電動汽車高壓電安全診斷與控制策略的研究

王偉偉

摘要：本文開發(fā)了基于電動汽車高壓電安全診斷控制技術(shù)的車輛控制和基于CAN總線和線控技術(shù)的專用EVSM高壓安全管理模塊。模塊可以實(shí)時監(jiān)測和診斷各種電氣參數(shù)和隔離狀態(tài)，準(zhǔn)確可靠地控制輸出功率，能夠很好地滿足各種電動汽車的診斷和靜態(tài)、動態(tài)高壓安全控制的需要，具有良好的通用性。

關(guān)鍵詞：電動汽車;高壓電安全;診斷;控制策略

由于高壓會危及車輛的生命和安全，因此電動汽車的高壓安全是電動汽車設(shè)計中需要考慮的關(guān)鍵問題之一。本文設(shè)計了一種基于總線和CAN控制技術(shù)的專用電動汽車安全管理模塊（EVSM），能很好地滿足燃料電池汽車、混合動力汽車等電動汽車靜態(tài)和動態(tài)高壓安全診斷與控制要求。

一、安全管理控制系統(tǒng)總體設(shè)計

（一）設(shè)計基礎(chǔ)

電動汽車高壓系統(tǒng)的作用是保證電力和電力向車輛系統(tǒng)的傳輸，并檢測整個電壓系統(tǒng)的絕緣缺陷、電路故障、接地故障和高壓故障，保障車輛設(shè)備和人員的安全是車輛的主要任務(wù)，也是電動化的主要技術(shù)之一。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織進(jìn)行電動汽車標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā)，并發(fā)布了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。對電動汽車的安全和控制提出了標(biāo)準(zhǔn)和嚴(yán)格的要求，規(guī)定高壓系統(tǒng)必須配備高壓自動切換裝置，與電動汽車安全相關(guān)的電氣特性具有絕緣體、漏電流、充電等特性、漏電距離和電氣空間。

（二）設(shè)計理念

高壓安全診斷與控制技術(shù)研究是我國電動汽車發(fā)展中共同的必然研究課題，包括高壓設(shè)備的安全運(yùn)行和人身傷害防護(hù)兩個方面。設(shè)計一個單獨(dú)的完全獨(dú)立的EVSM模塊，首先要保證其功能能夠檢測高壓系統(tǒng)的動態(tài)狀況，及時實(shí)時診斷高壓系統(tǒng)的工作狀況，快速交換信息，與車輛控制器響應(yīng)命令并正確執(zhí)行高壓控制;其次，必須能夠保證所有電路和高壓設(shè)備的可靠運(yùn)行，避免永久性損壞。此外，應(yīng)避免將高壓電直接引入其他車輛單元，以降低安全風(fēng)險。

EVSM集成CAN總線、豐富的自診斷軟件和靈活的管理策略，通過自定程序自動適應(yīng)不同電動汽車對不同控制策略的要求，提高了其應(yīng)用范圍。

（三）系統(tǒng)的功能和組成

EVSM 及其應(yīng)用專為高壓電動汽車的安全而設(shè)計。其基本功能如下：

（1）能夠檢測兆歐級絕緣電阻，以便及時診斷漏電流、絕緣特性和變化趨勢;

（2）實(shí)時測量高壓系統(tǒng)的接地情況、高壓阻斷電路的連接情況、母線電壓情況和剩余電量;

（3）具有在線自診斷功能，可對高壓系統(tǒng)的檢測狀態(tài)進(jìn)行編碼提取;

（4）具有CAN總線通訊功能，CAN及時拆分診斷和安全控制信息，執(zhí)行上位控制器開/關(guān)命令;

（5）手動斷開、碰撞指令解除、高壓繼電器回避功能;

（6）集成在線校準(zhǔn)和監(jiān)測功能，平時待機(jī);

（7）具有自學(xué)、自適應(yīng)功能;

（8）高壓切換過程應(yīng)以有效的組合指令開始，有效防止誤動作;

（9）高壓系統(tǒng)接通時，可對外部電路進(jìn)行預(yù)充電，以保證高壓設(shè)備的安全運(yùn)行;

（10）靜電消耗〈3W，高壓控制繼電器線圈;

（11）關(guān)閉控制的響應(yīng)時間<20 ms 以確保人身安全。

二、高壓安全診斷與控制策略

電動汽車高壓安全保護(hù)的重點(diǎn)是保證高壓電源的安全運(yùn)行，高壓連接應(yīng)創(chuàng)造前提條件，并在診斷外部缺陷的基礎(chǔ)上自動、被動斷開。

（一）動態(tài)檢測與診斷

1.高壓互鎖

為保證高壓總線快速連接器的可靠連接，高壓連接器的高壓EVSM高壓并聯(lián)安裝在一系列高壓連接中，用于測試動態(tài)可靠性。連接到高壓快速連接器。當(dāng)高壓電路連接未驗(yàn)證滿足所需的完整性要求時，EVSM 將直接或通過車輛控制器禁用連接電源的輸出，直到故障完全消除。否則會出現(xiàn)高壓、弱連接導(dǎo)致電源電路輸出功率下降，甚至連接器熔斷等不良后果。

