基于模型的電動(dòng)汽車(chē)PTC控制方法

作者簡(jiǎn)介：陳士剛（1987—），男，天津理工大學(xué)機械工程專(zhuān)業(yè)畢業(yè)，碩士，工程師，主要研究方向為新能源汽車(chē)電驅動(dòng)系統。E-mail：chenshigang@mychery.com。

0   引言

傳統汽油車(chē)由發(fā)動(dòng)機提供熱量給車(chē)內取暖，新能源汽車(chē)尤其是純電動(dòng)汽車(chē)依靠驅動(dòng)電機進(jìn)行驅動(dòng)，驅動(dòng)電機無(wú)法像發(fā)動(dòng)機依靠自身發(fā)熱給整車(chē)供暖，需采用外部部件給整車(chē)供暖。通常電動(dòng)汽車(chē)尤其是純電動(dòng)車(chē)采用PTC 控制組件（Positive Temperature Coefficient）給整車(chē)供暖。當前大多數PTC控制的方法主要為機械式調節，通過(guò)對PTC 端部輸入高壓，依靠手動(dòng)改變PTC 電阻值進(jìn)而改變電流大小進(jìn)行發(fā)熱供暖。此方法無(wú)閉環(huán)控制，且為手動(dòng)調節及無(wú)相應診斷機制，無(wú)法進(jìn)行相應故障判斷和保護。當前整車(chē)基于模型開(kāi)發(fā)的部件有很多，如智能鑰匙^[1]、車(chē)燈控制^[2]、智能空調^[3] 等。參考上述開(kāi)發(fā)模型，本文提供了一種PTC 控制用模型，能夠實(shí)現電流閉環(huán)控制、故障判斷、過(guò)溫過(guò)流保護等，更有效、合理地滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)PTC 控制需求。如圖1，該PTC 控制組件包含兩路IGBT，每一路包含1 組PTC 電阻且兩路IGBT為并聯(lián)結構。使用時(shí)兩路IGTB 互不影響，其中一路發(fā)生故障另一路可正常使用，通過(guò)輸出模型計算的PWM波進(jìn)行IGBT 驅動(dòng)，IGBT 將輸入高壓調節成目標電壓來(lái)輸出功率。

圖1 PTC控制原理圖

1   模型介紹

本文所搭建的模型是PTC 控制器應用層軟件，具備單獨控制、調試的軟件模型。所建模型分總調度模塊、軟硬件輸入、輸出模塊以及驅動(dòng)計算模塊，重點(diǎn)介紹的是驅動(dòng)計算模塊。驅動(dòng)計算模塊包含信號輸入、故障判斷、驅動(dòng)計算、信號輸出。首先是根據硬件AD 采樣模塊采集的電流、電壓、溫度等值輸入到模型中進(jìn)行故障判斷，輸出對應故障等級及相應故障，以便在驅動(dòng)計算時(shí)根據故障等級進(jìn)行相應功率輸出；尤其出現過(guò)溫、過(guò)流警告時(shí)PTC 根據不同溫度進(jìn)行降額輸出，以便對PTC 控制器進(jìn)行保護。

2   模型仿真

2.1 MIL仿真模型搭建

MIL（Model in the Loop，模型在環(huán)測試）是用模型驅動(dòng)工程開(kāi)發(fā)嵌入式系統的時(shí)候，在開(kāi)發(fā)的初期階段及建模階段中進(jìn)行的仿真方式。測試通俗一點(diǎn)理解，MIL 就是對模型在開(kāi)發(fā)環(huán)境下（如Simulink）進(jìn)行仿真，通過(guò)輸入一系列測試用例，驗證模型是否滿(mǎn)足設計的功能需求。

將搭建好的模型通過(guò)設置自動(dòng)生成MIL 模型，主要分成三大模塊及包含兩路傳輸信號模塊，分別為：

1）信號模擬模塊：生成MIL 模型時(shí)輸入類(lèi)型設置為Signal Builder，即輸入信號可通過(guò)手動(dòng)設置模擬實(shí)際信號進(jìn)行仿真；

2）輸入轉換模塊：包含數據類(lèi)型和速率轉換塊，通過(guò)信號傳輸模塊將模擬信號輸入到模型計算模塊；

3）模型計算模塊：模型計算模塊又可分為故障判斷模塊和驅動(dòng)計算模塊，分別用來(lái)對PTC 進(jìn)行過(guò)流、過(guò)溫、過(guò)壓等故障判斷及保護，以及驅動(dòng)占空比的輸出計算。其中，占空比的輸出原則為請求功率與PTC 輸出最大功率的比值，即所需要輸出的占空比，PTC 控制器根據相應占空比輸出相應電壓實(shí)現功率輸出；

