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    一種基于功能安全的新能源汽車能量管理方案*

    作者:王春麗,肖小城,梁長飛,沙文瀚,方濤,丁凌志(奇瑞新能源汽車技術有限公司 新能源研究院,安徽 蕪湖市 241000)時間:2021-11-23來源:電子產品世界收藏
    編者按:介紹一種基于功能安全的新能源汽車能量管理方案,并闡述了在保證整車動力性的同時,合理保證能量分配,對能量的流動做實時監控。重點介紹了能量管理的基本功能及其在控制上的實現方法。

    *奇瑞全鋁車身A0級純電動SUV研發及產業化(16030901035)資助

    本文引用地址:http://www.me-unplugged.com/article/202111/429829.htm

    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,負責汽車整車控制策略開發。E-mail:wangchunli@mychery.com。

    0   引言

    主要考慮高壓動力電池系統的能量分配。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致電池衰減,對電池造成不可逆的傷害,所以對于汽車來說,動力電池能量的有效分配和監控十分必要。

    純電動汽車的能量來自動力電池系統。動電池的可用功率主要用于驅動系統和高壓負載,其中高壓負載包括空調系統制冷、制熱和DC ? DC轉換;電池管理系統根據電池的單體參數估算電池的峰值功率以及持續放電功率,為保證整車動力性,整車中央控制單元優先使用峰值功率。當峰值功率持續時間截止,切換使用電池的可持續放電功率,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致負載功率超出電池的范圍,影響電池壽命。

    1   系統方案分析

    該能量管理系統包括動力電池模塊、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勢:

    1)動力電池峰值功率保證各系統工作,同時提高系統動力性能;

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

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    1.1 僅驅動系統工作

    電池系統的功率主要供給驅動電機及低壓供電DC ? DC

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    式中: Pbattery表示電池實際消耗功率; Pa _ mot表示驅動系統實際消耗功率, Pa _ dcdc表示DC ? DC實際消耗功率;

    1.1.1 驅動系統需求功率的計算

    此處提出了電池峰值功率與持續放電功率的概念,電池峰值功率表示可持續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;驅動系統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:

    image.png

    式中: Pmax?batt 表示電池的峰值功率, Pmot 表示電驅動系統需求功率, Pdcdc表示DC ? DC的需求功率;?mot表示電驅動的系統效率,電驅動系統選型確定之后系統效率可以估算,但存在一定誤差,此處應用為平均效率;?dcdc表示DC ? DC的系統效率。

    image.png

    驅動系統需求功率估算之后,整車中心控制單元需要實時監控驅動實際消耗的系統功率,避免出現過放的現象,我們采用的安全監控措施- 扭矩監控,實時反饋調整驅動系統需求功率。

    1.1.2 驅動系統扭矩監控

    電池系統可用功率扣除DC ? DC的消耗功率即為驅動系統可用功率

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    我們將功率轉化為電機的扭矩,即電池系統允許可用功率轉化驅動系統可用限制扭矩

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    式中,ω 表示驅動的角速度, N 表示電機轉速;Tqbatt _ limit 表示電池系統對電機的可用限制扭矩;P可用batt 表示電池可用功率; Pa _ dcdc表示DC ? DC實際功率,?mot 表示電機N 轉速下的效率。

    整車控制單元實時監測電機實際響應扭矩與限制扭矩的差值,當差值大于設定閾值ΔTq ,持續一定時間t1 ,確認扭矩響應超限,多整車驅動系統做限功率處理,持續一定時間t2 ,判斷驅動扭矩執行異常,請求驅動系統關斷IGBT 輸出,進而實現安全監控,防止電池過放。

    2.1 驅動系統與空調系統同時工作

    電池系統的功率主要供給驅動電機、低壓供電DC ? DC以及空調壓縮機或 PTC;

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    式中: Pbattery 表示電池實際消耗功率; Pa _ mot 表示驅動系統實際消耗功率, Pa _ dcdc表示DC ? DC實際消耗功率; Pa _ AC 表示空調壓縮機實際消耗功率; Pa _ PTC 表示PTC 實際消耗功率。

    2.1.1 驅動系統需求功率的計算

    以上明確電池峰值功率與持續放電功率的概念,電池峰值功率表示可持續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;驅動系統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,但空調系統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:

    image.png

    式中: Pmax?batt 表示電池的峰值功率, Pmot 表示電驅動系統需求功率, Pdcdc表示DC ? DC的需求功率,?mot表示電驅動的系統效率,電驅動系統選型確定之后系統效率可以估算,但存在一定誤差,此處應用為平均效率;?dcdc表示DC ? DC的系統效率;Pptc 表示PTC 需求功率,?ptc 為PTC 系統效率,PAC 表示AC 壓縮機的需求功率,?AC 表示壓縮機效率。

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    驅動系統需求功率估算之后,整車中心控制單元需要實時監控驅動實際消耗的系統功率,避免出現過放的現象。采用的安全監控措施- 扭矩監控,實時反饋調整驅動系統需求功率。

    2.1.2 空調開啟驅動系統扭矩監控

    電池系統可用功率扣除DC ? DC的消耗功率,空調系統AC 壓縮機消耗功率,PCT 實際消耗功率即為驅動系統可用功率

    image.png

    將功率轉化為電機的扭矩,即電池系統允許可用功率轉化驅動系統可用限制扭矩

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    式中:ω 表示驅動的角速度, N 表示電機轉速;Tqbatt _ limit 表示電池系統對電機的可用限制扭矩;P可用batt 表示電池可用功率; Pa _ 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 轉速下的效率。

    整車控制單元實時監測電機實際響應扭矩與限制扭矩的差值,當差值大于設定閾值ΔTq ,持續一定時間t1 ,確認扭矩響應超限,多整車驅動系統做限功率處理,持續一定時間t2 ,判斷驅動扭矩執行異常,請求驅動系統關斷IGBT 輸出;進而實現安全監控,防止電池過放。

    3   系統仿真

    以某一純電車型為例,進行系統仿真。

    3.1 系統選型參數

    電池系統選型, 10 s 峰值功率175 kW 、30 s 持續放電功率165 kW ;驅動系統額定功率75 kW 、峰值功率150 kW ;空調系統峰值功率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

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    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

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    圖5 SOC 12%時最高車速與整車功率消耗

    4   結束語

    本文是一種汽車的,經過仿真驗證初步達到設計目的。為了詳細驗證系統控制策略,奇瑞新能源公司試裝車輛用于測試驗證,并結合實測數據對控制策略進行修改和完善,目前車輛已經達到可量產水平,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:機械工業出版社,2003.

    [3]陳清泉.現代電動汽車技術[M].北京:北京理工人學出版社,2002.

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

    (本文來源于《電子產品世界》雜志2021年11月期)

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