一种车载高压盒的架构和控制策略设计_曾凯.pdf

2023.6电脑编程技巧与维护1概述动力电池作为新能源汽车的主要动力源，其工作电压范围较宽，一般工作电压区间为200V,750V，提供的工作电流强度也较大，可达到200A甚至更高。鉴于动力电池工作时产生的高电压、大电流可能对汽车零部件和人身安全造成冲击危害，高压盒的架构设计既要保证用车人员人身安全和行驶安全，也要满足车辆的动力驱动需求。最近几年来新能源汽车在乘用车和商用车领域发展迅猛，市场占有率越来越高。如果能设计一款高压盒作为新能源汽车的高压控制平台，则将产生非常好的经济效益。基于新能源汽车的高压盒需求，提出了高压盒的架构方案和控制策略。2新能源汽车高压系统根据新能源车辆的电气特性和架构特点，高压电的利用需要进行专门的高压电防护设计，考虑到高压电系统可能危及到设备安全和驾乘人员安全，设计高压系统时需首先保证车内人员安全，做好合理的保护措施。高压盒控制的各部件应为独立供电控制，并通过保险丝或继电器完成电气结构隔离，新能源车辆的高压零部件工作电压由动力电池提供，并参考工作功率实现控制策略上的集成。高压盒电气架构如图1所示。新能源车辆的高压系统部件主要有动力电池、电机和电机控制器、空调压缩机、打气泵和转向油泵、直流变换DC/DC、车载充电设备等，合理的高压电气架构为车辆的高压设备提供同一的电气平台，可减少高压连接器、接触器等部件数量，有助于降低成本、减少安全隐患。3拓扑结构原理高压盒的作用是将高压设备整合到同一高压平台。在此利用高压盒内的HVCM、HVACC、BMS、VCU构建控制拓扑结构，完成整车高压控制。电气拓扑结构如图2所示。（1）电气拓扑结构通过CAN总线网络实现通信，VCU作为车辆的控制中枢，负责协调各控制器，使各控制器按设置顺序连接或断开控制信号，并让高压部件相关的继电器按控制策略吸合或断开。对于高压盒，VCU可对高压盒控制器上的N1_Relay（主接触继电器）下发控制指令，以配合其他高压继电器的闭合或断开，从而实现车辆的上下电工作。（2）在高压盒控制器中有专门针对电池组设计的电池接入继电器P1_Relay（可按照电池组别扩展继电器），BMS直接控制电池组接入继电器P1_Relay，且高电平有效。（3）BMS与充电机（Charger）之间通过一个独立CAN总线进行通信，要求充电CAN总线带一个阻值为一种车载高压盒的架构和控制策略设计曾凯（厦门大学嘉庚学院，福建 漳州363100）摘要：车载高压盒（HVCM）作为新能源车的核心部件，涉及到电池管理系统（BMS）、高压电附件（HVACC）、车辆控制器（VCU）、高压配电方式，以及车辆的高压线束整体布置规划。通过对 HVCM的电气原理和拓扑结构进行分析，阐述了 HVCM 的工作方式及特点，结合在新能源车上的实际应用，总结出了一套控制架构设计方案，并设计了高压盒控制和校核策略。该方案可普遍应用于新能源车，有利于高压平台同一化、降低车辆开发成本、形成统一新能源汽车高压系统构架。关键词：车载高压盒；架构；同一化；控制和校核策略图1高压盒电气架构图2电气拓扑结构动力电池高压盒V+V-保险丝MCUUVW电机空调压缩机DCDCPTC快充插座慢充插座（OBC）保险丝保险丝保险丝保险丝保险丝HVCMCANBMSP1_Relay控制VCUChargerHVACCCANN1_Relay控制28DOI:10.16184/prg.2023.06.0192023.6电脑编程技巧与维护120 的终端电阻，以提高通信质量。CAN总线的网络布局应尽量以线性排布，防止信号反射，并提高电磁兼容。同时，高压部件通信节点的间隔应不同，并采用短截线与主干线路连接，避免产生驻波。