4）輸出轉換模塊：包含數據類(lèi)型和速率轉換塊，將驅動(dòng)計算模塊計算所需輸出的模塊轉換后輸出；

5）測試評估塊：包含將實(shí)際輸出與預期輸出進(jìn)行比較的語(yǔ)句。

2.2 故障判斷

PTC 控制組件包含兩路IGBT，兩路IGBT 在使用時(shí)經(jīng)常會(huì )因過(guò)溫、過(guò)流、過(guò)壓等造成損壞。本模型通過(guò)軟件對硬件采樣的電流、溫度、電壓等值進(jìn)行判斷分析，當發(fā)生故障時(shí)采用相應策略進(jìn)行過(guò)溫、過(guò)流、過(guò)壓等保護。軟件模型中會(huì )設置兩路IGBT 的不同溫度報警閾值、溫度故障閾值、電流故障閾值以及電壓過(guò)壓閾值、欠壓閾值；當超出相應閾值時(shí)，軟件觸發(fā)相應故障標志位，同時(shí)將不同故障分不同等級上報；圖2 所示為模型故障判斷stateflow 流程圖。

圖2 故障判斷stateflow圖

2.3 閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是比較常見(jiàn)的控制方法，不管是電動(dòng)汽車(chē)驅動(dòng)系統的閉環(huán)控制還是空調PI 閉環(huán)控制^[4]，都是比較有效的閉環(huán)控制。本文模型采用查表插值閉環(huán)控制方法。模型中PTC 功率輸出是依靠PTC 計算實(shí)際功率與請求功率修正后的功率值，再與PTC 最大可輸出功率比值作為兩路IGBT 驅動(dòng)占空比，來(lái)驅動(dòng)IGBT 進(jìn)行電壓調制。因PTC 本身作為正溫度可變電阻，PTC 通電后溫度上升阻值也在變化。因此在實(shí)際功率計算時(shí)采用修正后的功率值作為占空比計算，以有效提高計算精度。如圖3所示，本模型修正功率值的計算是通過(guò)對請求功率ipd_w_PTCTrgPwr 與PTC 實(shí)際計算功率值Actual_Ptcpower 的差值進(jìn)行插值查表修正計算；采用SIMULINK模塊中的Prelookup 模塊與Interpolation Using Prelookup模塊結合使用計算修正系數，修正系數與差值的乘積作為修正的偏差，與實(shí)際功率和作為調節后的功率Targer_Power2，以及PTC 最大輸出功率的比值作為占空比來(lái)輸出。當請求功率與實(shí)際功率差值小于50 時(shí)，不進(jìn)行差值計算。

圖3 閉環(huán)控制模型

2.4模型仿真

1   電壓故障仿真

模型故障判斷仿真時(shí)，以過(guò)壓故障仿真為例，仿真時(shí)設置的過(guò)壓故障閾值為430 V，模擬信號在前4 s 時(shí)電壓信號為430 V，第4 s 開(kāi)始電壓信號值提高至450 V（模型仿真時(shí)，步長(cháng)設置為固定步長(cháng)，步長(cháng)為0.01 s，以下仿真設置均相同）。由圖4 仿真結果可知，第4 s開(kāi)始PTC_FaultLevel 由0 置為1，代表PTC 由無(wú)故障變成1 級故障，1 級故障在本文定義為PTC 禁止輸出，通過(guò)IGBT1 路的占空比dcd_flg_IGBTdrive1 可知，其輸出由正常變?yōu)?，代表此時(shí)IGBT 禁止輸出。

圖4 過(guò)壓仿真結果

2   驅動(dòng)計算仿真

驅動(dòng)計算仿真主要仿真點(diǎn)為電流閉環(huán)控制仿真，通過(guò)硬件采集的電流計算出實(shí)際功率，與實(shí)際請求功率比較進(jìn)行閉環(huán)調節，以輸出所需占空比。本例仿真時(shí)請求功率ipd_wPTCTrgPwr 值設置為3 500 W，輸入電壓為350 V，硬件采集電流ipd_i_IGBT2_Cur，此時(shí)電流值變化如圖5 所示，由5 A 逐漸上升到7 A，再降為5 A，ipd_i_IGBT1_Cur 電流為恒定值5 A，模型計算時(shí)原來(lái)5 A 對應3 500 W，當IGBT2 電流變化時(shí)，此時(shí)計算的功率值要大于3 500 W，此時(shí)計算的占空比也就大于原來(lái)的值；由圖可知調節后功率Targer_Power2 逐漸減小，以降低輸出占空比。

圖5 閉環(huán)控制仿真結果

3   結束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)本文仿真驗證，本文提出的基于電動(dòng)車(chē)PTC控制器搭建的軟件控制模型具備PTC 控制器故障診斷、閉環(huán)調節等功能，能夠滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)PTC 控制要求，提供了一種電動(dòng)汽車(chē)用簡(jiǎn)易、高效的PTC 控制方法。

參考文獻：

[1] 李偉民.基于MATLAB開(kāi)發(fā)的汽車(chē)智能啟動(dòng)系統[D].上海:上海交通大學(xué),2019.

[2] 卞勇明,申睿章.基于模型的車(chē)燈控制系統快速設計與實(shí)現[J].中國工程機械學(xué)報,2013(3):248-251.

[3] 楊璐,裴順.汽車(chē)空調智能溫度控制系統[J].電子設計工程,2018(22):133-136,141.

[4] 梁長(cháng)飛，孔令靜，伍曉蘇.基于PI控制的電動(dòng)汽車(chē)低能耗電動(dòng)空調策略研究[J].電子產(chǎn)品世界.2020(10):35-38.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）