混合動力汽車上下電控制策略研究

王 晨，張 彤，于海生

（上海華普汽車有限公司，上海 201501）

隨著國家新能源汽車戰略地位的不斷提升，各主機廠均不遺余力地推進各自純電動、混合動力轎車的研發進程。作為一種新興的汽車產業，它打破了傳統汽車的拓撲結構，將動力電池、電機、AC／DC、DC／DC等復雜的電力電子器件都裝備至整車中，給整車的布置、控制、振動、電磁干擾、行駛安全等方面帶來了諸多新的挑戰。

本文立足于某企業重度混合動力轎車產業化項目，僅以與整車強、弱電管理相關的部件為研究對象，著重分析整車的上、下電流程，上、下電過程中的故障診斷及處理方法。

1 傳統汽車電源管理

針對傳統汽車，由于動力源僅為發動機，并無電機、動力電池等高壓器件，所以所謂的電源管理僅為12 V弱電管理。它主要包括整車電氣附件的上、下電管理，以及發動機ECU等控制器的上、下電管理。當駕駛員進入駕駛艙，插入鑰匙并置于OFF檔時，所有電器設備均不得電，整車處于掉電狀態；當駕駛員將鑰匙撥至ACC檔時，收音機、點煙器等電器附件均得電；當駕駛員將鑰匙撥至ON檔時，發動機控制器主芯片得電運行。傳統汽車的所有上、下電控制都是通過鑰匙開關的機械結構來完成，具有結構簡單、可靠性高等特點，其電源管理拓撲結構如圖1所示。

2 混合動力汽車電源管理

2.1 拓撲結構

在混合動力汽車中，動力不僅僅源自發動機，還有電機驅動系統。電機驅動系統屬于強電范疇，必須由動力電池提供能量來源。所以，驅動電機、動力電池、DC／DC、AC／DC等一系列高壓器件的引入，以及與之相對應的電機控制器 （MCU），動力電池管理系統 （BMS），再加上發動機控制器（ECU）、整車控制器 （HCU）和車身控制器 （BCU）等部件，構成了混合動力汽車極為龐大復雜的電氣結構。

該混合動力轎車采用無鑰匙進入系統［1］（PKE）替代傳統車身控制器，并且配備一鍵式起動按鈕，增加了整車舒適性，以及強、弱電管理的靈活性。為了確保整車上、下電的安全性，可靠性，必須嚴格定義各電氣部件的上、下電流程，且各電氣部件的上、下電狀態必須經各控制器及時反饋給整車控制器，進行 “握手”確認后才執行下一步上、下電操作。該混合動力汽車弱電管理拓撲結構如圖2所示。

2.2 上電流程

無鑰匙系統始終從蓄電池取電，一般情況下處于低功耗模式，一旦監測到鑰匙信號則被激活，進入正常工作模式。駕駛員攜鑰匙靠近混合動力轎車后，車門鎖即自動開啟，駕駛員隨即進入駕駛艙。類似于傳統車中鑰匙置于OFF檔的狀態，此時整車除無鑰匙進入系統和一鍵式起動按鈕之外的所有電氣部件均不得電。

駕駛員就位后，按下一鍵式起動按鈕或執行其他無鑰匙系統認可的認證操作后，無鑰匙系統控制繼電器1導通，將12 V弱電供給整車各電器附件（中控門、中控窗、收音機、點煙器等），整車進入ACC狀態。

整車進入ACC狀態后，當無鑰匙系統再次監測到一鍵式起動按鈕被按下時，則通過某特定DAC引腳 “通知”整車控制器的電源管理芯片，控制整車控制器主芯片得電運行。整車控制器得電后隨即控制繼電器2閉合，將蓄電池12 V弱電引至電機控制器、動力電池管理系統、發動機控制器等子控制器。待所有子控制器得電完成并自檢成功后，通過CAN總線向整車控制器反饋上弱電成功信號。經整車控制器確認完畢后，由其點亮儀表盤相應指示燈，并通過語音設備提醒駕駛員上弱電完畢，至此，整車進入ON狀態。

整車進入ON狀態后，由整車控制器對一鍵式起動按鈕和電子制動踏板［2］進行監測，一旦監測到制動踏板開度超過某設定值且一鍵式起動按鈕被同時按下，整車控制器則向動力電池管理系統發送上強電指令。隨即，動力電池管理系統控制強電繼電器吸合，并向整車控制器反饋上強電完成信號。電能通過動力電池直流母線進入逆變器［3］單元，經逆變后送至電機交流母線端，經電機控制器檢測后將電機的允許上強電信號反饋給整車控制器。若以上信號均正常，則整車控制器向電機控制器發送電機使能命令，電機控制器在收到該使能命令后則向整車控制器返回電機的上強電狀態。整車控制器再次確認所有高壓用電設備的上強電狀態，確認無誤后則點亮儀表盤相應指示燈，并通過語音設備提示駕駛員上強電完畢，至此，整車進入Ready狀態。

由于該混合動力轎車采用CAN通信方式進行上、下電管理，所以控制方案設計具有較強的靈活性。比如，當整車處于ACC狀態，可設定駕駛員踩下制動踏板并同時按下一鍵式起動按鈕后，整車直接從ACC狀態進入Ready狀態。

