基于Simulink/Stateflow的純電動汽車整車上下電策略

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(1.同濟大學 電子與信息工程學院,上海 201804; 2.格至控智能動力科技(上海)有限公司,上海 201206)

純電動汽車作為新能源汽車,唯一的能量來源為蓄電池。純電動汽車具有零排放、低噪聲以及結構簡單的優點,其技術的發展對國家能源、環境等領域都具有重大意義[1]。純電動汽車以蓄電池組、驅動電機和高壓附件(如直流/直流(DC/DC)變換器、空調壓縮機等)為動力系統,工作電流高達幾百安培,一旦發生短路或者絕緣故障,將對人的生命安全產生嚴重威脅,因此需對動力系統施加有效管理。

在純電動汽車中,對動力系統的有效管理通過整車控制器(VCU)來實現,動力總成電氣架構如圖1所示。圖1中,CAN表示控制器局域網絡。整車控制器負責車輛上下電流程控制、驅動決策控制、故障信息診斷處理、能量管理等關鍵功能的實現,對整車駕駛性能的提高以及能量利用的優化有著重要影響[2]。

圖1 純電動汽車動力總成電氣架構Fig.1 Electrical structure of power assembly for pure electric vehicle

作為整車控制器負責的功能之一,上下電是保證純電動汽車安全啟動與停機的一個必經流程,也是整車控制策略設計中的一個重要環節[3]。上下電涉及到電機控制器(MCU)、高壓附件以及鑰匙和踏板等多個設備,對上下電控制策略的制定需充分考慮到這些設備的工作特性及其相互之間的作用。

目前國內外純電動汽車產量有限,對純電動汽車整車控制策略的研究主要集中在電池管理系統以及轉矩分配策略上,針對純電動汽車上下電策略的研究并不多[4]。文獻[3-5]以特定車型為基礎,各自實現整車上下電策略并進行了驗證。文獻[6]將上下電策略分為5個階段,在每個階段依據系統狀態定義了蓄電池組、驅動電機和高壓附件的運行模式并將之抽象成狀態機,然后依據狀態機實現上下電策略。

1 上下電策略

為了降低開發復雜度,同時遵循軟件工程高內聚低耦合的原則[7-9],本文將上電策略進行模塊化分解,即低壓上電和高壓上電2個子模塊,并分別予以實現。

1.1 上電策略

正常車況下,整車進入上電流程的主要依據為鑰匙信號,本文將車輛鑰匙信號設置為3擋,分別為Off擋、On擋、Start擋。上電流程主要包括低壓上電以及高壓上電兩部分,其中低壓上電由鑰匙On擋的上升沿信號觸發,高壓上電由鑰匙Start擋的脈沖信號觸發。

1.1.1低壓上電

一輛純電動汽車通常包含多個電子控制單元,如電池管理系統控制器、整車控制器等。低壓上電的目的如下所示:①使能部分低壓附件設備(如儀表盤);②喚醒電池管理系統并與整車控制器通過CAN總線建立連接;③控制電池管理系統進行控制器自檢。如果整車控制器無法在規定的時間內從CAN總線上收到電池管理系統的通信報文或者包含錯誤信息的報文,則整車控制器存儲相應通信故障碼并進入控制器通信故障下電流程;如果電池管理系統與整車控制器自檢發現故障或者自檢超時,則通過總線發送相應故障碼至整車控制器并進入控制器通信故障下電子流程,即報故障碼并關閉控制器;如果在低壓上電流程中電池管理系統控制器通過自檢,且無通信故障,則子控制器通過自檢,然后進入預充電子流程。

由于動力總成系統中電機控制器含容性負載,如果直接導通高壓繼電器,產生的瞬時過大電流會直接導致母線繼電器損毀,因此預充電是高壓上電前必須經過的步驟。預充電原理如圖2所示。

