CN104627016B - 一种基于状态管理的增程式电动汽车控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于状态管理的增程式电动汽车控制方法，所述方法包括整车时序控制和增程器控制两个部分。本申请的目的在于以理清整车与高压用电器件之间的交互关系，建立基于状态机管理机制的控制方法，规范整车高压上下电及用电器件的工作时序，有效规避高压部件不正确启动、工作对整车高压系统部件造成的冲击，避免可能发生的继电器粘连及预充电电阻烧毁等故障。

Description

一种基于状态管理的增程式电动汽车控制方法

技术领域

本发明属于汽车技术领域，具体涉及一种基于状态管理的增程式电动汽车控制方法。

背景技术

目前纯电动汽车续驶里程短是困扰纯电动汽车大面积推广的主要因素之一，不同公司推出了不同的解决方案，整车配置增程器(即发动机-发电机组成的发电机组，下同)以解决纯电动汽车续驶里程不足的问题成为整车厂采取的技术手段之一,在市场现有产品中，雪佛兰Volt和宝马i3(增程版)是增程式纯电动汽车的典型代表，两者均采用“增程技术”，以发动机带动发电机发电为整车驱动提供电能。

增程器、MCU(即电机控制器，下同)、DCDC(直流电源，下同)等多个不同的高压用电部件工作需要进行严格时序管理。

增程器独立于整车驱动系统，增程器工作点的选择影响整车舒适性及经济性，本申请确定了增程器工作点选取应遵循的原则；增程器的工作涉及VCU、ECU及GCU三个控制器，

本申请根据电池当前状态及增程器故障级别定义了增程器工作状态，规定了增程器工作过程中的各个工作模式，描述了发电过程中的工作点切换控制方法，通过区分和定义增程器工作状态、工作模式及切换方式VCU可以协调控制ECU、GCU合理、准确工作，有利于整车集成设计。

在目前现有的产品中，各整车厂因其资源不同其采用的技术方案各有不同，控制策略大致分为两种：一种采用集成控制方案，将各控制功能集成于VCU，由VCU完成对整车上下电时序及各控制器等的管理；二是采用独立式设计，VCU、ECU及GCU等控制器独立设计、各司其职，通过严格的时序管理对各控制器进行管理，规定不同状态下不同控制器的工作要求，以满足整车对各功能的控制需求。

上述第一种技术方案，其集成度高便于管理，但技术难度较大成本较高；第二种技术方案相对灵活，可以采用更为广泛、优秀的资源进行集成设计，可以减少不必要的研发、生产投入，以降低整车成本。

本申请拟采用第二种技术方案，在此架构下，采用状态机的模式定义每一个状态下各控制器动作，以实现整车的安全、可靠运行；通过规定增程器工作状态、工作模式及工作点切换方法VCU可以有效、合理的协调ECU、GCU的工作。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于状态管理的增程式电动汽车控制方法，以理清整车与高压用电器件之间的交互关系，建立基于状态机管理机制的控制方法，规范整车高压上下电及用电器件的工作时序，有效规避高压部件不正确启动、工作对整车高压系统部件造成的冲击，避免可能发生的继电器粘连及预充电电阻烧毁等故障。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

本申请着重阐述：1)整车各工作状态下的增程器等各高压用电部件的控制策略、整车上下电时序及协同工作机制；2)增程器的工作点选择、工作状态的区分、工作模式的定义及工作点的切换方法。从而有效解决增程式电动汽车VCU对整车高压上、下电管理问题，同时实现VCU对ECU、GCU的协调控制。

1 整车时序控制方法

整车控制器VCU作为一级控制器置于顶层，负责协调发动机控制器ECU、驱动电机控制器MCU、发电机控制器GCU及电池管理系统BMS等子系统控制器。

各子系统控制器与VCU之间通过CAN总线进行信息交互，以告知各系统状态。整车实行过程管理，将整车分为行车和慢车两种工况，在每一工况下将整车的过程分为若干步，对每一步进行状态管理，以保证车辆安全、可靠。

图2所示为整车行车工况过程管理。

Step10：各控制器在接收到唤醒信号后开始初始化工作，初始化完成后向总线广播各自状态，VCU根据各控制器状态判定是否进行高压上电工作，若无故障可以进行高压上电，则向CAN总线广播Step20，各相关控制器读到该状态值即进行上电工作；若判定无法进行高压上电，则向CAN总线广播Step70，各控制器进行存档工作；

Step20：VCU在该状态下先闭合负极继电器，BMS读到该状态值则按照逻辑先闭合预充继电器，预充电过程结束后再闭合正极继电器，VCU通过判断各高压用电器件故障状态，若无影响高压上电故障，则认为高压上电成功，向CAN总线广播Step30；若存在影响高压上电故障，则认为高压上电未成功，向CAN总线广播Step60，进行高压下电工作；

