基于分级模型的电动汽车高压电气策略研究

李 东，沙文瀚，王 飞，刘 琳，曾羽飞

（奇瑞新能源汽车工程研究院，安徽 芜湖 241000）

新能源汽车以电机作为驱动机构，以动力电池作为供电来源，以实现电力驱动作为产品的核心职能，衍生包括充电、高压安全及空调控制等高压功能。一系列功能设计需要有效的模型辅助进行策略架构和逻辑的设计。

行业内对于架构控制策略已经有一定的研究，并进行相应的验证和搭载。如田晟等的纯电动汽车上下电及电池管理系统故障控制策略对纯电动汽车的上下电功能时序及电池的故障控制策略进行了解析。相比以往研究，该文对上下电过程中各控制节点的响应原则进行了定义，基于此提出了正常上下电及紧急上下电的控制策略。

韩友国等基于某款电动汽车设计相应的驱动控制策略，整车控制单元对用户的驾驶意图进行分析并建立相应的制动及驱动策略，以及基于动力电池的荷电状态，建立相应的高压安全保护策略。利贺等对增程式汽车目前主要存在的电能消耗-电能维持控制策略以及混合型控制策略进行分析，并提出了一种自适应控制策略，能够识别车辆工况、智能控制增程器启停和功率输出。

1 功能策略分解

1.1 原理基础

电动汽车的最核心功能是电力驱动，电能作为驱动能源，电机作为驱动模块，电池作为储能元件。其中电机及其驱动系统作为整车的动力模块，根据整车控制器的控制指令，输出相应的扭矩经减速器、半轴到达车轮，电子控制器和功率变换器是电驱系统的两大主要模块，动力电池为整车的储能单元，实现对整车高压电能的储存及输出，设计有充电系统，动力电池电能输出完毕后，对电池进行电能补充，目前充电方式主要为直流充电和交流充电。

压缩机及PTC为整车的空调系统元件，同样采用高压电能作为能源，PTC（加热器）相当于加热电阻，给PTC进行供电，PTC会产生热量，通过鼓风机实现整车加热需求；压缩机同样进行供电，会在蒸发器吸收大量热量，通过鼓风机进行热交换。

配电盒为整车的配电单元，包含熔断器、高压插件及继电器等原件，可以对电能进行分配，同时电路发生过载，可以实现电安全保护。DCDC是整车的低压供电单元，相当于传统车发电机的作用，可以将动力电池的高压电转换为12V低压电，给整车低压电器及蓄电池进行供电。

1.2 功能分解

如图1所示，电力驱动功能包括上电策略、下电策略、挡位控制、扭矩输出和起步蠕行等多部分子级功能构成，同时需要并行的功能进行组合执行，包括高压安全、能源管理、充电控制和附件功能。

图1 电动汽车结构及功能分析示意图

电机驱动

电机驱动为整车的核心功能，也是汽车最初始需求；电动汽车的驱动单元是电机，驱动能源来自于电能，电机驱动完整功能实现由高压上电管理、高压下电管理、扭矩输出控制、挡位控制及起步蠕行等策略共同组建而成。

高压安全

电动汽车内有高压电能进行传输，当高压电保护不良，就会存在人员触电风险，高压安全保护功能是电动汽车开发过程中必须实现的基本保障。高压安全分别从物理层和功能层进行考虑，物理层包括对电流传输线路的全方位绝缘保护，避免人员直接接触电路；功能层包括环路互锁功能、绝缘检测功能、主动泄放、电位均衡及碰撞安全等。

能源管理

能源管理是对供能单元电流、电压、温度的实时检测以及状态反馈，包括电流检测、电压检测、SOC计算、瞬时功率计算以及温度检测。

充电控制

动力电池是整车的供能单元，当动力电池电能用完之后，需要对动力电池补充电能，满足整车的充电需求；包括快充功能、慢充功能、预约充电和充电显示等。充电需求的实现需要完备的充电时序控制才能实现。

附件功能

随着汽车智能化、电气化的不断发展，低压部件越来越多，需要提供12V供电单元，相对于传统汽车采用发电机给蓄电池进行供电，电动车设计有专属的高压附件DCDC模块，可以将高压电能转化为12V低压电。电动汽车相对于传统汽车同样有制冷、制热需求，分别采用压缩机及PTC来实现。

2 分级模型

基于原理基础及功能分析可知，要实现高压安全、空调功能、低压供电需要一系列子功能组合实现。如图2所示，通过对功能策略的研究，建立了请求级、监控级、判断级、指令级以及执行级功能模型，便于策略的架构及逻辑设计。

图2 分级功能模型框图

1）请求级 （input）：功能模型的启动输入级，当请求级开始后，策略流程开始往后流动，如对车辆进行充电时，插上充电枪即为充电请求源头；启动空调，旋动空调按钮或者大屏触摸启动空调为空调启动源头；行驶驱动的请求级可以认为是切换挡位到D挡级油门信号的组合；请求输入不一定只是单一动作，也存在不同动作的集合。

2）监控级 （Plan）：监控级即对请求级状态的监控，包括请求信号及策略所需信号的监控，如纯电动汽车电力驱动行驶过程中，会对踏板信号进行监控，同时检测电机的输出扭矩大小、转速、电压、电流、温度、整车车速等状态。空调制冷监控空调面板的启动信号，同时会对电动压缩机转速、冷却回路压力、蒸发器温度、风扇状态等进行监控。

