一種基于功能安全的新能源汽車能量管理方案*

*奇瑞全鋁車身A0級純電動SUV研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化（16030901035）資助

作者簡介：王春麗（1985—），通信作者，漢族，黑龍江人，2010年參加工作，碩士，中級工程師，負責(zé)新能源汽車整車控制策略開發(fā)。E-mail：wangchunli@mychery.com。

0   引言

該能量管理方案主要考慮高壓動力電池系統(tǒng)的能量分配。電池的能量不能充分利用，影響整車的動力性、高壓附件的舒適性能等，但電池能量的過度使用會導(dǎo)致電池衰減，對電池造成不可逆的傷害，所以對于新能源汽車來說，動力電池能量的有效分配和監(jiān)控十分必要。

純電動汽車的能量來自動力電池系統(tǒng)。動電池的可用功率主要用于驅(qū)動系統(tǒng)和高壓負載，其中高壓負載包括空調(diào)系統(tǒng)制冷、制熱和DC ? DC轉(zhuǎn)換；電池管理系統(tǒng)根據(jù)電池的單體參數(shù)估算電池的峰值功率以及持續(xù)放電功率，為保證整車動力性，整車中央控制單元優(yōu)先使用峰值功率。當(dāng)峰值功率持續(xù)時間截止，切換使用電池的可持續(xù)放電功率，充分利用電池的可用功率。

在充分利用電池功率的同時，要充分考慮系統(tǒng)效率，尤其在低電量時，電池功率較低，動力需求較大，在功率不足情況下易導(dǎo)致負載功率超出電池的范圍，影響電池壽命。

1   系統(tǒng)方案分析

該能量管理系統(tǒng)包括動力電池模塊、電機減速器三合一模塊。壓縮機模塊。PTC 模塊和DC ? DC模塊（如圖1）。

動力性與電池保護方面的優(yōu)勢：

1）動力電池峰值功率保證各系統(tǒng)工作，同時提高系統(tǒng)動力性能；

2）低電量時，可實時平衡舒適性與動力性，合理化系統(tǒng)需求扭矩，防止電池系統(tǒng)過放。

1.1 僅驅(qū)動系統(tǒng)工作

電池系統(tǒng)的功率主要供給驅(qū)動電機及低壓供電DC ? DC

式中： P_battery表示電池實際消耗功率； P_{a _ mot}表示驅(qū)動系統(tǒng)實際消耗功率， Pa _ dcdc表示DC ? DC實際消耗功率；

1.1.1 驅(qū)動系統(tǒng)需求功率的計算

此處提出了電池峰值功率與持續(xù)放電功率的概念，電池峰值功率表示可持續(xù)10 s 中輸出的最大功率，可用于加速超車等動力性需求工況；驅(qū)動系統(tǒng)需求功率是整車中的最大功率需求，DC ? DC的需求按照選型最大2 kW 左右，整個控制過程中需要滿足以下控制需求：

式中： P_max?batt 表示電池的峰值功率， P_mot 表示電驅(qū)動系統(tǒng)需求功率， P_dcdc表示DC ? DC的需求功率；?_mot表示電驅(qū)動的系統(tǒng)效率，電驅(qū)動系統(tǒng)選型確定之后系統(tǒng)效率可以估算，但存在一定誤差，此處應(yīng)用為平均效率；?_dcdc表示DC ? DC的系統(tǒng)效率。

驅(qū)動系統(tǒng)需求功率估算之后，整車中心控制單元需要實時監(jiān)控驅(qū)動實際消耗的系統(tǒng)功率，避免出現(xiàn)過放的現(xiàn)象，我們采用功能安全的安全監(jiān)控措施- 扭矩監(jiān)控，實時反饋調(diào)整驅(qū)動系統(tǒng)需求功率。

1.1.2 驅(qū)動系統(tǒng)扭矩監(jiān)控

電池系統(tǒng)可用功率扣除DC ? DC的消耗功率即為驅(qū)動系統(tǒng)可用功率

我們將功率轉(zhuǎn)化為電機的扭矩，即電池系統(tǒng)允許可用功率轉(zhuǎn)化驅(qū)動系統(tǒng)可用限制扭矩

式中，ω 表示驅(qū)動的角速度， N 表示電機轉(zhuǎn)速；T_{qbatt _ limit} 表示電池系統(tǒng)對電機的可用限制扭矩；P可用batt 表示電池可用功率； P_{a _ dcdc}表示DC ? DC實際功率，?_mot 表示電機N 轉(zhuǎn)速下的效率。

整車控制單元實時監(jiān)測電機實際響應(yīng)扭矩與限制扭矩的差值，當(dāng)差值大于設(shè)定閾值ΔTq ，持續(xù)一定時間t1 ，確認扭矩響應(yīng)超限，多整車驅(qū)動系統(tǒng)做限功率處理，持續(xù)一定時間t2 ，判斷驅(qū)動扭矩執(zhí)行異常，請求驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)斷IGBT 輸出，進而實現(xiàn)安全監(jiān)控，防止電池過放。