圖2 預充電原理Fig.2 Precharge principle

預充電控制分直接控制與間接控制2種方法。直接控制是整車控制器直接控制預充繼電器閉合進行預充;間接控制是電池管理系統控制預充繼電器與主繼電器的閉合與斷開,然后整車控制器發送預充命令給電池管理系統從而間接地控制預充電流程。無論哪種方法,只要在規定的預充電時間內,控制器檢測到的電池端電壓和容性負載端電壓的差值小于所設定的閾值,則預充電成功。延時閉合正極主繼電器,然后斷開預充繼電器,即完成低壓上電流程,隨后進入等待狀態,等待高壓上電信號的到來。如果預充電失敗,則進入預充電故障下電子流程,即斷開預充繼電器,整車控制器控制電機放電,關閉控制器并關機。低壓上電流程如圖3所示。

圖3 低壓上電策略流程Fig.3 Flow chart of low voltage power-up strategy

1.1.2高壓上電

高壓上電信號(鑰匙Start擋脈沖信號觸發)到來之后,由于低壓上電流程中預充電已經完成,因此整車控制器首先喚醒電機控制器與整車控制器以建立CAN總線連接,然后進行自檢。如果電機控制器自檢發現故障或者通信發生故障,則通過總線發送故障信號至整車控制器并進入電機控制器通信故障下電子流程,即報故障碼,斷開主繼電器,整車控制器控制電機放電,然后關閉控制器進入關機狀態。如果電機控制器自檢通過并且通信正常,則整車控制器使能車載高壓附件并檢測其工作狀態,若檢測無故障且均處于正常工作狀態,則整車進入Ready狀態,整車控制器控制踏板電源開啟,驅動電機正常給電,上電流程完成;若檢測到故障,則進入高壓附件故障下電子流程,即報故障碼,關閉高壓附件,斷開主繼電器,控制驅動電機放電,最后關閉控制器進入關機狀態。高壓上電流程如圖4所示。

圖4 高壓上電策略流程Fig.4 Flow chart of high voltage power-up strategy

1.2 下電策略

本文將下電策略分為正常下電策略與緊急下電策略并分別予以實現。

1.2.1正常下電策略

在不發生故障的前提下,下電信號(鑰匙On擋的下降沿信號觸發)到來,進入正常下電流程。為了防止駕駛員誤操作以及考慮到駕駛員與車輛的安全性,此時整車控制器需監測車速,只有當車速處于絕對低速(如5 km·h-1)的情況時,整車控制器才可以控制驅動電機,使得電機轉矩清零;控制高壓附件離開工作狀態并進入待機狀態,斷開高壓主繼電器,此時控制器端容性負載依舊帶高壓電,因此整車控制器需控制電機控制器主動放電,將控制器端電壓降到設定的安全電壓,則主動放電完成;放電完成后各子系統進入睡眠狀態,經過一段延時整車系統進入關機狀態。正常下電流程如圖5所示。

圖5 正常下電策略流程Fig.5 Flow chart of normal power-down

1.2.2緊急下電策略

緊急下電可發生在任何工況中,如運行、啟動、停機等。在實際工程中,整車故障分類比較復雜,其中較常見的為按故障嚴重程度進行等級分類,低等級故障處理方式為報警,中等級故障處理方式為降載跛行,高等級故障處理方式為停機[10]。當出現低等級故障或中等級故障時,整車控制器控制電池管理系統降低充放電功率,但其下電邏輯與正常下電一致;當出現高等級故障時必須執行緊急下電策略,如不采取緊急下電策略或采取策略不當,則會損毀動力系統甚至威脅駕駛員的生命安全。本文以車輛運行狀態為例,車輛在運行過程中出現嚴重故障(如電池長時間嚴重過溫)后,整車控制器檢測到該故障,首先儀表報警提示,然后整車控制器發送指令控制電機轉矩清零并使高壓附件離開工作狀態,待確認直流母線電流接近零后,整車控制器切斷高壓主繼電器并請求電機控制器進行緊急放電操作,經過延時后系統進入故障關機狀態,處于此狀態時整車無法再次上電,必須修復故障并使用專業診斷工具清除故障信息才能使整車再次上電。緊急下電流程如圖6所示。

