混合動力汽車高壓上下電控制策略

劉衛(wèi)東， 彭玉環(huán)， 吳方義， 王愛春

（江鈴汽車股份有限公司， 江西 南昌 330001）

近年來，在國家相關政策的大力支持鼓勵下，越來越多的主機廠開展了新能源汽車，包括混合動力汽車的研發(fā)，并投入市場。在雙積分政策的壓力下，主機廠已經開始面臨油耗壓力，力爭通過提升新能源車產銷來增大企業(yè)平均油耗的分母。盡管中國發(fā)展新能源車的政策驅動力很強，混合動力新能源汽車技術難度大，但將是應對未來中大型車降低油耗壓力、提高續(xù)航的可靠手段。在這樣的產業(yè)發(fā)展背景下，插電式混合動力汽車必將迎來一波發(fā)展浪潮［1］。

1 初始化及高壓上下電控制

當智能鑰匙在車內且合法有效，換擋桿擋位處于P/N擋，踩下制動踏板，按下啟動按鈕，車輛開始啟動，車輛啟動包括純電啟動與發(fā)動機啟動：①當電池包允許放電電流小于一定值時，或電池包電量SOC小于一定值時，只允許發(fā)動機啟動；②當電池包允許放電電流大于一定值，且電池包電量SOC大于一定值時，采用純電啟動。無論是發(fā)動機啟動還是純電啟動，都需要完成啟動電子防盜認證。

車輛啟動電子防盜控制由發(fā)動機控制單元ECM、牽引力電機控制器MCU、動力控制模塊HCU、被動進入/一鍵啟動模塊PEPS和智能鑰匙參與控制［2］。

首先智能鑰匙與PEPS完成鑰匙認證，認證成功后，整車進入IGN ON，HCU、EMS、MCU完成相應初始化工作。同時PEPS開始確認如下條件1是否全部滿足。

條件1：①電源模式處于IGN ON；②制動踏板信號有效；③擋位處于P或N擋位；④車速小于3km/h；⑤智能鑰匙認證成功；⑥電子轉向柱鎖解鎖成功；⑦發(fā)動機或電機轉速為0。

若滿足以上條件1，防盜認證成功，PEPS發(fā)送啟動請求信號給VMS，VMS進入高壓上電過程。在完成初始化之后，HCU同時確認電池包狀態(tài)，當高壓電池包允許放電電流及動力模式開關狀態(tài)符合以下條件2中的任意一條。

條件2：①SOC小于一定值；②高壓電池包允許放電電流小于一定值；③SOC大于一定值且高壓電池包允許放電電流大于一定值且動力模式開關為HEV模式。

HCU將整車動力模式置為HEV模式，當高壓電池包電量SOC、高壓電池包允許放電電流及動力模式開關狀態(tài)符合以下條件3。

條件3：①SOC大于一定值；②高壓電池包允許放電電流大于一定值；③動力模式開關為EV模式。

HCU將整車動力模式置為EV模式。當高壓上電完成之后，HCU成功接收整車模式信號為駕駛模式后，HCU開始控制動力系統(tǒng)，并確認當前動力系統(tǒng)是否就緒，動力系統(tǒng)就緒需要滿足以下條件4。

條件4：動力系統(tǒng)就緒后，HCU通過總線反饋動力系統(tǒng)就緒并判斷是否需要采用發(fā)動機啟動。①當不需要采用發(fā)動機啟動，整車EV啟動完成，儀表顯示整車可用于駕駛等信息；②當需要啟動發(fā)動機，HCU通過總線發(fā)送啟動請求信號給發(fā)動機控制模塊ECM，并判斷外界環(huán)境溫度；③當外界溫度小于一定值時，HCU通過總線發(fā)送冷啟動請求信號給PEPS，PEPS確認條件1滿足，斷開ACC與IGN2繼電器，同時通過總線發(fā)送冷啟動允許信號給HCU，HCU接收到有效信號后，控制冷啟動繼電器吸合，通過冷啟動繼電器帶動發(fā)動機啟動，當PEPS接收到發(fā)動機控制模塊反饋的發(fā)動機啟動成功信號之后，重新吸合ACC與IGN2繼電器；④當外界溫度大于一定值時，HCU控制采用P0電機帶動發(fā)動機啟動。發(fā)動機控制模塊確認發(fā)動機轉速，并控制噴油點火，當發(fā)動機啟動成功后，通過總線反饋發(fā)動機狀態(tài)，整車發(fā)動機啟動完成。控制采用發(fā)動機啟動并發(fā)送發(fā)動機啟動請求信號給發(fā)動機ECM，發(fā)動機ECM接收該信號后發(fā)送認證請求給HCU，開始防盜認證，當HCU接收發(fā)動機防盜認證成功信號之后，發(fā)送起動機工作請求信號給PEPS，PEPS確認是否滿足條件1，當滿足條件1后，PEPS斷開ACC與IGN 2繼電器，并發(fā)送起動機允許吸合信號給HCU與發(fā)動機ECM，HCU接收該信號之后吸合起動機繼電器，ECM確認發(fā)動機轉速滿足要求，開始噴油點火控制，車輛完成啟動工作。

