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    電子論文

    P2構型混合動力汽車電壓控制功能算法研究

    時間:2021年09月03日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

    【摘要】為解決P2構型混合動力汽車的高壓電池管理系統(BMS)發生嚴重故障切斷繼電器時,12V電源易消耗殆盡而被迫停車的問題,提出了控制驅動電機發電維持母線電容電壓的方法,達到經DC/DC對12V電源充電的目的。因電機轉速和低壓負載的急劇變化會對母線電壓造

      【摘要】為解決P2構型混合動力汽車的高壓電池管理系統(BMS)發生嚴重故障切斷繼電器時,12V電源易消耗殆盡而被迫停車的問題,提出了控制驅動電機發電維持母線電容電壓的方法,達到經DC/DC對12V電源充電的目的。因電機轉速和低壓負載的急劇變化會對母線電壓造成較大波動,同時考慮電機電磁參數和負載變化速率對母線電壓的影響,設計了電壓控制功能的系統傳遞函數和相關參數,并進行了仿真和實車驗證。結果表明,提出的電壓控制算法可解決BMS發生嚴重故障后12V電源易饋電而被迫停車的問題。

      主題詞:混合動力汽車驅動電機母線電容電壓控制

    汽車電壓

      1前言

      高壓電池作為混合動力汽車(HEV)中最有應用前景的能量源[1-3],面臨著諸多挑戰。當高壓電池管理系統(BatteryManagementSystem,BMS)出現嚴重故障時,會降低高壓電池的輸出性能,甚至使其無法工作[4-7],進而無法經DC/DC對12V電源充電。多數HEV為節約成本取消了發電機,當BMS出現嚴重故障切斷繼電器時,只有12V電源為所有低壓負載供電,易被耗盡而使HEV無法繼續行駛。

      針對BMS故障問題,應用失效模式和效果分析(FailureModeandEffectAnalysis,FEMA)、故障樹分析(FaultTreeAnalysis,FTA)等方法可起到一定的預防作用[8],但不能解決故障發生后的問題。通過增加電路結構可以提高BMS的容錯能力[9-12],但會增加成本。利用母線電容電壓作為電機控制目標,通過電壓控制器得到電壓角度,利用電流控制器得到電流滯后電壓角度,將以上2個角度之和輸入驅動電機控制器(MotorControlUnit,MCU)[13-14],通過控制驅動電機發電為母線電容充電,目前只應用于摩托車。此方法的弊端為電壓控制器得到的電壓角度與電流控制器得到的電流滯后電壓的角度易形成相位延時,控制效果不理想。

      針對P2構型混合動力汽車BMS發生嚴重故障切斷繼電器的情況,本文以母線電壓為控制目標,根據實測母線電壓與母線電容電壓進行PI調節,以電機轉矩指令為輸出,構成電壓環,再利用轉矩指令計算出電流指令,根據電流指令與實測電流進行PI調節,構成電流環,實現雙閉環控制,基于電控系統雙閉環結構的響應性和穩定性,設計雙閉環的系統參數。針對電壓控制作用工況,設計切換電壓控制狀態的條件,基于電磁參數和負載對電壓控制的影響,設計相關仿真和試驗,驗證電壓控制功能的可行性。

      2電壓控制功能的應用

      離合器接合時,車輛以混合動力模式行駛,離合器斷開時,車輛以純電動模式行駛。當BMS發生嚴重故障切斷繼電器時[15-16],驅動電機以母線電壓為控制目標,通過控制驅動電機發電滿足DC/DC工作條件[17-18],為12V電源供電。驅動電機在轉矩控制模式下,以整車控制器(VehicleControlUnit,VCU)轉矩指令為控制目標,從整車轉矩指令中分解出目標電流,進行電流閉環控制。

      在轉速控制模式下,以整車轉速指令為控制目標,通過實際反饋轉速和目標轉速得到轉矩,再分解出目標電流,進行轉速環和電流環的雙閉環控制[19-20]。電壓控制功能以母線電壓為控制目標,根據實測母線電壓與母線電容電壓進行PI調節,實現電壓閉環。

      2.1電壓控制功能進入和退出參數設計

      電壓控制功能的開啟與關閉應同時考慮母線電壓和驅動電機轉速,為避免在電壓控制時出現反復開啟和關閉的情況,進入和退出電壓控制的母線電壓和驅動電機轉速都存在滯環。進入電壓控制的驅動電機轉速應等于發動機怠速轉速。跛行狀態下發動機通過離合器與驅動電機直連,退出電壓控制的驅動電機轉速應小于母線電容耐壓值和逆變器耐壓值對應的驅動電機轉速限值。各溫度下仿真和試驗測得的1000r/min對應的反電勢,由于驅動電機磁鏈受電機溫度影響,本文應用仿真和試驗測得驅動電機最大磁鏈,取母線電容耐壓值與逆變器耐壓值中較小者推導退出電壓控制的驅動電機轉速。

      3電壓控制功能的實車測試

      在VCU、BMS和MCU控制交互過程中,應保證BMS切斷繼電器后,屏蔽與其相關的控制器局域網絡(ControllerAreaNetwork,CAN)通訊,保證發動機跛行能正常工作。為保證MCU能迅速穩定執行電壓控制,VCU在電壓控制穩定前禁止DC/DC工作,防止DC/DC負載變化導致母線電壓波動而無法進入電壓控制模式。包括上位機、數據采集工具和整車與上位機接口線束等。

      汽車工程論文: 電動汽車車載充電機原理分析及仿真驗證

      4結束語

      本文針對P2構型混合動力汽車BMS發生嚴重故障切斷繼電器的情況,提出了以母線電壓為控制目標的電壓控制方式,建立了P2構型HEV電控系統的傳遞函數,并基于雙閉環的系統響應性和穩定性,設計了雙閉環系統的相關參數。其次,根據電壓控制功能的作用工況,設計了切換電壓控制狀態的轉速和電壓,基于電機溫度對電機電磁參數的影響和DC/DC等負載對母線電壓的影響,進行了電機溫度對電磁參數影響的仿真和試驗,針對DC/DC等負載對母線電壓的影響進行了仿真,并設計了相關整車試驗,最終仿真和實車試驗都驗證了電壓控制的可行性。

      參考文獻

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      [3]DUBARRYM,TRUCHOTC,LIAWBY.SynthesizeBatteryDegradationModesviaaDiagnosticandPrognosticModel[J].JournalofPowerSources,2012,219(12):204-216.

      [4]SONGYC,LIUDT,YANGC,etal.Data-DrivenHybridRemainingUsefullifeEstimationApproachforSpacecraftLithium-IonBattery[J].MicroelectronicsReliability,2017,75(8):142-153.

      作者:潘忠亮1,2趙慧超1,2李帥1,2

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