2.接通信號的互鎖控制

只有與電動汽車高壓控制相關(guān)的所有管理模塊都發(fā)送了允許關(guān)機(jī)的COMM1和COMM2線的控制信號后，正確的命令組合才能使設(shè)計的高壓關(guān)機(jī)模塊專門設(shè)計進(jìn)入預(yù)充電。在這個過程中，只有滿足預(yù)先設(shè)計要求的高壓電路只能在充電過程中完全絕緣，電池和其他電源可以提供電力[1]。同樣，在緊急情況下，所有適當(dāng)?shù)母邏嚎刂颇K都可以繞過車輛控制器，并通過 COMM 控制臺強(qiáng)制 EVSM 停止發(fā)射高壓電源。

3.被動安全控制

由于電動汽車配備了高壓、高能電池，電池處于緊急狀態(tài)，尤其是在嚴(yán)重碰撞時、高壓電器設(shè)備會發(fā)生碰撞導(dǎo)致非常危險的情況，例如潛在的跌落、短路絕緣性迅速下降或電源高壓電路短路。為了滿足這種被動控制的要求，在 EVSM 中安裝了一個加速器發(fā)射器。傳感器信號輸入電路通過特定的數(shù)據(jù)處理模塊，控制器可以檢測被動安全信號并將其發(fā)送到與運(yùn)輸相關(guān)的處理器并及時通信，在事件發(fā)生后快速中斷電池和其他能源輸出。

（二）連接過程的安全診斷和控制

適當(dāng)?shù)那袚Q過程是控制和確保電源的安全運(yùn)行，控制命令可以通過有線信號或網(wǎng)絡(luò)接收，所有命令必須準(zhǔn)備好及時確認(rèn)程序。確認(rèn)的周期約為60ms，相當(dāng)于手動操作的響應(yīng)時間[2]。該方法有效地兼顧了正確的指令傳輸和所需的響應(yīng)速度，提高高壓轉(zhuǎn)換過程的可靠性。對電阻 r1和 r2充電的目的是在安全連接到高壓系統(tǒng)之前正確估計過載甚至短路，并且最好在預(yù)充電期間有足夠的時間來檢測高壓電路的電壓和連接時間，顯示和判斷線電壓的狀態(tài)，明確定下一步控制操作。這種對直流電源和負(fù)載連接過程的安全控制可以最大限度地減少對高壓電氣設(shè)備的永久性損壞，并及時通知駕駛員必要的車輛維護(hù)。

（三）運(yùn)行中絕緣電阻的安全診斷

在運(yùn)動過程中，電動汽車的等效絕緣電路和低壓電路等動態(tài)參數(shù)會因電池中的振動、電擊以及腐蝕性液體和氣體而發(fā)生變化，與高壓設(shè)備和高壓回路的大小和數(shù)量有關(guān)。因此，高壓絕緣狀態(tài)的動態(tài)在線檢測是安全診斷的關(guān)鍵。它集成了主電池供電電路、高壓電路、電機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等高壓電氣設(shè)備與車身之間的隔離狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)隔離缺陷時，啟動缺陷診斷程序，對缺陷進(jìn)行分類，根據(jù)缺陷的發(fā)展趨勢判斷缺陷是逐漸發(fā)生還是突然發(fā)生。如果缺陷突然出現(xiàn)，CAN事件幀必須迅速發(fā)布并通知控制器，否則必須在一定時間通知上層操作員并返回相關(guān)處理結(jié)果。

（四）斷線過程控制策略

在正常或沒有嚴(yán)重錯誤（例如開/關(guān)程序）的情況下，接受斷開命令的過程也必須經(jīng)過確認(rèn)。同時，保證指令的正確傳遞和所需的反應(yīng)速度，防止電動汽車在正常運(yùn)行過程中出現(xiàn)異常斷開，提高工作可靠性。如何在高壓系統(tǒng)發(fā)生故障時斷開電源電路，這是一個值得認(rèn)真研究的問題。當(dāng)人身安全受到威脅時，應(yīng)該毫不猶豫地斷開，但在其他情況下則應(yīng)優(yōu)先考慮。首先要了解高壓故障的嚴(yán)重程度，了解車輛和動力裝置的運(yùn)行情況，盡快讓車輛控制器進(jìn)行非行駛狀態(tài)，包括緊急通信故障策略;考慮高壓斷開策略，使用高壓和PRND 反向斷開設(shè)備，在任何情況下遵循所有發(fā)電廠斷開策略。高壓電源一旦斷開，操作人員必須自覺復(fù)位，一旦初始錯誤在一定時間間隔后得到修復(fù)，就可以進(jìn)入下一個連接過程。

結(jié)語：

為實(shí)現(xiàn)對電動汽車的靜態(tài)和動態(tài)實(shí)時監(jiān)測與控制，本研究研制了高壓安全診斷與控制系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的電磁兼容性和耐高壓動態(tài)監(jiān)測。系統(tǒng)工作穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠、響應(yīng)迅速。主繼電器關(guān)斷時間可提供20ms，實(shí)時滿足電動汽車的需求。同時，集成高速CAN通信技術(shù)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)，及時、快速地報告所有車輛控制器的識別、監(jiān)控、狀態(tài)和診斷中的錯誤，方便快捷，實(shí)現(xiàn)源頭分離。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉寶泉.電動汽車高壓電氣系統(tǒng)及上下電控制策略研究[J].汽車工業(yè)研究，2020（2）：4.

[2]秦振海，耿志勇，李雋杰.電動汽車高壓電安全系統(tǒng)設(shè)計要求（接觸防護(hù)）[J].汽車電器，2018（11）：5.