Step30：VCU在该状态下判定是否存在影响行车的故障，若有则向CAN总线广播Step60，进行高压下电工作；若无则向CAN总线广播Step40，允许各高压用电部件开始工作；

Step40：MCU执行VCU指令开始待机、驱动或制动工作；GCU、ECU执行VCU指令进行暖机、发电等工作；DC/DC执行VCU使能指令开始工作或关闭；空调系统执行VCU指令开始工作或关闭；各系统向VCU通告其各自状态，档接收到IG off或者出现严重故障时，VCU向CAN总线广播Step50，告知各高压用电器件进入零功率工况；

Step50：MCU、GCU、ECU、DC/DC、空调系统等高压用电部件执行VCU零功率指令，VCU在收到高压母线电流低于某一值时向CAN总线广播Step60，告知BMS进入下电；

Step60：BMS读到该状态值按照控制逻辑先断开正极继电器，然后VCU断开负极继电器，并向CAN总线广播Step70，告知各控制器进行存档；

Step70：各控制器存档，完成后向VCU告知其状态，然后下电，VCU接收不到各控制状态更新后判定各控制器存档完成，VCU下电。

驾驶员启动车辆，同时开启增程器等系统，驾驶员操作与执行结果如图3所示。

2 增程器控制策略

增程器包含发动机和发电机两大部件，VCU控制发动机ECU和发电机GCU协调工作，根据上述思想，VCU需要严格控制ECU及GCU的工作状态，保证增程器的工作安全、可靠。

2.1 增程器工作模式

将VCU协调ECU及GCU两者工作过程分为四种工作模式：启动模式、待机模式、发电模式及停机模式，根据不同的模式及相应指令可以控制发动机、发电机准确工作。本发明所用发动机ECU控制方法为转矩控制，发电机控制方法为转速控制，在相应模式下ECU、GCU所执行的动作指令及执行结果如下表所示：

表1 增程式工作模式、动作指令及执行结果

2.2 增程器工作状态

VCU根据驾驶员选择及电池状态决定增程器是否工作、工作程度：1)电池SOC较高或发动机、发电机存在一级故障时，VCU控制增程器处在停机状态；2)VCU确定增程器可以工作时，若增程器无故障，则VCU根据相应策略控制发动机、发电机工作；若增程器存在二级或三级故障时，则VCU根据相应策略控制发动机、发电机限功率工作。根据上述将增程器工作状态分为以下三种：

表2 增程器工作状态

根据上述原则，增程器工作流程如图4所示

增程器工作点选取及切换方法

考虑整车经济性及舒适性，增程器工作功率点选取需尽可能考虑：1)跟随车速变化；2)工作点变化尽可能少；3)最大输出应在增程器输出负荷的中高负荷区。

根据上述思想，则增程器工作点选取图5所示：

根据上述设计思路并结合图5所示，本发明拟采用的控制策略如下：1)增程器的功率点随着车速的升高而升高，且在低速区增程器工作点尽量贴近功率跟随模式下的功率点以获得较好的NVH性能；2)选取5个点作为增程器工作点如上图所示，工作点的选取兼顾低速区的舒适性要求、中高速区的动力性要求和增程器的经济性要求；3)为减少在功率变化点的来回切换，在各切换点增加“滞回”，例如在Point1，车速升高过程中要高于12km/h才切换至Point1功率，在车速下降过程中要低于8km/h才切换至0。具体工作点选取如下表所示：

表3 增程器切换点

以NEDC第二部分车速变化为例，本申请增程器工作过程如图6所示：

增程器工作点变化过程如下表所示：

表4 增程器工作点切换说明

有益效果

1、增程式电动汽车采用状态管理机制的控制方法，可以有效避免高压用电器件“误动作”导致的继电器粘连、预充电电阻烧毁等问题，可以提高整车的可靠性和安全性。

2、基于整车NVH性能和燃油经济性的增程器工作点的选取方法及增程器工作点切换方法可以有效解决低速段凸显的噪声、振动较差的问题；可以有效利用发动机中高速段较好的燃油经济性，达到节油目的；可以避免发动机工作点频繁切换造成的不适感觉和较高燃油消耗。

3、增程器工作过程控制方法通过定义工作模式、工作状态及工作点切换方法，通过约束ECU和GCU每一个模式下的动作指令，可以实现VCU对ECU和GCU的协调控制，利于整车“集成”设计，便于VCU对整车状态的管理。

附图说明

图1是整车架构；

图2是行车工况；

图3是驾驶员操作对应执行结果示意图；

图4是增程器工作控制流程图；

图5是增程器工作点选取示意图；

图6是增程器工作变化示意图。

具体实施方式

一种基于状态管理的增程式电动汽车控制方法，所述方法包括整车时序控制和增程器控制两个部分。

所述整车时序控制，包括作为一级控制器置于顶层的整车控制器VCU和其它置于底层的子系统，所述子系统包括协调发动机控制器ECU、驱动电机控制器MCU、发电机控制器GCU或电池管理系统BMS。

