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某新能源物流車整車控制策略

2019-08-29 12:09:40·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
新能源物流車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理
 新能源物流車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動力來源（或使用常規(guī)的車用燃料、采用新型車載動力裝置），綜合車輛的動力控制和驅(qū)動方面的先進(jìn)技術(shù)，形成的技術(shù)原理先進(jìn)、具有新技術(shù)和新結(jié)構(gòu)的汽車。新能源物流車具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保的特點(diǎn)，是世界各國為應(yīng)對能源環(huán)境問題而推行的新一代交通運(yùn)輸工具。我國新能源物流車主要以混合動力、純電動和燃料電池作為三大主流發(fā)展方向。文章對整車控制器（VCU）組成部件的控制進(jìn)行論述，重點(diǎn)對整車上下電流程、充放電、電機(jī)控制器（MCU）控制、電池管理系統(tǒng)（BMS）控制、整車其他零部件控制、故障處理、設(shè)變修改等策略進(jìn)行分析。

1 整車CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
 
新能源物流車使用了基于CAN 總線的控制網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)目前有7 個(gè)節(jié)點(diǎn)分別連接到2 條不同的CAN 總線，如圖1所示。表1示出新能源物流車CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)描述。


圖1 新能源物流車CAN 總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
 
表1 新能源物流車CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)描述

 
2 整車控制器功能
整車控制器（VCU）通過CAN 總線網(wǎng)絡(luò)對新能源物流車動力鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和監(jiān)控，以提高整車能量利用效率，確保車輛的安全性和可靠性。具體功能包括：汽車驅(qū)動控制、制動能量回饋控制、整車能量優(yōu)化管理、故障診斷及保護(hù)、網(wǎng)絡(luò)管理、車輛狀態(tài)監(jiān)視。
 
3 整車控制策略
 
3.1 整車上下電流程
3.1.1 上電流程
點(diǎn)火開關(guān)置于KEY_START：
1）VCU 上電后，判斷系統(tǒng)自檢是否正常，若不正常則上報(bào)“整車故障”，不執(zhí)行任何指令；若正常則判斷是否收到BMS 故障，若“是”則上報(bào)“電池故障”，不執(zhí)行任何指令；若無故障則閉合預(yù)充繼電器，進(jìn)入預(yù)充電階段。
2）預(yù)充繼電器閉合后8 s 內(nèi)，判斷電機(jī)報(bào)文“直流側(cè)電壓”與電池電壓壓差是否小于25 V，若“是”則VCU 判斷預(yù)充電完成，閉合主接觸器，然后斷開預(yù)充繼電器；否則，VCU 上報(bào)“預(yù)充超時(shí)故障（VCU 內(nèi)部上報(bào)）”和“整車故障”，斷開預(yù)充繼電器，不允許閉合主接觸器。
3）主接觸器閉合后，若有鑰匙START 信號，則向儀表發(fā)送“運(yùn)行準(zhǔn)備就緒”（READY），否則不發(fā)送任何指令。
4）如果 MCU、BMS 均正常且“運(yùn)行準(zhǔn)備就緒”（READY）之后，VCU 控制車輛進(jìn)入待命狀態(tài)。首先檢測擋位，在N 擋且加速踏板開度為0 的條件下，VCU檢測制動開關(guān)信號、擋位信號及加速踏板信號。
5）VCU 必須在上高壓完成后，可使能DC-DC、空調(diào)、電暖風(fēng)；在電量（SOC）＜10%時(shí)，停止空調(diào)、電暖風(fēng)等高壓電器的工作，同時(shí)保持DC-DC 的正常工作狀態(tài)。若DC-DC 上報(bào)故障，則VCU 根據(jù)DC-DC 故障措施進(jìn)行處理，并不進(jìn)入“限功率”。
3.1.2 下電流程
下電流程步驟為：
1）當(dāng) KEY_ON 下電后，VCU 下發(fā) MCU 的輸出扭矩歸零，停止驅(qū)動電機(jī)的一切指令，然后下發(fā)BMS 斷開主負(fù)接觸器指令，待主負(fù)接觸器狀態(tài)為“0”后，斷開高壓配電盒主接觸器；
2）使所有控制繼電器下電，使相應(yīng)的高低壓電器停止工作。
3.2 整車充電流程
當(dāng)VCU 檢測到充電信號后，進(jìn)入充電控制程序，不響應(yīng)踏板信號，車輛處于不可行駛狀態(tài)，VCU 進(jìn)入充電模式并點(diǎn)亮充電指示燈，策略如下：
1）充電時(shí)：當(dāng)SOC＜90%時(shí)，以4 s 周期閃爍點(diǎn)亮儀表充電指示燈；當(dāng)90%≤SOC＜100%且充電電流大于1 A 時(shí)，以2 s 周期閃爍點(diǎn)亮儀表充電指示燈；當(dāng)95%≤SOC＜100%且充電電流小于1 A 時(shí)，熄滅儀表充電指示燈。
2）放電時(shí)：當(dāng)SOC＜20%時(shí)，以7 s 周期閃爍點(diǎn)亮儀表充電指示燈；當(dāng)SOC＜10%時(shí)，以6 s 周期閃爍點(diǎn)亮儀表充電指示燈。
3.3 整車驅(qū)動控制策略
圖2示出新能源物流車整車驅(qū)動控制策略圖，其由駕駛員駕駛意圖解析、車輛模式管理及能量管理算法三部分組成。在駕駛員駕駛意圖解析模塊中，整車控制策略通過鑰匙信號、擋位狀態(tài)模式、加速踏板位置傳感器和制動踏板位置傳感器捕獲駕駛員的操作過程，從而得到駕駛員的駕駛意圖。當(dāng)車輛進(jìn)入正常運(yùn)行后，在能量管理算法中，控制策略根據(jù)加速踏板位置傳感器、制動踏板位置傳感器的信號以及不同的運(yùn)行模式，能夠分配車輛的驅(qū)動力矩或制動力矩。