2 策略實現

圖6 緊急下電策略流程Fig.6 Flow chart of urgent power-down

Stateflow軟件是集成于Simulink軟件中的圖形化設計與開發工具,其基礎為有限狀態機理論。Stateflow軟件通過對狀態圖、流程圖的創建,實現事件驅動系統的建模和仿真。Stateflow軟件可以實現對控制對象的建模,完成狀態邏輯的切換以及進行復雜邏輯的可視化開發,在汽車領域與嵌入式領域應用廣泛[11-12]。

上下電邏輯主要由鑰匙信號與系統故障信號驅動,可以抽象為事件驅動系統。鑰匙信號與系統故障信號的驅動可以抽象為狀態轉移,這與Simulink/Stateflow軟件的機理相契合。本文基于Simulink/Stateflow開發環境實現了上述上下電策略。信號名稱與說明如表1所示。

2.1 低壓上電邏輯實現

在Stateflow軟件中實現的低壓上電策略如圖7所示。系統檢測到鑰匙On擋上升沿信號(KeyPos==1)時,部分信號需進行初始化(Standby狀態)。依據低壓上電邏輯(LowPower狀態),首先整車控制器使能并自檢,隨后喚醒電池管理系統進行自檢和通信檢測。若無故障則進入預充電流程(Wait_PreChrg狀態),否則上報故障碼(ECU_Fault狀態)并進入下電流程(LowPowerDown狀態);若預充電無故障則進入高壓上電等待狀態(PreChrg_Success狀態),否則上報故障碼(PreChrg_Fail狀態)并進入下電流程。

表1 上下電模型信號說明

圖7 低壓上電策略實現Fig.7 Realization of low voltage power-up strategy

2.2 高壓上電邏輯實現

在Stateflow軟件中實現的高壓上電策略如圖8所示。依據高壓上電邏輯(HighPower狀態),系統在高壓上電等待狀態(PreChrg_Success狀態)檢測到鑰匙Start擋脈沖信號(KeyPos==2)后,首先喚醒電機控制器進行自檢和通信檢測(MCU_Check狀態),若無故障則繼續使能高壓附件(HVACC_Check狀態),否則上報故障(MCU_Fault狀態)并進入下電流程(HighPowerDown狀態)。仿真模型中高壓附件只以DC/DC變換器為例,若高壓附件無故障,則進入就緒狀態(VCU_Run狀態),否則上報故障(HVACC_Fault狀態)并進入下電流程。

圖8 高壓上電策略實現Fig.8 Realization of high voltage power-up strategy

2.3 正常下電邏輯實現

在Stateflow軟件中實現的正常下電策略如圖9所示。系統在檢測到On擋下降沿(KeyPos==0)信號后,首先電機力矩清零,然后高壓附件(HVACC_Off狀態)關閉,當檢測到車速小于設定車速5 km·h-1時,系統控制高壓主繼電器斷開,電機主動放電(PowerDown狀態),經過一段延時后系統進入關機狀態(Sys_Off狀態)。

圖9 正常下電策略實現Fig.9 Realization of normal power-down strategy

2.4 緊急下電邏輯實現

在Stateflow軟件中實現的緊急下電策略如圖10所示。系統運行時檢測到故障信號(FaultCode～=0)后,儀表通過故障碼類型報警,首先電機力矩清零,然后高壓附件(HVACC_Down狀態)關閉,確認母線電流接近零后,系統控制高壓主繼電器斷開,電機緊急放電(Fault_PowerDown狀態),經過一段延時后系統進入關機狀態(Fault_Off狀態)。此時考慮到安全性,無論鑰匙進行任何動作,均不能影響系統緊急下電。

3 結果分析

在Stateflow軟件中搭建純電動汽車仿真模型。設置預充電兩端電壓差值為電池端電壓的5%,電池端電壓恒定為100 V,最大預充電時間為3 s,限定低速為5 km·h-1,放電電壓閾值為36 V,整車關機前的延時設定為10 s,上述測試數據在實際工程中均可根據實際工況標定或調整。基于以上實現邏輯與設定的測試數據,給定典型輸入,仿真驗證上下電邏輯的正確性。

