混合動力汽車電源管理及診斷策略研究

伍慶龍

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發院，長春 130013）

主題詞：混合動力汽車 電源管理 上下電流程 診斷策略

1 前言

混合動力汽車由于其燃油節省效果好正在被越來越多的汽車廠商推廣和研發。混合動力汽車是從至少兩類車載存儲的能量中獲得動力的汽車，包括可消耗的燃料或者可充電電能存儲裝置。利用電池給電機提供動力來源，且通過電機來調節發動機的工作點，可以有效降低混動汽車的油耗和排放，進一步提高整車性能。

傳統汽車的動力系統，其電源上下電管理是無法滿足混合動力汽車應用的，混合動力汽車有其自身的能量源管理策略[1]。這是因為，混合動力汽車的動力系統與傳統汽車的動力系統相比，前者在后者的基礎上，增加了高壓動力電池組、驅動電機、啟動發電一體機及其對應的電機控制器、逆變器等復雜的電力電子器件，這些都裝備至整車中形成了較為龐大的混合動力系統架構。因此，為了滿足混合動力汽車動力系統新增的零部件上下電需求和說明各控制器的運行狀態，需要對混合動力車輛的高低壓電源上下電管理進行分析，并對其高低壓上下電過程涉及的診斷策略及控制方法進行闡述。

2 傳統汽車電源管理

因為傳統汽車沒有類似混動汽車的高壓部件，其電源管理主要為12 V低壓系統的弱電管理。通過12 V蓄電池給傳統車上的低壓電氣附件供電，比如給各控制器、低壓用電器等，來實現整車的上下電管理。傳統汽車的電源上下電管理模式執行如下的流程步驟。

（1）鑰匙在OFF檔時，低壓用電器及控制器處于斷電狀態。

（2）鑰匙在ACC檔時，部分低壓電器開始工作。

（3）鑰匙在ON檔時，整車上所有控制器全部工作。

（4）鑰匙在Start檔時，發電機得電開始運轉并拖起發動機至預定的轉速后開始噴油點火完成發動機起動。

傳統汽車的電源上下電管理是通過鑰匙開關的機械結構來完成的，如上述步驟分析，在上下電過程中鑰匙檔位一般分為OFF、ACC、ON、Start檔位，在不同的檔位下，控制器按預定的設計需求進行工作。

3 混合動力汽車電源管理

混合動力汽車構型方案至少應有兩個以上的動力源，一部分的動力來自傳統發動機，另一部分來自高壓動力電池和電機驅動系統[2]。高壓動力電池、電機驅動系統及高壓線束等均屬于強電范疇，電機驅動的能量來源于高壓動力電池提供[3]。除了電池系統、電機系統等高壓部件，還要引入與之相對應的控制器，包括整車控制器（HCU，Hybrid Control Unit），動力電池管理系統（BMS，Battery Management System），電 機 控 制 器（MCU,Motor Control Unit），再加上原有車上的發動機控制器（EMS,Engine Management System）等部件，這就構成了混合動力汽車極為龐大復雜的電氣架構。

混合動力汽車電源管理模式不同于傳統汽車，因其包括了12 V低壓弱電和高壓強電兩方面的電源管理[4]，為了保證整車高低壓電源上下電的安全性及可靠性，上下電過程的每一步驟中涉及的信號狀態必須經過各控制器之間相互確認和反饋。因此，混合動力汽車高低壓電源上下電管理應當遵循一定的流程。

3.1 高壓上電流程

在保證安全的前提下，混合動力系統應執行如下圖1的高壓上電流程步驟。

（1）當沒有插上汽車鑰匙時，即在鑰匙OFF檔位下，混合動力系統各控制器處于用電關閉狀態。

（2）當插上鑰匙并且將鑰匙撥至ON檔位后，相關的控制單元如整車控制器HCU、電池管理系統BMS、驅動電機控制器MCU、DCDC等控制器將會執行初始化自檢，完成低壓上電。

（3）當把鑰匙從On檔位轉向Start起動檔位后，HCU將通過CAN總線發送混合動力系統使能信號給相關控制器，告之動力系統準備高壓上電。

（4）相關的控制器（如BMS、MCU、DCDC等）在收到該混合動力系統使能信號后，并且確保在沒有故障發生的前提下，電池管理系統BMS將對高壓母線進行預充電控制。

圖1 高壓上電流程

（5）高壓母線一旦預充過程結束，BMS將會通過CAN總線發送高壓主繼電器閉合信號指令。在收到主繼電器閉合信號及沒有故障發生的前提下，MCU和DCDC將控制IGBT管門驅動，進入準備狀態。