圖2 新能源物流車整車控制策略框圖
 
3.3.1 電機(jī)控制策略
1）VCU 接收到KEY_START 指令后，根據(jù)駕駛員需求給MCU 發(fā)送電機(jī)啟動指令；當(dāng)電機(jī)狀態(tài)為運(yùn)行后，VCU 會根據(jù)踏板開度給MCU 發(fā)送扭矩指令驅(qū)動汽車行駛。
2）KEY_ON 下電后，VCU 向 MCU 發(fā)送電機(jī)停止指令，然后切斷MCU 電源輸入。
3.3.2 制動能量回饋
電動汽車的制動回饋策略為：當(dāng)駕駛員踩下制動踏板時(shí)，VCU 根據(jù)制動踏板位置與電機(jī)允許的最大制動扭矩計(jì)算出駕駛員所需求的制動扭矩，同時(shí)根據(jù)電池的SOC、電壓、電流、最大充電電流和電壓、BMS 故障等計(jì)算出電池最大允許的充電功率，以保證整車的功率不超出電池的最大允許充電功率，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速得出整車所允許的最大制動扭矩，取兩者最小值，最終得到電機(jī)制動回饋扭矩。
3.4 電機(jī)控制器（MCU）控制策略
MCU 在整車中的主要職能為接收并及時(shí)響應(yīng)VCU 的控制命令信號，將控制命令轉(zhuǎn)換到主回路控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。圖3示出新能源物流車電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。


圖3 新能源物流車電機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
電動汽車中常用交流電機(jī)作為整車的驅(qū)動電機(jī)，由圖3可以看出，新能源物流車電機(jī)控制系統(tǒng)的主要部件是MCU、編碼器以及溫度傳感器。
3.4.1 驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)接口及原理
圖4示出新能源物流車電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。


圖4 新能源物流車電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
電機(jī)控制系統(tǒng)包括MCU 和驅(qū)動電機(jī)，MCU 內(nèi)部主要是電源變換器和MCU 主控板，具體如圖4所示。MCU 的主要工作是接收整車CAN 網(wǎng)絡(luò)中的控制信號（來自VCU），并轉(zhuǎn)換為控制驅(qū)動信號，驅(qū)動DC/AC 模塊，將電池包的直流電逆變?yōu)榻涣麟姾鬄殡姍C(jī)供電。
3.4.2 MCU 上電邏輯
本車型的MCU 為動力電池供電，不含12 V 供電。預(yù)充電回路放置在高壓配電盒（PDU）內(nèi)部，由VCU 控制。預(yù)充電過程結(jié)構(gòu)示意，如圖5所示。


圖5 新能源物流車預(yù)充電過程結(jié)構(gòu)示意圖
預(yù)充電時(shí)整車完成上高壓過程，車輛還沒有進(jìn)入行駛模式，只有當(dāng)VCU 接收到鑰匙START 信號時(shí)，車輛才能夠進(jìn)入行駛準(zhǔn)備就緒狀態(tài)（READY），駕駛員才可以操作車輛行駛。
3.4.3 MCU 下電邏輯
當(dāng)KEY_ON 下電后，VCU 切斷主回路電源，MCU向驅(qū)動電機(jī)輸出為零并進(jìn)入主板放電過程，正常下電。
3.5 電池管理系統(tǒng)（BMS）控制策略
電池包及BMS 是純電動汽車的能源供給中心，為整車提供所有的動力。BMS 的主要工作是管理串、并聯(lián)在一起的電池安全可靠地工作。新能源物流車電池包及BMS 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示。