2.3 下電流程

為確保下電安全性及考慮設備的使用壽命，我們遵守強電先下，弱電后下的原則，并同時要求下電過程中各控制器節點也必須同樣進行 “握手”溝通。當車速處于靜止狀態且駕駛員按下一鍵式起動按鈕時，整車控制器即監測到駕駛員的下強電意圖。此時，整車控制器通過CAN總線向電機控制器發送電機下電使能命令，電機控制器在接收到該指令后，對電機進行下電使能操作，同時向整車控制器反饋允許下強電信號。整車控制器在收到電機控制器反饋的允許下強電信號后，通過CAN總線向動力電池管理系統發送電池下強電信號，動力電池管理系統在接收到該指令后，斷開強電繼電器并向整車控制器反饋下強電完成信號。一旦整車控制器接收到動力電池管理系統反饋的下強電完成信號，則執行對電機的自放電操作，將其母線端的殘留電能耗散掉。至此，整車返回到ON狀態。

整車返回到ON狀態后，仍然可以通過上述上電流程再次進行上強電操作，或者通過再次按下一鍵式起動按鈕進行下弱電操作。首先，整車控制器通過IO引腳控制繼電器2斷開，將所有子控制器節點掉電，同時啟動定時器進行計時，當達到指定延時時間后，通過CAN總線向無鑰匙進入系統發出掉電請求。此時，由無鑰匙進入系統將整車控制器弱電斷開，至此，整車返回到ACC狀態。

為避免下電流程過于繁瑣，該混合動力轎車將整車ACC狀態作為掉電流程的最終狀態，直至駕駛員離開駕駛艙并執行鎖門操作。此時，無鑰匙進入系統對所有電器附件進行掉電處理，并將系統本身置入低功耗模式運行，直至駕駛員再次靠近整車并執行開門操作。

3 故障診斷及處理

一般情況下，該混合動力轎車執行上述上、下電流程。但是，實際過程中往往出現動力電池端電壓過低、前次下電自放電不完全等情況，給整車的上下強電過程帶來安全隱患。為此，在制定整車上下電策略時必須充分考慮故障診斷及相應處理策略，增加上下強電的安全性、可靠性。

動力電池由大量單體電池串聯而成，一般分為兩組，兩組之間設有熔斷器，以防止動力電池瞬時電流過大而損壞。當整車控制器向動力電池管理系統發送上強電指令時，動力電池管理系統首先控制繼電器B、C導通，動力電池通過預充電［4］電阻給逆變器端的預充電電容進行充電，當其端電壓達到動力電池端電壓的設定比例時，動力電池管理系統閉合主繼電器A并斷開預充電電路，逆變器端正式接入動力電池端。預充電原理示意圖如圖3所示。

由上述上強電過程可知，電機母線電壓作為一個重要參數，是實現整車上下電故障診斷及處理的關鍵所在。實際上強電過程中，必須首先監控電機母線電壓，若其已經大于某設定值，則說明前次下電流程中自放電操作未完成。所以，為確保安全，在本次上強電過程之前應首先對電機進行自放電操作，將電機端的殘余電能釋放完畢后再執行正常上電流程。當動力電池閉合強電繼電器返回上強電完成信號后，整車控制器不僅需要監測電機控制器返回的上強電狀態信號，而且應監測電機母線電壓是否超過指定值，若母線電壓不滿足使用要求，則說明上電過程出現故障或動力電池能量不足，整車控制器禁止發送電機使能命令并自動轉入下電流程中。執行下電流程自放電操作時也應監控電機母線電壓，確保電機母線電壓降至指定值以下才允許整車重新進入ON狀態。

由前述可知，每一道上、下電步驟的成功實施均需要借助CAN通信，所以CAN通信的可靠性對整車能否上、下電成功起著決定性作用。在配備多項高壓器件的混合動力汽車中，常常因為電磁兼容性問題而造成信號的干擾或失真。所以，為避免在整車上、下強電過程中由于CAN通信干擾或其它原因而導致執行中斷，要求在每一項上、下強電步驟中進行定時計數，當在指定時間內未收到可識別的CAN指令時，則自動轉入下強電流程，以此保證上、下電過程的安全可靠性。

4 試驗結果及分析

將上述電源管理策略應用于實車中，并通過CANoe［5］等診斷工具進行數據采集及分析，得到相關數據，如圖4所示。上強電過程中，整車控制器只有監測到電機母線電壓均滿足上強電要求，且動力電池反饋了上強電完成信號時，才會向電機控制器發送電機使能命令，在接下來的一個時間步長里，電機控制器才會反饋電機上強電狀態信號。同理，下強電過程中，整車控制器先關閉電機使能，待動力電池反饋下強電完成信號后重新為電機上使能，進行放電操作，直至電機母線電壓降至安全閾值以內再重新關閉電機使能。

5 結論

本文詳細描述了傳統汽車與混合動力汽車電源管理模式的區別，從安全性、可靠性角度分析了混合動力汽車各電氣部件的上、下電過程，提出了基于電機母線電壓及時間定時的故障診斷策略，并結合無鑰匙進入系統、一鍵式起動按鈕，將該上、下電策略應用于某企業的混合動力轎車中，最后通過試驗數據驗證了此控制策略的有效性。

［1］孔慧芳，丘宇寧.PKE智能鑰匙系統設計［J］.微型機與應用， 2010， （20）: 103-106.

［2］王 晨，張 彤.電子踏板信號采集及故障診斷策略研究［J］.車輛與動力技術， 2010， （4）: 49-52.

［3］魏春源.汽車電氣與電子［M］.北京:北京理工大學出版社， 2009.

［4］羌嘉曦，楊 林.電動汽車動力電池高壓電測試系統的研究［J］.電源技術， 2007， （8）: 655-658.

［5］張建國，雷雨龍.CANoe_Matlab聯合仿真在DCT總線控制中的應用［J］.汽車技術， 2010， （9）: 7-10.