圖10 緊急下電策略實現Fig.10 Realization of urgent power-down strategy

3.1 正常上電

給定輸入信號時序如圖11所示。KeyPos表示鑰匙信號,Gear表示擋位信號,BatteryVoltage表示蓄電池端電壓,ControllerVoltage表示控制器端電壓。

圖11 正常上電輸入信號Fig.11 Normal power-up input signal

輸出結果如圖12所示。

圖12 正常上電輸出信號Fig.12 Normal power-up output signal

如圖11和圖12所示,當t=2 s時,系統檢測到鑰匙On擋上升沿信號,此時開始低壓上電。首先整車控制器開始工作,整車控制器標志位VCUFlag置1,然后整車控制器喚醒電池管理系統進行自檢和通信檢測,電池管理系統標志位BMSEnable置1,檢測無故障。當t=3～5 s時,整車控制器控制預充繼電器閉合并開始預充電,PreChargeCommand置1,程序內設置控制器端電壓ControllerVoltage從0到95 V,電池端電壓BatteryVoltage設置為100 V,符合預充電完成條件。主繼電器MainRelayCommand在t=5 s時置1,預充繼電器PreChargeCommand置0,然后鑰匙Start擋脈沖信號到來,開始高壓上電。整車控制器喚醒電機控制器和高壓附件進行自檢和通信檢測,電機控制器和高壓附件標志位MCUEnable與DCDCEnable置1,檢測無故障,上電完成。此時SysReady標志位置1,之后擋位掛在前進擋1,車輛進入行駛模式。

3.2 正常下電

給定輸入信號時序如圖13所示。

圖13 正常下電輸入信號Fig.13 Normal power-down input signal

輸出結果如圖14所示。

如圖13和圖14所示,當t=158 s時,系統檢測到鑰匙On擋下降沿信號,此時車速高于5 km·h-1(見圖15),故無法進入正常下電流程;當t=168 s時,車速低于5 km·h-1,此時系統才進入正常下電流程,SysReady標志位置0。電機轉矩清零,高壓附件標志位DCDCEnbale置0,然后斷開高壓主繼電器,高壓主繼電器標志位MainRelayCommand置0。整車控制器發送主動放電指令至電機控制器,使電機進行主動放電操作,即MCUDisCharge標志位置1。控制器端電壓ControllerVoltage降到設定閾值36 V,且經過程序設置的10 s延時,放電完成,MCUDisCharge標志位置0。整車控制器、電池管理系統、電機控制器依次關機,SysReady標志位置0,整車進入關機狀態,最終各個標志位均置0。

圖14 正常下電輸出信號Fig.14 Normal power-down output signal

圖15 車速信號Fig.15 Vehicle velocity signal

3.3 緊急下電

圖16 緊急下電輸入信號Fig.16 Urgent power-up input signal

給定輸入信號時序如圖16所示,BatTempState表示蓄電池組長時間過溫故障。

輸出結果如圖17所示。

如圖16和圖17所示,當t=70 s時系統檢測到電池長時間嚴重過溫故障(BatTempState=4),此時雖然鑰匙On擋下降沿信號(t=158 s時On下降沿到來)沒有到來,但是由于檢測到嚴重故障,因此直接進入緊急下電流程。首先SysReady置0,高壓附件關閉即DCDCEnable置0,然后斷開高壓主繼電器,MainRelayCommand置0,接著整車控制器控制電機緊急放電,MCUDisCharge置1,控制器端電壓ControllerVoltage快速降到閾值36 V,最后經過一段延時后整車進入關機狀態,各個標志位均置0。

4 結語

本文開展了上下電策略研究。將上電策略進行模塊化分解,分為低壓上電和高壓上電2個子模塊,降低了策略實現的難度;在正常下電策略的研究中,增加了速度反饋,顯著提高了正常下電策略的安全性。基于Simulink/Stateflow開發環境對這些子策略分別予以實現,仿真結果表明該實現與期望保持一致。基于Simulink/Stateflow實現的策略在實際工程中有很大的應用價值。

圖17 緊急下電輸出信號Fig.17 Urgent power-up output signal

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