3）判断级（decide）：即对监控状态及设定的阈值进行比对的层级，如充电启动信号，同时满足充电状态，发出充电请求；或者动力电池内对电芯的温度、电压、电流进行监控，如某平台电芯设定的高温阈值为50℃，监测到的电芯温度为52℃，可判断为动力电池二级过温，并进行上报。

4）指令级（command）：即针对判断级的输入下发匹配的执行指令，如在行驶驱动过程中，如指令级接收判断级发出的高压附件环路断开故障，会对车速信号进行查看，当前是否处于高速状态，确认如高于30km/h，则下达仪表故障提示用户及限制电机输出功率指令，防止出现追尾等行驶安全，直到车速低于设定阈值时，再发出高压断开指令。如车速本身已低于10km/h，则直接发出高压断开指令。

5）执行级 （execute）：即接收到指令级的具体指令进行执行的层级，如指令级确认收到一般故障提示，发出限制功率指令，电机控制器需限制输出扭矩；如发出高压断开指令，则动力电池需执行相应动作，断开高压回路输出。

3 整车电气策略设计

基于分级模型和高压架构，分别制定出驱动控制和绝缘保护的逻辑策略。如图3所示。

图3 行驶驱动逻辑策略

3.1 驱动控制

1）请求级：用户踩下油门或切换挡位，会有挡位及油门信号，请求级为挡位切换及油门信号。

2）监控级：VCU和MCU对模块进行状态监控，包括油门信号、挡位信号、模块是否有故障。

3）判断级：VCU接收请求信号进行逻辑判断，下发动作指令。

4）指令级：向减速器发出挡位切换指令，进行前进挡切换，VCU接收到油门信号，向电机控制器发出扭矩输出请求。

5）执行级：减速器进行挡位切换，电机控制器执行动作并发出当前扭矩状态，车辆进入电力驱动状态。用户想要停车时，踩下制动开关，同时切换挡位到N挡，VCU同时检测到制动状态及挡位切换请求后，下发挡位切换指令，同时向电机控制器发出零扭矩请求，减速器及电机控制器响应并执行驱动动作，车辆驱动停止；用户拔下钥匙，VCU未检测到ON挡信号，发出继电器切断指令，BMS断开主正负继电器，各模块进入休眠。

3.2 绝缘保护

如图4所示，①请求级：以高压回路的低阈值状态作为绝缘保护功能的启动输入；②监控级：一级单元BMS被唤醒后会实时对高压回路的阻值状态进行监控，当存在低阈值状态时，BMS会上报低阈值状态和绝缘故障给整车控制器；③判断级：整车控制器接收到低阈值状态和绝缘故障后，匹配相应故障信息，进行逻辑判断；④指令级：下发动作指令，向BMS发出断开继电器指令，向MCU发出停止驱动输入指令，同时仪表点亮绝缘故障灯，提示用户存在绝缘故障；⑤执行级：BMS在接收到动作指令后，执行断开继电器保护动作，并将继电器的状态信息实时发出。

图4 绝缘保护逻辑策略

4 高压策略实车验证

基于逻辑策略分解及高压架构的设计，进行了某款电动汽车车型的搭载测试，对时序逻辑进行了采集验证。

4.1 驱动控制时序

如图5所示，在0时刻钥匙点火，低压继电器吸合，各模块开始工作，VCU在200ms内发出吸合指令，BMS接收到吸合指令，吸合主继电器，继电器状态显示为闭合，电池电压拉升。用户踩下制动及切换挡位，VCU对制动及挡位信号进行采集，发出扭矩请求指令，MCU输出相应扭矩，时序显示MCU端检测的电流开始上升，与设计策略相符。驾驶一段时间后，重新踩制动切断挡位至N挡，停车下电，VCU检测到钥匙下电信号，发出切断指令，BMS断开高压继电器，MCU端电压快速泄放，各模块逐步休眠。

图5 驱动控制时序

4.2 绝缘保护时序

如图6所示，在0时刻整车发生了绝缘失效，高压回路的物理状态发生改变，基于策略设计，BMS应对整车的高压回路绝缘状态进行监控。时序显示BMS在200ms内检测到了高压回路电阻降低状态，并像CAN网络上报了低阈值阻值以及故障信息。

图6 绝缘保护时序

绝缘故障为高压安全故障，VCU接受到故障信息在100ms内下发断电指令和仪表报警，BMS执行断电指令，继电器断开，同时仪表进行故障报警。

5 结论

文中在对功能策略研究的基础上建立了多级功能模型，基于模型梳理高压电气策略的内在架构和逻辑。根据功能模型提出了电力驱动、绝缘保护电气策略，进行了搭载测试。

抓取的实车数据显示：电力驱动功能正常，当有挡位及制动踏板信号时，电机输出相应的输出扭矩，电流显示正常。

整车上电后，有实时的绝缘阻值反馈，当人为地在高压电路中接入低阻值电阻时，低阻值会立刻被检测到，同时有绝缘报警，并断开高压回路，有效保护了人员安全。