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)同時工作

電池系統(tǒng)的功率主要供給驅(qū)動電機、低壓供電DC ? DC以及空調(diào)壓縮機或 PTC；

式中： P_battery 表示電池實際消耗功率； P_{a _ mo}t 表示驅(qū)動系統(tǒng)實際消耗功率， P_{a _ dcdc}表示DC ? DC實際消耗功率； P_{a _ AC} 表示空調(diào)壓縮機實際消耗功率； Pa _ PTC 表示PTC 實際消耗功率。

2.1.1 驅(qū)動系統(tǒng)需求功率的計算

以上明確電池峰值功率與持續(xù)放電功率的概念，電池峰值功率表示可持續(xù)10 s 中輸出的最大功率，可用于加速超車等動力性需求工況；驅(qū)動系統(tǒng)需求功率是整車中的最大功率需求，DC ? DC的需求按照選型最大2 kW 左右，但空調(diào)系統(tǒng)的需求功率不容忽視，在電量較低時尤其要考慮高壓負載的需求以及控制。

整個控制過程中需要滿足以下控制需求：

式中： P_max?batt 表示電池的峰值功率， P_mot 表示電驅(qū)動系統(tǒng)需求功率， P_dcdc表示DC ? DC的需求功率，?_mot表示電驅(qū)動的系統(tǒng)效率，電驅(qū)動系統(tǒng)選型確定之后系統(tǒng)效率可以估算，但存在一定誤差，此處應(yīng)用為平均效率；?_dcdc表示DC ? DC的系統(tǒng)效率；Pptc 表示PTC 需求功率，?_ptc 為PTC 系統(tǒng)效率，PAC 表示AC 壓縮機的需求功率，?_AC 表示壓縮機效率。

驅(qū)動系統(tǒng)需求功率估算之后，整車中心控制單元需要實時監(jiān)控驅(qū)動實際消耗的系統(tǒng)功率，避免出現(xiàn)過放的現(xiàn)象。采用功能安全的安全監(jiān)控措施- 扭矩監(jiān)控，實時反饋調(diào)整驅(qū)動系統(tǒng)需求功率。

2.1.2 空調(diào)開啟驅(qū)動系統(tǒng)扭矩監(jiān)控

電池系統(tǒng)可用功率扣除DC ? DC的消耗功率，空調(diào)系統(tǒng)AC 壓縮機消耗功率，PCT 實際消耗功率即為驅(qū)動系統(tǒng)可用功率

將功率轉(zhuǎn)化為電機的扭矩，即電池系統(tǒng)允許可用功率轉(zhuǎn)化驅(qū)動系統(tǒng)可用限制扭矩

式中：ω 表示驅(qū)動的角速度， N 表示電機轉(zhuǎn)速；T_{qbatt _ limit} 表示電池系統(tǒng)對電機的可用限制扭矩；P可用batt 表示電池可用功率； P_{a _ dcdc}表示DC ? DC實際功率， Pa _ AC 表示壓縮機實際消耗功率， Pa _ PTC 表示PTC實際消耗功率，?mot 表示電機N 轉(zhuǎn)速下的效率。

整車控制單元實時監(jiān)測電機實際響應(yīng)扭矩與限制扭矩的差值，當(dāng)差值大于設(shè)定閾值ΔTq ，持續(xù)一定時間t1 ，確認扭矩響應(yīng)超限，多整車驅(qū)動系統(tǒng)做限功率處理，持續(xù)一定時間t2 ，判斷驅(qū)動扭矩執(zhí)行異常，請求驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)斷IGBT 輸出；進而實現(xiàn)安全監(jiān)控，防止電池過放。

3   系統(tǒng)仿真

以某一純電車型為例，進行系統(tǒng)仿真。

3.1 系統(tǒng)選型參數(shù)

電池系統(tǒng)選型， 10 s 峰值功率175 kW 、30 s 持續(xù)放電功率165 kW ；驅(qū)動系統(tǒng)額定功率75 kW 、峰值功率150 kW ；空調(diào)系統(tǒng)峰值功率3.5 kW ；DC ? DC功率2 kW；PTC 峰值功率5.5 kW ；

3.2 整車目標：

0 → 100 km/h 加速時間：8.2 s；最高車速200 km/h

3.2.1 電量充足，整車性能目標與功率校驗

圖4 SOC 77%最高車速與整車功率消耗

3.2.2 電量不足時整車性能目標與功率校驗

圖5 SOC 12%時最高車速與整車功率消耗

4   結(jié)束語

本文是一種新能源汽車的能量管理方案，經(jīng)過仿真驗證初步達到設(shè)計目的。為了詳細驗證系統(tǒng)控制策略，奇瑞新能源公司試裝車輛用于測試驗證，并結(jié)合實測數(shù)據(jù)對控制策略進行修改和完善，目前車輛已經(jīng)達到可量產(chǎn)水平，證明控制策略在實際運用中具有較強的可行性。

參考文獻：

[1] LI Y,ANG K H ,CHONG G C Y. Patents,software and hardware for PID control:an overview and analysis of the current art[J]. IEEE control Systems Magazine,2006,26(1):42-54.

[2]余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[3]陳清泉.現(xiàn)代電動汽車技術(shù)[M].北京:北京理工人學(xué)出版社,2002.

[4]先進PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）