純電動汽車起重機整車高壓上電控制策略

曹書苾 李曉海 羅 淼 孫 亮

長沙中聯(lián)重科股份有限公司 長沙 410000

0 引言

汽車起重機工況模式包括行駛工況和作業(yè)工況，行駛工況時用戶在底盤駕駛室完成駕駛時動力系統(tǒng)操作控制，作業(yè)工況時用戶在上車操縱室完成吊載時動力系統(tǒng)操作控制。汽車起重機作業(yè)工況動作包括支腿伸縮、卷揚起落、吊臂起落、吊臂伸縮、轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)基本動作。

純電動汽車起重機目標(biāo)車型采用電池提供整車能量源，由電動機作為動力源滿足整車行駛和作業(yè)工況的動力需求。行駛工況由底盤主電動機提供行駛動力，轉(zhuǎn)向和氣制動系統(tǒng)分別由油泵電動機和氣泵電動機提供動力，上車電動機動力系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。作業(yè)工況由底盤電動機通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動液壓油泵提供支腿伸縮、吊臂起落、吊臂伸動作液壓系統(tǒng)動力，其他動作由上車電動機通過減速器驅(qū)動。純電動汽車起重機相比純電動商用汽車增加上車作業(yè)工況用電動機動力系統(tǒng)和上車高壓電附件，故純電動商用車的高壓系統(tǒng)上下電控制策略無法完全適用純電動汽車起重機。

本文根據(jù)純電動汽車起重機目標(biāo)車型的工況模式需求和動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計純電動汽車起重機整車上電控制策略，滿足純電動起重機用戶使用時行駛工況、作業(yè)工況以及2種工況模式轉(zhuǎn)換的高壓上電控制需求，避免上電過程安全風(fēng)險，降低高壓零部件故障造成的作業(yè)風(fēng)險。

1 純電動起重機高壓系統(tǒng)

整車高壓系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。底盤整車控制器（Vechile Controller Unit，VCU）接收駕駛室駕駛員的開關(guān)、底盤取力到位信號，結(jié)合電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）和上車控制器發(fā)送的信息指令完成電池系統(tǒng)主負(fù)接觸器及底盤高壓分配單元控制。根據(jù)駕駛室制動踏板、油門踏板操作信號完成行駛工況動力控制。

圖1 純電動汽車起重機整車高壓系統(tǒng)控制框圖

上車控制器接收操縱室駕駛員的操作信號，結(jié)合BMS和底盤VCU發(fā)送的信息完成上車高壓分配單元控制及底盤高壓上電信息指示。根據(jù)操縱室油門踏板信號、底盤支腿油門信號完成作業(yè)工況動力控制。

底盤高壓分配電單元包括DCDC接觸器、行駛電動機預(yù)充接觸器、行駛電動機主接觸器、油泵電動機控制器及接觸器、氣泵電動機控制器及接觸器。上車高壓分配單元構(gòu)成示例如圖2所示。QM100為電池組主負(fù)接觸器，QM1控制上車高壓系統(tǒng)電源正極，QM2為上車高壓空調(diào)接觸器，QM3、QM4、QM5、QM6分別為上車動作驅(qū)動電動機的主接觸器和預(yù)充接觸器，QM7為上車作業(yè)回饋能量管理系統(tǒng)接觸器。

圖2 上車高壓分配單元構(gòu)成示例

2 整機上電控制策略設(shè)計

純電動汽車起重機駕駛室點火開關(guān)在ON檔時，接通整車低壓電源，同時喚醒底盤VCU及上車控制器開始分別監(jiān)控上車和底盤高壓元件狀態(tài)，執(zhí)行上高壓流程。底盤VCU完成底盤元件及BMS系統(tǒng)的監(jiān)控和上高壓控制，上車控制器完成上車元件監(jiān)控和上高壓控制。底盤控制器和上車控制器在上電過程中通過CAN總線實現(xiàn)信息交互。

底盤VCU基于取力信號和駐車制動信號判斷當(dāng)前工況，取力未到位時判斷為行駛工況，取力到位且駐車制動信號有效時判斷為作業(yè)工況。

2.1 行駛工況上高壓控制策略

VCU判斷為行駛工況并向上車控制器發(fā)送當(dāng)前工況狀態(tài)，根據(jù)上車控制器發(fā)送的行駛上高壓上裝準(zhǔn)備完成狀態(tài)、BMS系統(tǒng)發(fā)送的故障信息、VCU自身判斷的底盤高壓接觸器及元件故障信息，當(dāng)三者均正常時等待駕駛室點火開關(guān)發(fā)出的Start信號，接收后發(fā)送指令使BMS系統(tǒng)閉合電池主負(fù)接觸器，閉合底盤各高壓器件接觸器，完成電動機預(yù)充及主回路上電及各元件的高壓電源接通。并向底盤各高壓元件（DCDC、MCU等）發(fā)送使能指令，各執(zhí)行元件進(jìn)入運行和待命狀態(tài)，儀表高壓上電完成Ready指示符點亮。控制流程如圖3所示，行駛工況時，上車操縱室的點火開關(guān)Start信號無效，無法控制底盤元件上高壓。