（4）电气拓扑结构中的所有CAN通信线应采用屏蔽双绞线，并且要求屏蔽终端接地。4CAN 总线功能性配置4.1CAN 总线功能性描述（1）CAN总线线路以终端负载电阻结束，线路的终端电阻用来抑制总线内部信号的反射。（2）高压盒上所有部件的控制器处于关闭状态时，CAN总线处于隐性状态。（3）当总线上的高压部件中至少有一个部件驱动电路导通时，导通变为显性状态，对应有一个显性位被发送至总线，这个显性位在CAN_H和CAN_L两条线之间产生差动电压，并与终端电阻形成信号回路，由此形成的电阻网络传递显性状态和隐性状态，并对应接收显性电平和隐性电平。CAN总线物理层功能，如图3所示。4.2CAN 通信的位定时高压盒关联多个高压部件，因此应确保不同的供应商提供的高压部件能够组成稳定的CAN通信网络，能正确接收和解析有效信息，防止外来装置对网络的非法访问，并降低网络管理的故障率。需对CAN通信的位时间进行编程，使得网络上的所有部件能按相同的位时间运行。用CAN寄存器配置位时间，所达到的参数，如表1所示。参数配置需注意以下条件。（1）总线处于显性和隐形两种逻辑状态，显性和隐性两种状态相互转换时，应保证CAN内部延迟时间的值，且要基于电磁兼容性（EMC）使用该值。（2）配置CAN通信波特率为250 kbit/s；CAN总线长度为40 m。（3）总线电路需配置一个极低数值的电感。（4）集成电路通信协议的位计时单位决定CAN可用时间，防止因传输不同步而造成数据丢失。4.3CAN 通信地址和参数组分配原则高压盒的CAN通信地址分配数目是有限的，整车CAN通信最大可分配的地址数目为256个，因此高压盒CAN通信地址的分配应限于系统重要模块，例如，高压电气架构中的电机控制系统、空调系统、DC/DC、插座充电控制模块。同理，如果高压盒需要分配其他功能，则适用于已定义的地址范围。若高压盒的有些设备需分配动态地址，则可以由内部控制器上电后随机配置。CAN总线的两种格式数据单元PDU1（目标地址）、PDU2（组扩展），CAN通信的参数组明确使用这两种格式，如果参数值选择了其中一个协议数据单元，则无法分配另一种协议数据单元。如果参数组发送指定地址时，则使用PDU1数据单元格式。分配的参数组需考虑数据的优先级、长度、刷新速度。当一个或多个参数组发送到一个或多个目标地址时，需使用PDU2数据单元格式。在进行专用信息通信和不标准通信时，可以采用专用参数组进行编号。4.4CAN 总线故障高压盒与多个高压部件通信，存在多种CAN通信故障风险，归纳为以下几种的故障点。故障1：总线开路。当CAN_H或CAN_L存在断开问题时，断开点无法进行数据通信，伴随数据信号信噪比下降。故障2：总线短路。当CAN_H或CAN_L与地、电源短路时，总线无法进行数据通信。故障3：总线终端电阻丢失。终端电阻丢失可能引起总线数据故障帧增加，无法避免信号的反射和回波，加重CAN总线的负荷，导致通信出错。故障4：总线网络连接失败。高压部件的总线连接节点从总线网络脱开，并造成连接失败，而剩余部件之间可以正常通信。故障5：总线网络节点的电源或接地点故障。如果高压部件的控制器CAN通信模块无法正常供电，则该图3CAN总线物理层功能参数最大值最小值额定值CAN位时间（s）4.0023.9984CAN内部延迟时间（s）0.90CAN可用时间（s）2.5CAN信号下降、上升时间（ns）500200500表1用CAN寄存器配置位时间CAN模块VCC总线RRRRRRRRRVCC292023.6电脑编程技巧与维护部件无法正常通信，剩余正常部件可以继续通信。同样，如果部件的接地点断开，则可能造成通信故障，但剩余正常连接部件不受影响。