基于分級模型的電動汽車高壓電氣策略研究

李 東，沙文瀚，王 飛，劉 琳，曾羽飛

（奇瑞新能源汽車工程研究院，安徽 蕪湖 241000）

新能源汽車以電機作為驅動機構，以動力電池作為供電來源，以實現電力驅動作為產品的核心職能，衍生包括充電、高壓安全及空調控制等高壓功能。一系列功能設計需要有效的模型輔助進行策略架構和邏輯的設計。

行業內對于架構控制策略已經有一定的研究，并進行相應的驗證和搭載。如田晟等的純電動汽車上下電及電池管理系統故障控制策略對純電動汽車的上下電功能時序及電池的故障控制策略進行了解析。相比以往研究，該文對上下電過程中各控制節點的響應原則進行了定義，基于此提出了正常上下電及緊急上下電的控制策略。

韓友國等基于某款電動汽車設計相應的驅動控制策略，整車控制單元對用戶的駕駛意圖進行分析并建立相應的制動及驅動策略，以及基于動力電池的荷電狀態，建立相應的高壓安全保護策略。利賀等對增程式汽車目前主要存在的電能消耗-電能維持控制策略以及混合型控制策略進行分析，并提出了一種自適應控制策略，能夠識別車輛工況、智能控制增程器啟停和功率輸出。

1 功能策略分解

1.1 原理基礎

電動汽車的最核心功能是電力驅動，電能作為驅動能源，電機作為驅動模塊，電池作為儲能元件。其中電機及其驅動系統作為整車的動力模塊，根據整車控制器的控制指令，輸出相應的扭矩經減速器、半軸到達車輪，電子控制器和功率變換器是電驅系統的兩大主要模塊，動力電池為整車的儲能單元，實現對整車高壓電能的儲存及輸出，設計有充電系統，動力電池電能輸出完畢后，對電池進行電能補充，目前充電方式主要為直流充電和交流充電。

壓縮機及PTC為整車的空調系統元件，同樣采用高壓電能作為能源，PTC（加熱器）相當于加熱電阻，給PTC進行供電，PTC會產生熱量，通過鼓風機實現整車加熱需求；壓縮機同樣進行供電，會在蒸發器吸收大量熱量，通過鼓風機進行熱交換。

配電盒為整車的配電單元，包含熔斷器、高壓插件及繼電器等原件，可以對電能進行分配，同時電路發生過載，可以實現電安全保護。DCDC是整車的低壓供電單元，相當于傳統車發電機的作用，可以將動力電池的高壓電轉換為12V低壓電，給整車低壓電器及蓄電池進行供電。

1.2 功能分解

如圖1所示，電力驅動功能包括上電策略、下電策略、擋位控制、扭矩輸出和起步蠕行等多部分子級功能構成，同時需要并行的功能進行組合執行，包括高壓安全、能源管理、充電控制和附件功能。

圖1 電動汽車結構及功能分析示意圖

電機驅動

電機驅動為整車的核心功能，也是汽車最初始需求；電動汽車的驅動單元是電機，驅動能源來自于電能，電機驅動完整功能實現由高壓上電管理、高壓下電管理、扭矩輸出控制、擋位控制及起步蠕行等策略共同組建而成。

高壓安全

電動汽車內有高壓電能進行傳輸，當高壓電保護不良，就會存在人員觸電風險，高壓安全保護功能是電動汽車開發過程中必須實現的基本保障。高壓安全分別從物理層和功能層進行考慮，物理層包括對電流傳輸線路的全方位絕緣保護，避免人員直接接觸電路；功能層包括環路互鎖功能、絕緣檢測功能、主動泄放、電位均衡及碰撞安全等。

能源管理

能源管理是對供能單元電流、電壓、溫度的實時檢測以及狀態反饋，包括電流檢測、電壓檢測、SOC計算、瞬時功率計算以及溫度檢測。

充電控制

動力電池是整車的供能單元，當動力電池電能用完之后，需要對動力電池補充電能，滿足整車的充電需求；包括快充功能、慢充功能、預約充電和充電顯示等。充電需求的實現需要完備的充電時序控制才能實現。

附件功能

隨著汽車智能化、電氣化的不斷發展，低壓部件越來越多，需要提供12V供電單元，相對于傳統汽車采用發電機給蓄電池進行供電，電動車設計有專屬的高壓附件DCDC模塊，可以將高壓電能轉化為12V低壓電。電動汽車相對于傳統汽車同樣有制冷、制熱需求，分別采用壓縮機及PTC來實現。

2 分級模型

基于原理基礎及功能分析可知，要實現高壓安全、空調功能、低壓供電需要一系列子功能組合實現。如圖2所示，通過對功能策略的研究，建立了請求級、監控級、判斷級、指令級以及執行級功能模型，便于策略的架構及邏輯設計。

圖2 分級功能模型框圖

1）請求級 （input）：功能模型的啟動輸入級，當請求級開始后，策略流程開始往后流動，如對車輛進行充電時，插上充電槍即為充電請求源頭；啟動空調，旋動空調按鈕或者大屏觸摸啟動空調為空調啟動源頭；行駛驅動的請求級可以認為是切換擋位到D擋級油門信號的組合；請求輸入不一定只是單一動作，也存在不同動作的集合。

2）監控級 （Plan）：監控級即對請求級狀態的監控，包括請求信號及策略所需信號的監控，如純電動汽車電力驅動行駛過程中，會對踏板信號進行監控，同時檢測電機的輸出扭矩大小、轉速、電壓、電流、溫度、整車車速等狀態。空調制冷監控空調面板的啟動信號，同時會對電動壓縮機轉速、冷卻回路壓力、蒸發器溫度、風扇狀態等進行監控。