無論是發(fā)動機啟動成功還是純電啟動成功，之后如果需要從IGN ON啟動車輛，從上一次認證成功30s之內啟動車輛，不需要再進行防盜認證，超過30s，啟動車輛需要重新進行防盜認證。

車輛起動之后，按下EV或HEV模式切換開關，從純電模式切換至混合動力模式，或從混合動力模式切換至純電模式，不需要再進行防盜認。啟動防盜認證如圖1所示。

圖1 啟動防盜認證示意圖

2 高壓互鎖保護控制

高壓工作電壓范圍為220～420V，為保證整車漏電安全，整車具備高壓互鎖保護控制。整車高壓互鎖由圖2所示的控制電路實現(xiàn)。

圖2 整車高壓互鎖控制示意圖

當整車控制模塊VMS確認高壓允許上電后，VMS控制HVIL_OUT輸出高電壓，如果所有高壓零部件（MCU、ACU、P0 Motor、P3 Motor、DC-DC、OBC、BP） 的高壓接插件正常連接，繼電器R1吸合，同時VMS采集HVIL_IN信號，并確認HVIL_IN 信號符合要求 （高電平有效），若VMS 檢測HVIL_IN信號不滿足要求，則控制停止HVIL_OUT高電平的輸出。

在整個高壓互鎖控制過程中，假如斷開維修開關，VMS檢測HVIL_IN信號不滿足要求，停止HVIL_OUT高電平的輸出，同時R1繼電器斷開，BMS高壓斷電［3］。

3 高壓預充電及上下電控制

3.1 啟動高壓上電控制

當VMS接收到有效啟動請求信號之后，總體確認以下條件滿足，VMS控制HVIL_OUT輸出高電平，同時通過總線發(fā)送啟動高壓上電請求信號給BMS。若所有高壓零部件高壓接插件連接正常，R1繼電器吸合。

①制動踏板踩下且信號有效（硬線信號）；②擋位處于P擋或N擋（硬線信號）；③啟動請求信號有效；④動力系統(tǒng)正常；⑤DC/DC正常；⑥BMS及電池系統(tǒng)正常；⑦CAN通信正常。

如上述條件滿足，HVIL_OUT高電平輸出后，判斷HVIL_IN信號符合要求 （高電平有效），則通過總線發(fā)送高壓上電指令。BMS高壓繼電器獲得驅動電壓之后，BMS接收到有效的上電請求信號，BMS控制預充繼電器吸合。預充電繼電器吸合后，BMS通過總線發(fā)送預充繼電器狀態(tài)信號給VMS，VMS接收到該有效信號后，將高壓狀態(tài)信號置為Activation，同時BMS將主正、主負繼電器狀態(tài)反饋給VMS，VMS接收到繼電器閉合的信號后，將整車高壓狀態(tài)置為ON，高壓上電完成。

如不滿足要求，預充電失敗，BMS斷開預充電繼電器，整車高壓上電失敗，同時BMS通過總線信號將高壓上電失敗狀態(tài)反饋給VMS，VMS將整車模式置為Termination Mode，并發(fā)出高壓下電指令。

若高壓上電指令發(fā)出1s之后，BMS主正繼電器未閉合并且未反饋預充失敗信號，則VMS自行判斷預充失敗，將整車模式置為Termination Mode，并發(fā)出高壓下電指令。

當在啟動高壓上電過程中預充失敗，此時VMS重新檢測啟動條件，當制動踏板踩下，啟動按鈕按下，VMS重新接收到PEPS發(fā)送的有效啟動請求信號之后，重新進入高壓上電。若重復上高壓電次數(shù)大于5，則VMS禁止上高壓電。

3.2 充電高壓上電控制

當VMS接收到有效的充電槍插入信號之后，確認以下條件滿足，VMS控制HVIL_OUT輸出高電平，同時通過總線發(fā)送高壓上電請求信號給BMS。若所有高壓零部件高壓接插件連接正常，R1繼電器吸合。

①充電槍插入信號有效；②擋位處于P擋；③動力系統(tǒng)正常；④DC/DC正常；⑤BMS正常；⑥OBC正常；⑦CAN通信正常。

若上述條件滿足，HVIL_OUT高電平輸出后，判斷HVIL_IN信號符合要求 （高電平有效），則通過總線發(fā)送高壓上電指令。

3.3 運行高壓下電控制

高壓下電是由VMS與BMS主導控制。高壓下電分為正常高壓下電過程及緊急情況下電過程。在高壓下電控制過程中，MCU與ACU會根據(jù)電機溫度，優(yōu)先請求冷卻風扇工作，進行降溫處理，從而保護電機防止過熱。

整車高壓上電中，按下啟動按鈕，整車進入POWER OFF狀態(tài)，此時，VMS將整車模式置為終止模式，同時將高壓狀態(tài)置為Termination狀態(tài)，并發(fā)送總線信號控制DC-DC停止工作，同時繼續(xù)吸合CG繼電器，進入下電等待階段。

