瞬時(shí)功率，1 s以下的脈沖瞬時(shí)功率承受能力可以達(dá)到標(biāo)稱功率的20倍甚至更多。根據(jù)圖5的計(jì)算結(jié)果，綜合考慮選擇預(yù)充電阻的阻值和標(biāo)稱功率為75 Ω/200 W。

將所選擇的預(yù)充電阻代入計(jì)算，得到預(yù)充時(shí)間與電容兩端電壓UC、主接觸器兩端壓差UD、沖擊電流Is之間關(guān)系如圖6所示。從圖6(a)和(b)中可以看出，預(yù)充時(shí)間t大于1 s后UC、UD和Is均變化較小。

(a)電壓和預(yù)充時(shí)間之間的關(guān)系曲線

(b)沖擊電流和預(yù)充時(shí)間之間的關(guān)系曲線圖6 選定預(yù)充電阻下各參數(shù)與預(yù)充時(shí)間之間的關(guān)系曲線

3 預(yù)充控制策略分析

3.1 基于壓差控制策略分析

壓差控制是指控制主接觸器兩端閉合瞬間的電壓值，使其在一定范圍內(nèi)，保證主接觸器閉合瞬間的通過電流在承受的范圍值內(nèi)。在高壓回路中，r1和r2不變，只需控制主接觸器閉合瞬間兩端壓差就可以控制沖擊電流。采用該控制策略的整車上電邏輯如圖7所示。根據(jù)所選的KM1的型號(hào)和表1中所給的參數(shù)，確定最大壓差Uset=30 V，則Uset=UD=30 V。

基于壓差控制策略所計(jì)算的各個(gè)參數(shù)見表2，從表2可知得，所選的預(yù)充電阻能夠滿足要求。

表2 基于壓差控制策略所計(jì)算的各個(gè)參數(shù)

圖7 基于壓差控制策略下的高壓上電邏輯

3.2 基于預(yù)充反饋信號(hào)控制策略分析

預(yù)充反饋信號(hào)控制是指采用電容端反饋的預(yù)充信號(hào)表示預(yù)充完成，當(dāng)接受該預(yù)充反饋信號(hào)時(shí)，閉合主接觸器。采用該控制策略的整車上電邏輯如圖8所示。根據(jù)表1所給數(shù)據(jù)，確定預(yù)充反饋信號(hào)時(shí)，電容充電量為95%，則UD= (1-95%)×E=30 V。該控制策略所計(jì)算的各個(gè)參數(shù)見表3。從表3中可知，所選的預(yù)充電阻能夠滿足要求。

參數(shù)UD/VIs/At/sPR/WPRm/W數(shù)值305990．8210224770

3.3 混合控制策略分析

為了避免電壓的變化導(dǎo)致沖擊電流過大而損壞主接觸器，同時(shí)為了保證負(fù)載部件中的電容達(dá)到預(yù)充反饋值而不損壞其他電氣元件，設(shè)計(jì)一種混合控制策略。采用該控制策略的整車上電邏輯如圖9所示。由表1所給參數(shù)以及所選預(yù)充電阻，壓差控制和預(yù)充反饋控制兩種在預(yù)充過程中電流變化曲線與高壓回路上下電邏輯圖如圖10、圖11所示。由圖10可知，預(yù)充反饋控制策略下的沖擊電流大于壓差控制，但預(yù)充時(shí)間小于壓差控制，在該狀態(tài)下的混合控制策略的電流變化與壓差控制相同。由圖11可知，在電動(dòng)汽車高壓上電邏輯中，上電時(shí)先閉合負(fù)控主接觸器KM0，再閉合預(yù)充接觸器KM2，預(yù)充完成閉合KM1，斷開KM2；下電時(shí)KM0和KM1可以同時(shí)下電；在整個(gè)過程中，沖擊電流為KM0通過最大電流。

圖9 混合控制策略下的高壓上電邏輯

圖10 兩種控制策略下高壓回路電流變化曲線

圖11 高壓回路上下電邏輯

(a)沖擊電流隨動(dòng)力電池電壓變化曲線

(b)預(yù)充時(shí)間隨動(dòng)力電池電壓變化曲線圖12 3種控制策略下動(dòng)力電池變化對(duì)沖擊電流和預(yù)充時(shí)間的影響曲線

所討論的3種控制，動(dòng)力電池電壓的變化對(duì)沖擊電流和預(yù)充時(shí)間均有較大的影響，根據(jù)以上的計(jì)算所得的預(yù)充電阻，分析改變不同的動(dòng)力電池電壓對(duì)沖擊電流和預(yù)充時(shí)間的影響(如圖12所示)。從圖12中可以看出，在不同的動(dòng)力電池電壓下，基于壓差控制的控制策略能夠保證沖擊電流恒定不變，但預(yù)充時(shí)間會(huì)隨著動(dòng)力電池電壓的增大而增大；基于預(yù)充反饋的控制策略能夠保證預(yù)充時(shí)間恒定不變，但沖擊電流隨著動(dòng)力電池電壓的增大而增大，這樣就有可能由于電容預(yù)充容量設(shè)置的不合理導(dǎo)致沖擊電流過大而損壞主接觸器；混合控制策略能夠保證沖擊電流屬于兩種控制策略的最小值，但預(yù)充時(shí)間屬于兩者中的最大值，沖擊電流和預(yù)充時(shí)間與動(dòng)力電池電壓無嚴(yán)格的線性增長(zhǎng)關(guān)系[4]。分析表明，混合控制策略能夠很好地保護(hù)主接觸器和負(fù)載端電氣設(shè)備，提高電動(dòng)汽車的整車安全性能，而預(yù)充時(shí)間可以通過合理選擇預(yù)充電阻使其能夠滿足實(shí)際需求。

根據(jù)以上分析，該型混合動(dòng)力軍車的高壓回路預(yù)充電阻選型見表4，高壓回路上電順序見表5。該軍用混合動(dòng)力車型的上電總時(shí)間約為2.1 s，滿足整車的設(shè)計(jì)要求(≤3 s)。

表4 高壓回路預(yù)充電阻選型

表5 高壓回路上電次序

4 結(jié) 語

從汽車安全角度考慮，提出了高壓智能管理，基于高壓原理圖分析了預(yù)充的意義，簡(jiǎn)化相應(yīng)的物理模型，給出了預(yù)充電阻選型的計(jì)算方法。通過分析和對(duì)比兩種電動(dòng)汽車常用的預(yù)充控制策略的算法本質(zhì)，提出一種混合控制策略，混合控制策略能更好地限制沖擊電流和保護(hù)電器元件，使得主接觸器和負(fù)載元件得到良好的保護(hù)，提高了整車的安全性。

[1] 曹立波,童俊,鄧群,等.混合動(dòng)力客車高壓電安全性能研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào),2008,35(4):42-46.

[2] 朱建新,鄭榮良,卓斌,等.電動(dòng)汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究[J].汽車工程,2007,29(4):308-312.

[3] 傅榮杰.純電動(dòng)汽車高壓電氣安全管理與時(shí)間延時(shí)研究[J].變頻器世界,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.

(編輯：張峰)

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，碩士，助理工程師．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.05.009

U463．67

A

1674-2192(2017)05- 0036- 06

● 車輛工程 Vehicle Engineering