圖3 行駛工況上高壓控制流程

汽車起重機在行駛工況時，上車高壓元件無需工作，上車高壓系統(tǒng)的電動機控制器、電動機本身、空調(diào)及其他高壓元件本身是否故障不影響正常行駛。因此，在行駛工況時，上車高壓系統(tǒng)（除接觸器）其他電氣元件的故障不參與行駛工況上高壓控制。上車控制器發(fā)送的行駛上高壓上裝準(zhǔn)備完成狀態(tài)的判斷流程如圖4所示。上車控制器檢測上車高壓配電單元類各接觸器的觸點狀態(tài)，上車正極接觸器QM1觸點未粘連或下級各高壓元件接觸器觸點均無粘粘故障時發(fā)送行駛上高壓上車準(zhǔn)備完成，允許底盤行駛高壓系統(tǒng)上高壓。

圖4 行駛工況上車準(zhǔn)備完成判斷流程

2.2 作業(yè)工況上高壓控制策略

作業(yè)工況上高壓控制流程如圖5所示，VCU判斷為作業(yè)工況并向上車控制器發(fā)送當(dāng)前工況狀態(tài)，轉(zhuǎn)入作業(yè)工況上高壓流程。VCU根據(jù)上車控制器發(fā)送的作業(yè)上高壓使能狀態(tài)、BMS系統(tǒng)發(fā)送的故障信息、VCU自身判斷的底盤高壓接觸器及元件故障信息，當(dāng)三者均正常時向上車控制器發(fā)送底盤上高壓準(zhǔn)備完成信息，等待上車控制器發(fā)送的操縱室點火開關(guān)Start信號，接收Start信號后發(fā)送指令使BMS系統(tǒng)閉合電池主負(fù)接觸器，閉合底盤各高壓器件接觸器，并向底盤各元件（DCDC、MCU等）發(fā)送使能指令，各執(zhí)行元件進(jìn)入運行和待命狀態(tài)，儀表顯示器高壓上電完成Ready指示符點亮。

圖5 作業(yè)工況上高壓控制流程

上車控制器接收到底盤發(fā)送的底盤上高壓準(zhǔn)備完成信號，上車控制器自身判斷的上車上高壓使能狀態(tài)、上車各電動機系統(tǒng)故障信息，向VCU發(fā)送操縱室點火開關(guān)Start信號，檢測到BMS主負(fù)接觸器閉合后，閉合上車各高壓器件接觸器，完成電動機預(yù)充及主回路上電及各元件的高壓電源接通，并向上車各高壓元件（MCU）等）發(fā)送使能指令，各執(zhí)行元件進(jìn)入運行和待命狀態(tài)，操縱室顯示器上車高壓上電完成Ready指示符點亮。作業(yè)工況時，底盤駕駛室的點火開關(guān)Start信號無效，無法控制整車高壓元件上高壓。

上車控制器向VCU發(fā)送的作業(yè)上高壓使能狀態(tài)，判斷流程如圖6所示。上車各接觸器均無粘粘故障，才允許底盤VCU進(jìn)入底盤高壓系統(tǒng)準(zhǔn)備流程。

圖6 作業(yè)工況上高壓判斷流程

目標(biāo)車型的回轉(zhuǎn)及卷揚動作分別由電動機通過減速器驅(qū)動，為避免出現(xiàn)起重作業(yè)過程中重物懸吊空中無法轉(zhuǎn)移至安全位置，當(dāng)某個動作電動機系統(tǒng)存在故障使，仍允許無故障的電動機系統(tǒng)正常工作。上車高壓系統(tǒng)上高壓成功控制流程如圖7所示。

圖7 上車作業(yè)工況作業(yè)上高壓判斷流程

電動機通過減速器驅(qū)動，回轉(zhuǎn)電動機減速制動或卷揚下放時電動機產(chǎn)生制動回饋能量。當(dāng)電池電量＜90%時，制動回饋能量可通過電池吸收消耗。當(dāng)電池電量≥90%時，電池?zé)o法完全吸收上車電動機回收能量，必須由能量管理系統(tǒng)吸收或消耗，此時能量回饋管理系統(tǒng)上高壓失敗時，不允許回轉(zhuǎn)和卷揚電動機上高壓。能量管理系統(tǒng)上高壓控制流程如圖8所示。

圖8 能量管理系統(tǒng)上高壓控制流程

3 結(jié)論

本文研究的純電動機汽車起重機高壓控制系統(tǒng)采用底盤VCU和上車控制器實現(xiàn)汽車起重機整機上電關(guān)鍵功能。基于起重機行駛工況、作業(yè)工況及2種工況轉(zhuǎn)換的整車上電控制流程進(jìn)行詳細(xì)分析，以滿足純電動起重機的用戶駕駛、作業(yè)工況需求，為純電動汽車起重機的開發(fā)奠定基礎(chǔ)，對提高整車動力系統(tǒng)上電安全、作業(yè)安全具有指導(dǎo)意義。