3）判斷級（decide）：即對監控狀態及設定的閾值進行比對的層級，如充電啟動信號，同時滿足充電狀態，發出充電請求；或者動力電池內對電芯的溫度、電壓、電流進行監控，如某平臺電芯設定的高溫閾值為50℃，監測到的電芯溫度為52℃，可判斷為動力電池二級過溫，并進行上報。

4）指令級（command）：即針對判斷級的輸入下發匹配的執行指令，如在行駛驅動過程中，如指令級接收判斷級發出的高壓附件環路斷開故障，會對車速信號進行查看，當前是否處于高速狀態，確認如高于30km/h，則下達儀表故障提示用戶及限制電機輸出功率指令，防止出現追尾等行駛安全，直到車速低于設定閾值時，再發出高壓斷開指令。如車速本身已低于10km/h，則直接發出高壓斷開指令。

5）執行級 （execute）：即接收到指令級的具體指令進行執行的層級，如指令級確認收到一般故障提示，發出限制功率指令，電機控制器需限制輸出扭矩；如發出高壓斷開指令，則動力電池需執行相應動作，斷開高壓回路輸出。

3 整車電氣策略設計

基于分級模型和高壓架構，分別制定出驅動控制和絕緣保護的邏輯策略。如圖3所示。

圖3 行駛驅動邏輯策略

3.1 驅動控制

1）請求級：用戶踩下油門或切換擋位，會有擋位及油門信號，請求級為擋位切換及油門信號。

2）監控級：VCU和MCU對模塊進行狀態監控，包括油門信號、擋位信號、模塊是否有故障。

3）判斷級：VCU接收請求信號進行邏輯判斷，下發動作指令。

4）指令級：向減速器發出擋位切換指令，進行前進擋切換，VCU接收到油門信號，向電機控制器發出扭矩輸出請求。

5）執行級：減速器進行擋位切換，電機控制器執行動作并發出當前扭矩狀態，車輛進入電力驅動狀態。用戶想要停車時，踩下制動開關，同時切換擋位到N擋，VCU同時檢測到制動狀態及擋位切換請求后，下發擋位切換指令，同時向電機控制器發出零扭矩請求，減速器及電機控制器響應并執行驅動動作，車輛驅動停止；用戶拔下鑰匙，VCU未檢測到ON擋信號，發出繼電器切斷指令，BMS斷開主正負繼電器，各模塊進入休眠。

3.2 絕緣保護

如圖4所示，①請求級：以高壓回路的低閾值狀態作為絕緣保護功能的啟動輸入；②監控級：一級單元BMS被喚醒后會實時對高壓回路的阻值狀態進行監控，當存在低閾值狀態時，BMS會上報低閾值狀態和絕緣故障給整車控制器；③判斷級：整車控制器接收到低閾值狀態和絕緣故障后，匹配相應故障信息，進行邏輯判斷；④指令級：下發動作指令，向BMS發出斷開繼電器指令，向MCU發出停止驅動輸入指令，同時儀表點亮絕緣故障燈，提示用戶存在絕緣故障；⑤執行級：BMS在接收到動作指令后，執行斷開繼電器保護動作，并將繼電器的狀態信息實時發出。

圖4 絕緣保護邏輯策略

4 高壓策略實車驗證

基于邏輯策略分解及高壓架構的設計，進行了某款電動汽車車型的搭載測試，對時序邏輯進行了采集驗證。

4.1 驅動控制時序

如圖5所示，在0時刻鑰匙點火，低壓繼電器吸合，各模塊開始工作，VCU在200ms內發出吸合指令，BMS接收到吸合指令，吸合主繼電器，繼電器狀態顯示為閉合，電池電壓拉升。用戶踩下制動及切換擋位，VCU對制動及擋位信號進行采集，發出扭矩請求指令，MCU輸出相應扭矩，時序顯示MCU端檢測的電流開始上升，與設計策略相符。駕駛一段時間后，重新踩制動切斷擋位至N擋，停車下電，VCU檢測到鑰匙下電信號，發出切斷指令，BMS斷開高壓繼電器，MCU端電壓快速泄放，各模塊逐步休眠。

圖5 驅動控制時序

4.2 絕緣保護時序

如圖6所示，在0時刻整車發生了絕緣失效，高壓回路的物理狀態發生改變，基于策略設計，BMS應對整車的高壓回路絕緣狀態進行監控。時序顯示BMS在200ms內檢測到了高壓回路電阻降低狀態，并像CAN網絡上報了低閾值阻值以及故障信息。

圖6 絕緣保護時序

絕緣故障為高壓安全故障，VCU接受到故障信息在100ms內下發斷電指令和儀表報警，BMS執行斷電指令，繼電器斷開，同時儀表進行故障報警。

5 結論

文中在對功能策略研究的基礎上建立了多級功能模型，基于模型梳理高壓電氣策略的內在架構和邏輯。根據功能模型提出了電力驅動、絕緣保護電氣策略，進行了搭載測試。

抓取的實車數據顯示：電力驅動功能正常，當有擋位及制動踏板信號時，電機輸出相應的輸出扭矩，電流顯示正常。

整車上電后，有實時的絕緣阻值反饋，當人為地在高壓電路中接入低阻值電阻時，低阻值會立刻被檢測到，同時有絕緣報警，并斷開高壓回路，有效保護了人員安全。