一種基于功能安全的新能源汽車(chē)能量管理方案*

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

作者簡(jiǎn)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，負責新能源汽車(chē)整車(chē)控制策略開(kāi)發(fā)。E-mail：wangchunli@mychery.com。

0   引言

該能量管理方案主要考慮高壓動(dòng)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(chē)的動(dòng)力性、高壓附件的舒適性能等，但電池能量的過(guò)度使用會(huì )導致電池衰減，對電池造成不可逆的傷害，所以對于新能源汽車(chē)來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池能量的有效分配和監控十分必要。

純電動(dòng)汽車(chē)的能量來(lái)自動(dòng)力電池系統。動(dòng)電池的可用功率主要用于驅動(dòng)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(chē)動(dòng)力性，整車(chē)中央控制單元優(yōu)先使用峰值功率。當峰值功率持續時(shí)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(shí)，要充分考慮系統效率，尤其在低電量時(shí)，電池功率較低，動(dòng)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(dòng)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(dòng)力性與電池保護方面的優(yōu)勢：

1）動(dòng)力電池峰值功率保證各系統工作，同時(shí)提高系統動(dòng)力性能；

2）低電量時(shí)，可實(shí)時(shí)平衡舒適性與動(dòng)力性，合理化系統需求扭矩，防止電池系統過(guò)放。

1.1 僅驅動(dòng)系統工作

電池系統的功率主要供給驅動(dòng)電機及低壓供電DC ? DC

式中： P_battery表示電池實(shí)際消耗功率； P_{a _ mot}表示驅動(dòng)系統實(shí)際消耗功率， Pa _ dcdc表示DC ? DC實(shí)際消耗功率；

1.1.1 驅動(dòng)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(chē)等動(dòng)力性需求工況；驅動(dòng)系統需求功率是整車(chē)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(gè)控制過(guò)程中需要滿(mǎn)足以下控制需求：

式中： P_max?batt 表示電池的峰值功率， P_mot 表示電驅動(dòng)系統需求功率， P_dcdc表示DC ? DC的需求功率；?_mot表示電驅動(dòng)的系統效率，電驅動(dòng)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。

驅動(dòng)系統需求功率估算之后，整車(chē)中心控制單元需要實(shí)時(shí)監控驅動(dòng)實(shí)際消耗的系統功率，避免出現過(guò)放的現象，我們采用功能安全的安全監控措施- 扭矩監控，實(shí)時(shí)反饋調整驅動(dòng)系統需求功率。

1.1.2 驅動(dòng)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(dòng)系統可用功率

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(dòng)系統可用限制扭矩

式中，ω 表示驅動(dòng)的角速度， N 表示電機轉速；T_{qbatt _ 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； P_{a _ dcdc}表示DC ? DC實(shí)際功率，?_mot 表示電機N 轉速下的效率。

整車(chē)控制單元實(shí)時(shí)監測電機實(shí)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(shí)間t1 ，確認扭矩響應超限，多整車(chē)驅動(dòng)系統做限功率處理，持續一定時(shí)間t2 ，判斷驅動(dòng)扭矩執行異常，請求驅動(dòng)系統關(guān)斷IGBT 輸出，進(jìn)而實(shí)現安全監控，防止電池過(guò)放。

2.1 驅動(dòng)系統與空調系統同時(shí)工作

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

式中： P_battery 表示電池實(shí)際消耗功率； P_{a _ mo}t 表示驅動(dòng)系統實(shí)際消耗功率， P_{a _ dcdc}表示DC ? DC實(shí)際消耗功率； P_{a _ AC} 表示空調壓縮機實(shí)際消耗功率； Pa _ PTC 表示PTC 實(shí)際消耗功率。

2.1.1 驅動(dòng)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(chē)等動(dòng)力性需求工況；驅動(dòng)系統需求功率是整車(chē)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(shí)尤其要考慮高壓負載的需求以及控制。

整個(gè)控制過(guò)程中需要滿(mǎn)足以下控制需求：

式中： P_max?batt 表示電池的峰值功率， P_mot 表示電驅動(dòng)系統需求功率， P_dcdc表示DC ? DC的需求功率，?_mot表示電驅動(dòng)的系統效率，電驅動(dòng)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。

驅動(dòng)系統需求功率估算之后，整車(chē)中心控制單元需要實(shí)時(shí)監控驅動(dòng)實(shí)際消耗的系統功率，避免出現過(guò)放的現象。采用功能安全的安全監控措施- 扭矩監控，實(shí)時(shí)反饋調整驅動(dòng)系統需求功率。

2.1.2 空調開(kāi)啟驅動(dòng)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(shí)際消耗功率即為驅動(dòng)系統可用功率

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(dòng)系統可用限制扭矩

式中：ω 表示驅動(dòng)的角速度， N 表示電機轉速；T_{qbatt _ 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； P_{a _ dcdc}表示DC ? DC實(shí)際功率， Pa _ AC 表示壓縮機實(shí)際消耗功率， Pa _ PTC 表示PTC實(shí)際消耗功率，?mot 表示電機N 轉速下的效率。

整車(chē)控制單元實(shí)時(shí)監測電機實(shí)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(shí)間t1 ，確認扭矩響應超限，多整車(chē)驅動(dòng)系統做限功率處理，持續一定時(shí)間t2 ，判斷驅動(dòng)扭矩執行異常，請求驅動(dòng)系統關(guān)斷IGBT 輸出；進(jìn)而實(shí)現安全監控，防止電池過(guò)放。

3   系統仿真

以某一純電車(chē)型為例，進(jìn)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(dòng)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(chē)目標：

0 → 100 km/h 加速時(shí)間：8.2 s；最高車(chē)速200 km/h

3.2.1 電量充足，整車(chē)性能目標與功率校驗

圖4 SOC 77%最高車(chē)速與整車(chē)功率消耗

3.2.2 電量不足時(shí)整車(chē)性能目標與功率校驗

圖5 SOC 12%時(shí)最高車(chē)速與整車(chē)功率消耗

4   結束語(yǔ)

本文是一種新能源汽車(chē)的能量管理方案，經(jīng)過(guò)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(chē)輛用于測試驗證，并結合實(shí)測數據對控制策略進(jìn)行修改和完善，目前車(chē)輛已經(jīng)達到可量產(chǎn)水平，證明控制策略在實(shí)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.

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）