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工況，行駛工況時用戶在底盤駕駛室完成駕駛時動力系統操作控制，作業工況時用戶在上車操縱室完成吊載時動力系統操作控制。汽車起重機作業工況動作包括支腿伸縮、卷揚起落、吊臂起落、吊臂伸縮、轉臺回轉基本動作。

純電動汽車起重機目標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，轉向和氣制動系統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處于關閉狀態。作業工況由底盤電動機通過傳動系統驅動液壓油泵提供支腿伸縮、吊臂起落、吊臂伸動作液壓系統動力，其他動作由上車電動機通過減速器驅動。純電動汽車起重機相比純電動商用汽車增加上車作業工況用電動機動力系統和上車高壓電附件，故純電動商用車的高壓系統上下電控制策略無法完全適用純電動汽車起重機。

本文根據純電動汽車起重機目標車型的工況模式需求和動力系統結構，設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、作業工況以及2種工況模式轉換的高壓上電控制需求，避免上電過程安全風險，降低高壓零部件故障造成的作業風險。

1 純電動起重機高壓系統

整車高壓系統控制框圖如圖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、底盤取力到位信號，結合電池管理系統（Battery Management System，BMS）和上車控制器發送的信息指令完成電池系統主負接觸器及底盤高壓分配單元控制。根據駕駛室制動踏板、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控制框圖

上車控制器接收操縱室駕駛員的操作信號，結合BMS和底盤VCU發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。根據操縱室油門踏板信號、底盤支腿油門信號完成作業工況動力控制。

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成示例如圖2所示。QM100為電池組主負接觸器，QM1控制上車高壓系統電源正極，QM2為上車高壓空調接觸器，QM3、QM4、QM5、QM6分別為上車動作驅動電動機的主接觸器和預充接觸器，QM7為上車作業回饋能量管理系統接觸器。

圖2 上車高壓分配單元構成示例

2 整機上電控制策略設計

純電動汽車起重機駕駛室點火開關在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控上車和底盤高壓元件狀態，執行上高壓流程。底盤VCU完成底盤元件及BMS系統的監控和上高壓控制，上車控制器完成上車元件監控和上高壓控制。底盤控制器和上車控制器在上電過程中通過CAN總線實現信息交互。

底盤VCU基于取力信號和駐車制動信號判斷當前工況，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送當前工況狀態，根據上車控制器發送的行駛上高壓上裝準備完成狀態、BMS系統發送的故障信息、VCU自身判斷的底盤高壓接觸器及元件故障信息，當三者均正常時等待駕駛室點火開關發出的Start信號，接收后發送指令使BMS系統閉合電池主負接觸器，閉合底盤各高壓器件接觸器，完成電動機預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）發送使能指令，各執行元件進入運行和待命狀態，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，上車高壓系統的電動機控制器、電動機本身、空調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（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。上車控制器發送的行駛上高壓上裝準備完成狀態的判斷流程如圖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，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送行駛上高壓上車準備完成，允許底盤行駛高壓系統上高壓。

圖4 行駛工況上車準備完成判斷流程

2.2 作業工況上高壓控制策略

作業工況上高壓控制流程如圖5所示，VCU判斷為作業工況并向上車控制器發送當前工況狀態，轉入作業工況上高壓流程。VCU根據上車控制器發送的作業上高壓使能狀態、BMS系統發送的故障信息、VCU自身判斷的底盤高壓接觸器及元件故障信息，當三者均正常時向上車控制器發送底盤上高壓準備完成信息，等待上車控制器發送的操縱室點火開關Start信號，接收Start信號后發送指令使BMS系統閉合電池主負接觸器，閉合底盤各高壓器件接觸器，并向底盤各元件（DCDC、MCU等）發送使能指令，各執行元件進入運行和待命狀態，儀表顯示器高壓上電完成Ready指示符點亮。

圖5 作業工況上高壓控制流程

上車控制器接收到底盤發送的底盤上高壓準備完成信號，上車控制器自身判斷的上車上高壓使能狀態、上車各電動機系統故障信息，向VCU發送操縱室點火開關Start信號，檢測到BMS主負接觸器閉合后，閉合上車各高壓器件接觸器，完成電動機預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）發送使能指令，各執行元件進入運行和待命狀態，操縱室顯示器上車高壓上電完成Ready指示符點亮。作業工況時，底盤駕駛室的點火開關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發送的作業上高壓使能狀態，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進入底盤高壓系統準備流程。

圖6 作業工況上高壓判斷流程

目標車型的回轉及卷揚動作分別由電動機通過減速器驅動，為避免出現起重作業過程中重物懸吊空中無法轉移至安全位置，當某個動作電動機系統存在故障使，仍允許無故障的電動機系統正常工作。上車高壓系統上高壓成功控制流程如圖7所示。

圖7 上車作業工況作業上高壓判斷流程

電動機通過減速器驅動，回轉電動機減速制動或卷揚下放時電動機產生制動回饋能量。當電池電量＜90%時，制動回饋能量可通過電池吸收消耗。當電池電量≥90%時，電池無法完全吸收上車電動機回收能量，必須由能量管理系統吸收或消耗，此時能量回饋管理系統上高壓失敗時，不允許回轉和卷揚電動機上高壓。能量管理系統上高壓控制流程如圖8所示。

圖8 能量管理系統上高壓控制流程

3 結論

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