（6）所有控制器都會發出各自的響應信號給HCU，以此說明自身控制器的狀態。HCU控制器在收到來自BMS、MCU、DCDC狀態及無故障的信息反饋后，HCU將會發送混合動力系統準備就緒信號，并在儀表上顯示Ready信號提示燈[5-6]。至此，混合動力系統高壓上電過程完成。

3.2 高壓下電流程

當鑰匙轉至OFF檔位或者撥出時，混合動力系統執行如下圖2的高壓下電流程步驟。

圖2 高壓下電流程

（1）車輛下電時，整車控制器HCU接收鑰匙信號并判斷動力系統斷電命令。

（2）HCU將會發送動力系統準備關斷信號指令給各個控制器，包括BMS、MCU、DCDC等。

（3）MCU收到高壓下電的指令后開始做三相交流絕緣檢測，并在交流絕緣檢測結束后，向HCU反饋信號。

（4）HCU向電池管理系統發出指令，命令BMS打開高壓主繼電器。

（5）BMS在接收到打開高壓主繼電器的指令后，開始執行高壓下電流程，控制將母線電壓降至一定范圍之內。此時，若各控制器均無故障，HCU將進入電源斷開模式，各控制器BMS、MCU、DCDC等亦全部進入電源斷開模式。至此，混合動力系統高壓下電過程完成。

與傳統汽車的整車電源上下電管理流程相比，混合動力汽車在上下電流程中采用高壓電池主繼電器狀態控制、電機狀態控制及DCDC狀態控制代替了發動機控制器的上下電時序，同時也能有效利用起動發電一體機來起動車輛。

由于混合動力汽車的特點，各控制器的運行狀態是否正常，會影響整車高壓上下電的正常流程。在電源上下電管理流程中除了考慮混合動力系統的特點以滿足正常安全上高壓，還要考慮到高壓母線電流及電壓、高壓動力電池預充電、電機控制模式、絕緣檢測、信號傳送等情況，以保證并判斷上下電流程能否正常進行或者進入故障處理模式。

4 故障診斷及處理

一般正常情況下，混合動力汽車將執行前述的電源上下電管理流程。但是，在實際過程中若出現如整車絕緣電阻值低、電池端電壓低等異常情況，，則會給高低壓電源上下電過程帶來安全隱患[7]。另外，高壓互鎖回路是否處于正常狀態也是上下電故障管理要考慮的因素。為此，在電源上下電管理流程執行時應考慮可能出現的故障以及與之相應的故障處理策略，減少出錯的概率。下面將從預充電及母線電壓診斷、絕緣電阻檢測、高壓互鎖檢測及系統通信超時診斷這四個方面來對故障診斷處理進行展開說明，見圖3。

4.1 預充電及母線電壓診斷

動力電池是由大量單體電池串聯形成的高壓電池包。動力電池組的電流、電壓輸出由電池管理系統進行控制。當整車需要上高壓時，整車控制器HCU向電池管理系統BMS發送高壓上電指令，BMS控制動力電池高壓主繼電器導通，動力電池通過預充電電阻給電機逆變器端的預充電電容進行充電，當其端電壓達到預設值時，才允許逆變器端正式接入動力電池端。高壓下電時，待BMS控制動力電池高壓主繼電器斷開以后，電機逆變器電容要進行主動放電后，才能完成高壓下電過程。

圖3 故障診斷處理分類

為避免瞬時電流過大及母線電壓超過預設值，在上高壓電之前應進行檢測動力系統是否出現故障，如果電機端電壓過大，電機應主動進行放電，將電能釋放完畢，然后再執行正常上電流程。如果檢測到母線電壓不滿足范圍值要求，則HCU發現故障后應禁止高壓上電轉入下電流程。

4.2 絕緣電阻檢測診斷

為保證人員免遭高壓觸電風險，高壓系統應當進行絕緣電阻檢測診斷，若絕緣電阻值過小，整車控制器HCU應當發送高壓主繼電器斷開的指令。與傳統汽車上下電不同，在混合動力汽車高壓上下電和動力系統運行過程中，絕緣檢測是由電池管理系統BMS負責完成的，HCU會記錄上次下電流程中出現的絕緣故障，檢測結果和故障等級描述如下。