故障6：屏蔽接地异常。如果CAN总线的屏蔽层与CAN_H或CAN_l中的任何一根线产生共模干扰，由此产生的干扰电压会造成通信故障。5高压盒控制和校核策略（1）高压盒用来完成电流采样和总电压采样（也可通过BMS累加单体电压之和实现总电压采样），同时HVCM进行电池组安时积分，以上的采样参数HVCM通过CAN报文的方式实现与BMS的交互通信。基于BMS及时存储当前电池组的剩余电量（SOC），在以下几种情况发生时，控制策略部分要求BMS需对当前电池组剩余安时进行校准。情况1：BMS上电时。情况2：电池组充满电时。情况3：电池组放完电时。情况4：HVCM通过安时积分所得的电池组安时值，与BMS估算的电池组安时值相差较大时（BMS收到HVCM发出的当前剩余安时值和SOC更新计算出来的剩余安时值，两个剩余安时值的绝对差值大于0.3 Ah）。情况5：HVCM安时积分计算出来的电池组剩余安时值超过电池组的总安时值。BMS将电池组当前剩余的安时值及电池组剩余安时值校核标识置1发送给HVCM，HVCM收到电池组剩余安时校核标为1后进行当前安时校准程序，并且把校准后的当前安时值实时发给BMS。BMS在收到HVCM安时校准反馈后，判断发出去的校核值与HVCM的反馈值是否一致或者差值是否小于等于0.3Ah，若是，则清零校核标识，退出校准；若不是，则继续校准直到完成校准。以上5种校准情况流程，如图4所示。（2）BMS上电自检无故障后P1_Relay（电池组接入继电器）闭合，同时置位P1_Relay_Ready（接入继电器自检信号）及继电器动作状态Relay_Action。需要特别注意的是，只有在电池组出现极端情况，例如，马上会影响车辆使用安全或电池安全的情况下，BMS才能主动切断P1_Relay，并且在切断之前要提前发出故障报警。电池组P1_Relay被切断之后必须等系统重新弱电复位，才能重新进行正常上强电流程。（3）若没有特别说明，BMS和充电机之间的充电控制CAN通信协议按国标 电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通讯协议GBT 27930-2015规范实施。整个充电流程BMS根据充电机的允许输出、对电池组的充电能力需求，实时调整充电电压及流量。6结语根据新能源车辆的高压部件的电气结构及高压附件控制特点，合理设计了一种高压盒控制架构，并介绍了CAN总线功能性配置，以及高压盒CAN总线调试过程中容易遇到的故障。该高压盒控制方案已成功应用于新能源车辆上，较大程度地减少了高压回路中接触器和高压线束等器件的使用量，为新能源车辆高压控制提供了同一架构平台，降低了材料成本，具有较高的经济价值和使用价值。参考文献1王飞,倪绍勇,沙文瀚,等.一种纯电动车高压电气架构的设计J.新能源汽车,2019(14):19-21.2刘宁,吴明瞭,汪斌,等.纯电动商用车高压电气系统匹配设计J.汽车电器,2014(5):18-21.3李田田,金启前,冯擎峰,等.纯电动汽车高压电气架构的设计J.汽车工程师,2013(11):49-51.4罗润.纯电动汽车整车控制策略及控制器研究D.太原:太原理工大学,2016.图4高压盒控制盒校准情况流程NOYESYESBMS上电已上电校准?充电满?电池组电量放空YESNONOHVCM发出的当前安时剩余值与BMS根据更新 前 的SOC计 算 出 来 的 安 时剩余值的绝对差值大于0.3AhHVCM发出的当前安时剩余值大于电池组总容量?YESBMS发出校准参数收到HVCM返回的校准参数；差值0.3Ah?YESBMS发出校准标识清零BMS执行其他任务30