圖6 新能源物流車電池包及電池管理系統(tǒng)示意圖
BMS 采集電池包的總電壓、總電流以及電池單體的電壓和電池包各個(gè)位置的溫度，監(jiān)控電池包及單體的安全充放電，與整車進(jìn)行CAN 通信。
1）BMS 上電邏輯。當(dāng)鑰匙開關(guān)置于KEY_ON 時(shí)，BMS 開始上電，首先進(jìn)行自檢，自檢完成并無故障時(shí)，待接收到VCU 發(fā)送的允許閉合指令后，閉合電池包內(nèi)的放電總負(fù)繼電器，上電完成。
2）BMS 下電邏輯。當(dāng) KEY_ON 下電后，BMS 斷開電池包主回路，完成下電。
3.6 整車其他零部件控制策略
DC-DC 設(shè)備的功能是將整車的高壓直流電轉(zhuǎn)換成整車12 V 低壓電，為整車提供持續(xù)的低壓電源。圖7示出新能源物流車DC-DC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，展示出DC-DC 模塊在整車上的連接方式和功能。當(dāng)整車鑰匙開關(guān)置于KEY_ON 的時(shí)候，DC-DC 轉(zhuǎn)換器并不啟動，只有當(dāng)整車成功進(jìn)入 READY 模式后，VCU 輸出DC-DC 使能信號，DC-DC 轉(zhuǎn)換器才開啟。


圖7 新能源物流車DC-DC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
 
3.7 故障處理策略
3.7.1 BMS 故障處理策略
BMS 故障處理策略如下：
一級故障：VCU 發(fā)送相應(yīng)故障碼，點(diǎn)亮整車故障燈。當(dāng)前循環(huán)故障消失，可消除故障碼。
二級故障：VCU 限功率為正常額定功率的50%，點(diǎn)亮電池電壓低指示燈、整車故障燈及限功率指示燈，上報(bào)故障碼。當(dāng)前工況故障可恢復(fù)，可消除故障碼及熄滅指示燈。
三級故障：上報(bào)故障信息、故障碼并點(diǎn)亮電池電壓低指示燈、整車故障燈。VCU 切斷動力輸出扭矩為0，若故障出現(xiàn)5 s 內(nèi)車速低于15 km/h，則直接切斷高壓。切斷高壓后，需重新上下電，故障、指示燈當(dāng)前循環(huán)不消除。
3.7.2 MCU 故障處理策略
MCU 故障處理策略如下：
一級故障：上報(bào)故障碼并點(diǎn)亮整車故障燈。當(dāng)前循環(huán)故障消失，可消除故障碼及熄滅故障燈。
二級故障：VCU 限功率為正常峰值扭矩的10%，點(diǎn)亮整車故障燈，上報(bào)故障碼。當(dāng)前工況故障可恢復(fù)，可消除故障碼、熄滅整車故障燈。
三級故障：上報(bào)故障信息、故障碼并點(diǎn)亮整車故障燈。VCU 切斷動力輸出扭矩為0，無切斷高壓處理。需重新上下電，整車故障燈及故障碼當(dāng)前循環(huán)不消除。
3.7.3 VCU 故障處理策略
VCU 故障處理策略如下：
一級故障：上報(bào)故障碼并點(diǎn)亮整車故障燈。當(dāng)前循環(huán)故障消失，可消除故障碼及熄滅故障燈。
三級故障：上報(bào)故障信息、故障碼并點(diǎn)亮整車故障燈。VCU 切斷動力輸出扭矩為0，無切斷高壓處理。需重新上下電，整車故障燈及故障碼當(dāng)前循環(huán)不消除。

3.8 設(shè)變修改相關(guān)策略
增加BMS 二級、三級故障點(diǎn)亮電池包電壓低指示燈要求：1）BMS 上報(bào)的所有二、三級故障，VCU 均會觸發(fā)儀表BMS 電壓低指示燈并立即點(diǎn)亮，依據(jù)故障消除條件，所有故障消除，則熄滅電壓低指示燈；2）觸發(fā)電池包電壓低指示燈，故障參照通信協(xié)議。
 
SOC≤15%時(shí)，修改 VCU 限功率值：1）VCU 接收到BMS 的SOC≤15%及BMS 二級限功率處理后，將執(zhí)行限功率處理，將限制功率設(shè)置為額定功率的50%，待限功率啟動后，VCU 將依據(jù)協(xié)議要求發(fā)送限功率報(bào)警燈；2）SOC≤10%時(shí)自動關(guān)閉空調(diào)；3）BMS 觸發(fā) VCU 限功率故障，根據(jù)通信協(xié)議確定。
 
4 結(jié)論
新能源物流車整車控制系統(tǒng)以VCU 為核心部件，由電機(jī)、電池、控制器、充電系統(tǒng)及外圍輔助系統(tǒng)共同構(gòu)建。新能源物流車整車控制策略的根本就是VCU的策略，其中包括整車網(wǎng)絡(luò)管理、工作模式控制、驅(qū)動控制及能量管理等。而VCU 的開發(fā)包括系統(tǒng)分析及實(shí)車驗(yàn)證測試等，在整車測試過程中需按照整車通信協(xié)議進(jìn)行調(diào)試，各零部件在此協(xié)議下采用CAN 通信，同時(shí)電氣部件的線束及接插件都應(yīng)按照新能源車的標(biāo)準(zhǔn)制作，保證各項(xiàng)性能指標(biāo)的可靠實(shí)現(xiàn)。文章中所述的新能源物流車控制策略在設(shè)計(jì)開發(fā)流程需重點(diǎn)監(jiān)控，在實(shí)踐層面上，對整車開發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。 
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