（1）當絕緣值處于某一范圍[x,y]時，HCU將記錄絕緣故障等級1，此時可以不點亮混合動力系統故障警告燈。即若上次下電過程中曾出現過等級1的絕緣故障，還是允許上高壓的。故障等級1的嚴重度低于故障等級2。

（2）當絕緣值低于某一值x時，HCU將記錄絕緣故障等級2，并要立刻禁止混合動力系統功能，同時將混合動力系統故障警告燈點亮。車輛需要進行電路等故障排查，另外在排查完之后，絕緣故障必須通過診斷設備徹底清除。

4.3 高壓互鎖檢測診斷

混合動力汽車上一般會設置高壓互鎖回路用于檢測電氣回路的狀態。當高壓互鎖回路斷開時，表示某一高壓部件的低壓或高壓連接斷開，此時車上的人員有可能會接觸到高壓電從而造成觸電傷害，因此電池管理系統BMS在檢測到高壓互鎖斷開信號之后應當立即斷開相應的高壓電池繼電器以切斷高壓輸出。在BMS初始化完成后，實時發送高壓互鎖的狀態給整車控制器HCU。

整車控制器HCU對動力系統的控制需要考慮高壓互鎖的狀態，具體控制策略描述如下。

（1）如果在高壓主繼電器閉合之前收到高壓互鎖的狀態為斷開時，HCU不能再發送主繼電器閉合的指令給BMS。

（2）如果在高壓主繼電器閉合之后收到高壓互鎖的狀態為斷開時，HCU的處理策略為：若車速小于某一值（如5 km/h），HCU將發送關閉高壓系統的指令，此時BMS應響應HCU發送的高壓主繼電器打開或閉合信號命令；如果車速高于某一值（如5 km/h），HCU將綜合考慮車輛的其他狀態（如安全性等）來控制車輛，如果HCU判斷可以關閉高壓系統，那么BMS亦應響應HCU發送的高壓主繼電器打開或閉合信號命令。

4.4 網絡通信超時診斷

由前述內容可知，每一項電源上下電管理步驟的有效實施均需要借助CAN網絡通信，如果CAN通信出現異常，將會對整車高低壓上下電流程造成嚴重影響。在上下電過程中要進行CAN通信診斷，診斷機制包括幀超時（Frame Time out），通信中斷（CAN Bus off）等，如果在預定的時間內，控制器相互之間沒有收到指定的信號，則會出現CAN通信故障，此時整車依據故障類別執行相應策略，通信中斷時，動力系統應轉入下電流程。

5 實車試驗結果及分析

通過在某樣車中進行試驗，依次操作鑰匙從Off檔、ACC檔、On檔至Start檔，觀察儀表盤顯示，并利用CANoe等診斷工具進行實車數據采集分析，得到相關數據以分析結果是否合理及有效。

在高壓上電流程中，當駕駛員將鑰匙撥至Start檔位時，整車控制器HCU會要求電池管理系統BMS閉合高壓主繼電器，當高壓主繼電器閉合信號后BMS反饋該信號給HCU，HCU將會向電機控制器MCU發送電機使能命令，當MCU反饋電機上高壓電狀態信號和電機處于轉矩可輸出狀態后，HCU會將動力系統準備就緒信號使能，儀表上也會有相應的Ready信號燈顯示，表明此時車輛處于可行駛的狀態，則高壓上電完成。

在高壓下電流程中，當駕駛員將鑰匙轉至OFF檔位時，整車控制器HCU會先關閉電機使能，待電池管理系統BMS通過CAN總線反饋高壓下電完成之后，電機將進行自放電操作，直至電機母線電壓降至安全閾值內，則高壓下電完成。

6 結束語

本文詳細描述了混合動力汽車電源高低壓上下電管理流程及控制方法，詳細分析了混合動力汽車各控制器的上下電步驟流程，并且從上下電流程中的預充電管理、電機母線電壓檢測、絕緣檢測、高壓互鎖檢測及網絡通信超時方面進行故障策略研究及分析。最后結合某樣車實例，通過試驗及數據分析驗證了相關電源上下電管理流程控制方法的有效性和可靠性。