P2构型混合动力汽车电压控制功能算法研究

　　【摘要】为解决P2构型混合动力汽车的高压电池管理系统(BMS)发生严重故障切断继电器时，12V电源易消耗殆尽而被迫停车的问题，提出了控制驱动电机发电维持母线电容电压的方法，达到经DC/DC对12V电源充电的目的。因电机转速和低压负载的急剧变化会对母线电压造成较大波动，同时考虑电机电磁参数和负载变化速率对母线电压的影响，设计了电压控制功能的系统传递函数和相关参数，并进行了仿真和实车验证。结果表明，提出的电压控制算法可解决BMS发生严重故障后12V电源易馈电而被迫停车的问题。

　　主题词：混合动力汽车驱动电机母线电容电压控制

　　1前言

　　高压电池作为混合动力汽车(HEV)中最有应用前景的能量源[1-3]，面临着诸多挑战。当高压电池管理系统(BatteryManagementSystem，BMS)出现严重故障时，会降低高压电池的输出性能，甚至使其无法工作[4-7]，进而无法经DC/DC对12V电源充电。多数HEV为节约成本取消了发电机，当BMS出现严重故障切断继电器时，只有12V电源为所有低压负载供电，易被耗尽而使HEV无法继续行驶。

　　针对BMS故障问题，应用失效模式和效果分析(FailureModeandEffectAnalysis，FEMA)、故障树分析(FaultTreeAnalysis，FTA)等方法可起到一定的预防作用[8]，但不能解决故障发生后的问题。通过增加电路结构可以提高BMS的容错能力[9-12]，但会增加成本。利用母线电容电压作为电机控制目标，通过电压控制器得到电压角度，利用电流控制器得到电流滞后电压角度，将以上2个角度之和输入驱动电机控制器(MotorControlUnit，MCU)[13-14]，通过控制驱动电机发电为母线电容充电，目前只应用于摩托车。此方法的弊端为电压控制器得到的电压角度与电流控制器得到的电流滞后电压的角度易形成相位延时，控制效果不理想。

　　针对P2构型混合动力汽车BMS发生严重故障切断继电器的情况，本文以母线电压为控制目标，根据实测母线电压与母线电容电压进行PI调节，以电机转矩指令为输出，构成电压环，再利用转矩指令计算出电流指令，根据电流指令与实测电流进行PI调节，构成电流环，实现双闭环控制，基于电控系统双闭环结构的响应性和稳定性，设计双闭环的系统参数。针对电压控制作用工况，设计切换电压控制状态的条件，基于电磁参数和负载对电压控制的影响，设计相关仿真和试验，验证电压控制功能的可行性。

　　2电压控制功能的应用

　　离合器接合时，车辆以混合动力模式行驶，离合器断开时，车辆以纯电动模式行驶。当BMS发生严重故障切断继电器时[15-16]，驱动电机以母线电压为控制目标，通过控制驱动电机发电满足DC/DC工作条件[17-18]，为12V电源供电。驱动电机在转矩控制模式下，以整车控制器(VehicleControlUnit，VCU)转矩指令为控制目标，从整车转矩指令中分解出目标电流，进行电流闭环控制。

　　在转速控制模式下，以整车转速指令为控制目标，通过实际反馈转速和目标转速得到转矩，再分解出目标电流，进行转速环和电流环的双闭环控制[19-20]。电压控制功能以母线电压为控制目标，根据实测母线电压与母线电容电压进行PI调节，实现电压闭环。

　　2.1电压控制功能进入和退出参数设计

　　电压控制功能的开启与关闭应同时考虑母线电压和驱动电机转速，为避免在电压控制时出现反复开启和关闭的情况，进入和退出电压控制的母线电压和驱动电机转速都存在滞环。进入电压控制的驱动电机转速应等于发动机怠速转速。跛行状态下发动机通过离合器与驱动电机直连，退出电压控制的驱动电机转速应小于母线电容耐压值和逆变器耐压值对应的驱动电机转速限值。各温度下仿真和试验测得的1000r/min对应的反电势，由于驱动电机磁链受电机温度影响，本文应用仿真和试验测得驱动电机最大磁链，取母线电容耐压值与逆变器耐压值中较小者推导退出电压控制的驱动电机转速。

　　3电压控制功能的实车测试

　　在VCU、BMS和MCU控制交互过程中，应保证BMS切断继电器后，屏蔽与其相关的控制器局域网络(ControllerAreaNetwork，CAN)通讯，保证发动机跛行能正常工作。为保证MCU能迅速稳定执行电压控制，VCU在电压控制稳定前禁止DC/DC工作，防止DC/DC负载变化导致母线电压波动而无法进入电压控制模式。包括上位机、数据采集工具和整车与上位机接口线束等。

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　　4结束语

　　本文针对P2构型混合动力汽车BMS发生严重故障切断继电器的情况，提出了以母线电压为控制目标的电压控制方式，建立了P2构型HEV电控系统的传递函数，并基于双闭环的系统响应性和稳定性，设计了双闭环系统的相关参数。其次，根据电压控制功能的作用工况，设计了切换电压控制状态的转速和电压，基于电机温度对电机电磁参数的影响和DC/DC等负载对母线电压的影响，进行了电机温度对电磁参数影响的仿真和试验，针对DC/DC等负载对母线电压的影响进行了仿真，并设计了相关整车试验，最终仿真和实车试验都验证了电压控制的可行性。

　　参考文献

　　[1]CHENJS.DiscussionoftheModernElectronicTechnologyApplicationandFutureDevelopmentTrendonAutomobile[J].AppliedMechanicsandMaterials,2012,155-156:627-631.

　　[2]KOJ,KOS,SONH,etal.DevelopmentofBrakeSystemandRegenerativeBrakingCooperativeControlAlgorithmforAutomatic-Transmission-BasedHybridElectricVehicles[J].IEEETransactionsonVehicularTechnology,2015,64(2):431-440

　　[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赵慧超1,2李帅1,2