电动汽车高压上下电控制电路及系统研究

王东旭　李前进　郭晖

摘 要：在可持续发展趋势下的“节能降耗，绿色环保”主题已经受到人们的关注，越来越多的人们开始选购电动汽车，使得电动汽车的市场量在不断增加，然而也出现了电动汽车的各种高压安全问题事故。为了提升电动汽车的各种高压的安全性，本文将对纯电动汽车系统及其控制原理进行介绍，并对电动汽车高压上下电控电路系统的操作实施进行讲解，希望和同仁一起探讨电动汽车高压上下电控电路系统安全、可靠的操作实施问题。

关键词：电动汽车；高压上下电控制电路；动力电池；电机控制器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.032

1 纯电动汽车系统及其控制原理

1.1 纯电动汽车系统

在节能环保的当下，电动汽车逐渐成为汽车领域的宠儿。对于一辆纯电动汽车，其主要的系统为高压上下电控制系统，其部件主要是电池及其管理系统 BMS、高压接触器、MSD 开关、预充电阻、车辆控制器等。电动汽车的控制核心是VCU整车控制器，通过VCU就能完成通信、处理与逻辑控制工作。对于每一控制模块的信号状态可以在任何工况下进行检测，然后采取逻辑控制策略来完成高压上下电控制系统的安全控制。

硬件部分。动力电池模块成为了电动汽车的高压上、下电控制系统的主要硬件，该电池模块具体组成分为动力电池部分、整车部分、电机控制器、电池管理系统、逆变器和变换器等部分组成，其中动力电池部分有S1（主正接触器）、S2（主负接触器）、R2（预充电阻）、S6（预充接触器），而整车部分有S3（主正接触器）、S4（主负接触器）、S5（预充接触器）、R1（预充电阻）、VCU（控制器）组成。

对于高压上、下电控制系统的软件组成部分，主要有整车控制器与电池管理系统这两部分的控制软件程序。其中，整车控制器软件程序的功能为采集相关部件的信号，这些部件或功能信号采集的对象主要有“ON/start（开关）档”、整车故障状态、电池与电机控制器反馈、整车主正与主负接触器反馈、预充接触器反馈等的信号，便于对电动汽车在高压电路正常执行情况下能够对电动汽车运行状态进行故障检测判断。电池管理系统（BMS）软件部分是对动力电池模块的数据与故障进行检测，然后将相关信号发送到整车控制器，同时接收“上电”命令信号，对动力电池部分的主正、主负、预充接触器进行控制，最终还要把控制的状态再次反馈到整车控制器。

1.2 系统控制原理

在无故障状态下，钥匙开关由OFF 档到 ON 档的切换中，电池管理系统会将S2先闭合，然后再对S6闭合，此时会为充电机电容完成预充电，再将S1闭合，接着将S6断开，最为为电动汽车进行供电。BMS系统会将“上电完成”的信号发送给整车控制器。

对于上述由OFF 档到 ON 档的切换等一系列的系统操作良好时，ON 档拧到 START 档的钥匙启动过程中，整车控制器会闭合S5，然后对电机控制的高压部件完成预充电，再将S3闭合，对 DC/AC 使能进行输出，当将S5断开时，就完成了整个上高压电流程操作，开始启动车辆。

当START档切换至OFF 档时，也就是进行下电流程的操作，具体是先将S3断开，然后将S4断开，再由VCU将下电指令发送给 BMS，由BMS发出断开S1、S2的指令并完成高压下电流程操作。

2 电动汽车高压上下电控电路系统的操作实施

2.1 高压上电控制逻辑实施

当OFF切换到ON 档时，ON 档信号被整车控制器所采集，并判断其高电平是否有效，若有效，会由继电器供电给电池管理系统，而电池管理系统会进行自检，结合是否进行“强制断高压”，将相应的故障信息发送到整车控制器，并对信息进行判断，当为无强制断高压故障状态时，会将上电指令发送给BMS。然后由BMS系统发出闭合S2的控制命令，再对S6发出闭合命令，当外电压超过电池总电压的 90%时，才将S1闭合，再断开 S6，最终将“上电完成”信号发送给VCU。而VCU收到信號后会延时0.5s 闭合 S4，然后开始延时计时，将DC/DC 使能信号输出，此时DC/DC 就会供电给低压系统。当“START 档”信号传输到VCU时，这个过程中如果没有出现电机控制器和电池发出的不允许预充故障，而制动开关信号的采集是高电平时，那么VCU就会将S5闭合。当MCU将信号发送给VCU并收到时，会将S3闭合，然后由DC/AC 工作，输出交流电。在S3闭合反馈为有效时，会将S5断开，也就完成了本次的MCU上高压，实现车辆启动。

2.2 高压下电控制逻辑实施

ON 档掉电信号发送给整车VCU并收到后，由VCU将输出电机转矩控制为零，此时会停止DC/DC、DC/AC 的工作，持续1秒钟的时间，然后将S3断开。当S3断开的反馈信号发送给VCU，或者是在2s 后将S4断开 S4。而当S4 反馈信号或延时 3s将信息发送给VCU，VCU会将“下电指令”发送给BMS，由BMS将S1、S2按顺序断开，同时将“高压断开”信号发送给VCU，而VCU收到信号后或者是延时 4 秒断开 BMS 供电接触器，也就完成了整个下电控制。

2.3 非正常下电控制逻辑实施

当开关钥匙在ON档/START档时，汽车出现了整车严重故障，此时系统会采取非正常下电流程。具体是ON档信号故障传送至VCU，就会在驱动系统、电池系统、绝缘这三种最高级故障中出现一种，使得VCU输出0电机扭矩，进行2秒延时，将闭合的S3断开，同时反馈接触器状态，当S3为闭合时，就会持续当前状态。当DC/DC、DC/AC 的使能信号保持50秒为有效的，那就会停止输出。若是三种故障中任意一个故障有效 55 秒，那么之就会将S4断开，同时反馈接触器状态，并将“下电指令”发送至BMS，等1秒过后，会将BMS进行低压电的切断。如果出现56秒钟内就有钥匙关闭的情况，此时VCU会马上进入和执行正常下电流程。

3 结语

综述，本文主要对电动汽车的高压上、下电控制系统以及电池预充系统和整车预充系统进行研究，详细阐述了这两个预充系统的组成部分。其中的电池预充系统是当电路短路或者接近短路时出现电池主正接触器不能正常闭合时保障MSD 开关不被烧毁的一项安全保护措施，而整车预充系统则为电动汽车的高压工况提供上、下电逻辑控制，保障高压上下电控制的可靠性与安全。

参考文献：

[1]申彩英，杨思敏.基于低速电动汽车的电池实时检测系统[J]. 电源技术.2017（08）.

[2]胡建红.基于MC9S12DP512与CAN总线的电池管理系统研究与设计[D].上海交通大学，2008.

作者信息：王东旭（1986-），男，甘肃永昌人，本科，学士，助教，主要研究方向：从事汽车控制电路研究，电动汽车电控研究。endprint