DC-DC接收到有效停止工作信號后，控制高低壓轉換工作停止，停止工作后，反饋DC-DC工作狀態(tài)。

HCU接收VMS發(fā)送的整車“終止模式”狀態(tài)信號，通過總線控制高壓動力電機停止工作，當動力電機停止工作后，HCU通過總線信號將動力系統(tǒng)狀態(tài)反饋給VMS。當P0電機與P3電機溫度過高時，HCU通過總線發(fā)送冷卻風扇請求信號給發(fā)動機控制單元ECM，當電機溫度冷卻至允許范圍之內，HCU通過總線發(fā)送冷卻風扇停止工作信號，VMS允許CG繼電器斷開。

當VMS接收到DC-DC及動力系統(tǒng)零部件停止工作狀態(tài)信號后，發(fā)送高壓下電請求信號給BMS，BMS接收高壓下電請求信號之后，控制主正和主負高壓繼電器斷開，并反饋電池包狀態(tài)信號給VMS，VMS接收到該信號之后，同時確認主正主負繼電器處于斷開狀態(tài)之后，控制HVIL_OUT接口停止輸出。

當VMS發(fā)送高壓下電請求信號之后開始計時，當超過1s之后，BMS依然未反饋電池包下電狀態(tài)信號或者主正主負繼電器依然處于吸合狀態(tài)，VMS無條件停止HVIL_OUT接口的電氣輸出。

VMS控制HVIL_OUT接口停止輸出，同時通過總線發(fā)送高壓放電允許信號給HCU，HCU接收到該有效信號之后，控制MCU進行高壓放電。當MCU高壓放電完成之后，MCU通過總線將放電完成狀態(tài)發(fā)送給VMS，VMS接收到該有效信號后，才允許CG繼電器斷開。

VMS控制HVIL_OUT接口停止輸出后，將高壓狀態(tài)置為OFF狀態(tài)。CG繼電器的關閉條件：①BMS反饋繼電器斷開；②HVIL_IN檢測到低電平；③高壓放電完成；④冷卻風扇停止工作。

3.4 充電高壓下電控制

當充電完成后，BMS通過總線信號控制OBC停止工作，OBC接收到有效信號之后停止高壓充電工作，并將OBC狀態(tài)信號反饋給BMS。BMS通過總線信號將充電完成狀態(tài)信號發(fā)送給VMS，VMS接收到該有效信號后，或者充電槍插入信號無效，將整車模式置為Termination Mode，同時將高壓狀態(tài)置為Termination狀態(tài)，并發(fā)送總線信號控制DC-DC停止工作，同時繼續(xù)吸合CG繼電器，進入下電等待階段。

DC-DC接收到有效停止工作信號后，控制高低壓轉換工作停止，停止工作后，反饋DC-DC工作狀態(tài)。HCU接收VMS發(fā)送的整車“終止模式”狀態(tài)信號，HCU通過總線信號將動力系統(tǒng)狀態(tài)反饋給VMS。

當VMS接收到DC-DC及動力系統(tǒng)零部件停止工作狀態(tài)信號后，發(fā)送高壓下電請求信號給BMS，BMS接收高壓下電請求信號之后，控制主正和主負高壓繼電器斷開，并反饋電池包狀態(tài)信號給VMS，VMS接收到該信號之后，同時確認主正主負繼電器處于斷開狀態(tài)之后，控制HVIL_OUT接口停止輸出，同時檢測HVIL_IN接口的反饋信號有效。

當VMS發(fā)送高壓下電請求信號之后開始計時，當超過2s之后，BMS依然未反饋電池包下電狀態(tài)信號或者主正主負繼電器依然處于吸合狀態(tài)，VMS無條件停止HVIL_OUT接口的電氣輸出。

VMS控制HVIL_OUT接口停止輸出，同時通過總線發(fā)送高壓放電允許信號給HCU，HCU接收到該有效信號之后，控制MCU進行高壓放電。當MCU高壓放電完成之后，MCU通過總線將放電完成狀態(tài)發(fā)送給VMS，VMS接收到該有效信號后，才允許CG繼電器斷開。

VMS控制HVIL_OUT接口停止輸出后，將高壓狀態(tài)置為OFF狀態(tài)。CG繼電器的關閉條件和運行下電相同。

3.5 故障下電

當整車高壓控制系統(tǒng)、高壓零部件等出現(xiàn)故障時，VMS執(zhí)行強制高壓下電控制，故障下電過程同樣也包括下電等待階段、延時斷電階段以及斷電完成階段。在各階段所需要完成的控制過程與正常下電過程一樣。

在出現(xiàn)嚴重故障，如發(fā)生碰撞時進行緊急下電，VMS可以不考慮動力系統(tǒng)、OBC、DC-DC工作狀態(tài)，直接通過HIVL_OUT斷開高壓。

4 總結

混合動力汽車的高壓上下電控制策略復雜，但安全要求非常高。本次設計從整車的防盜、上下電、預充電、高壓互鎖、故障下電等多個方面，結合動力控制模塊HCU、發(fā)動機控制單元ECM、車身控制器BCM、電機控制器MCU、被動進入/一鍵啟動控制器PEPS等多個整車模塊設計了安全、可靠的策略方案，并已經過批量生產驗證。