所述子系统控制器与所述VCU之间通过CAN总线进行信息交互，所述整车时序控制实行整车行车工况过程管理，将整车分为行车和慢车两种工况，在每一工况下将整车的过程分为若干步，对每一步进行状态管理。

所述整车行车工况过程管理包括以下步骤：

步骤Step10，各控制器在接收到唤醒信号后开始初始化工作，初始化完成后向总线传递各自状态，VCU根据各控制器状态判定是否进行高压上电工作，若无故障进行高压上电，则向CAN总线传递步骤Step20，各相关控制器接收该状态值即进行上电工作；若判定无法进行高压上电，则向CAN总线传递步骤Step70，各控制器进行存档工作；

步骤Step20，VCU在该状态下先闭合负极继电器，BMS读到该状态值则按照逻辑先闭合预充继电器，预充电过程结束后再闭合正极继电器，VCU通过判断各高压用电器件故障状态，若无影响高压上电故障，则认为高压上电成功，向CAN总线传递步骤Step30；若存在影响高压上电故障，则认为高压上电未成功，向CAN总线传递步骤Step60，进行高压下电工作；

步骤Step30，VCU在该状态下判定是否存在影响行车的故障，若有则向CAN总线传递步骤Step60，进行高压下电工作；若无则向CAN总线传递步骤Step40，允许各高压用电部件开始工作；

步骤Step40，MCU执行VCU指令开始待机、驱动或制动工作；GCU、ECU执行VCU指令进行暖机和发电工作；DC/DC执行VCU使能指令开始工作或关闭；空调系统执行VCU指令开始工作或关闭；各系统向VCU通告其各自状态，当接收到IG off或者出现严重故障时，VCU向CAN总线传递步骤Step50，告知各高压用电器件进入零功率工况；

步骤Step50，MCU、GCU、ECU、DC/DC、空调系统等高压用电部件执行VCU零功率指令，VCU在收到高压母线电流低于某一值时向CAN总线传递步骤Step60，通知BMS进入下电；

步骤Step60，BMS读到该状态值按照控制逻辑先断开正极继电器，然后VCU断开负极继电器，并向CAN总线传递步骤Step70，通知各控制器进行存档；

步骤Step70，各控制器存档，完成后向VCU告知其状态，然后下电，VCU接收不到各控制状态更新后判定各控制器存档完成，VCU下电。

所述增程器控制包括增程器工作过程控制、增程器工作点选取和增程器工作点切换。

所述增程器工作过程控制，将VCU协调ECU及GCU两者工作过程分为四种工作模式，分别为启动模式、待机模式、发电模式及停机模式，根据不同的模式及相应指令控制发动机、发电机工作，发动机ECU控制方法为转矩控制，发电机控制方法为转速控制。

所述增程器工作点选取为，当增程器的功率点随着车速的升高而升高，且在低速区增程器工作点尽量贴近功率跟随模式下的功率点以获得较好的NVH性能；选取5个点作为增程器工作点，工作点的选取兼顾低速区的舒适性要求、中高速区的动力性要求和增程器的经济性要求；所述增程器工作点切换为减少在功率变化点的来回切换，在各切换点增加“滞回”。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本申请型的保护范围之中。

Claims (5)

1.一种基于状态管理的增程式电动汽车控制方法，其特征在于：所述方法包括整车时序控制和增程器控制两个部分，其中，所述增程器控制包括增程器工作过程控制、增程器工作点选取和增程器工作点切换；

其中，所述增程器工作点选取为，当增程器的功率点随着车速的升高而升高，且在低速区增程器工作点尽量贴近功率跟随模式下的功率点以获得较好的NVH性能；选取5个点作为增程器工作点，工作点的选取兼顾低速区的舒适性要求、中高速区的动力性要求和增程器的经济性要求；所述增程器工作点切换为减少在功率变化点的来回切换，在各切换点增加“滞回”。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述整车时序控制，包括作为一级控制器置于顶层的整车控制器VCU和置于底层的子系统，所述子系统包括协调发动机控制器ECU、驱动电机控制器MCU、发电机控制器GCU和电池管理系统BMS。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述子系统控制器与所述VCU之间通过CAN总线进行信息交互，所述整车时序控制实行整车行车工况过程管理，将整车分为行车和慢车两种工况，在每一工况下将整车的过程分为若干步，对每一步进行状态管理。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述整车行车工况过程管理包括以下步骤：

步骤Step10，各控制器在接收到唤醒信号后开始初始化工作，初始化完成后向总线传递各自状态，VCU根据各控制器状态判定是否进行高压上电工作，若无故障进行高压上电，则向CAN总线传递步骤Step20，各相关控制器接收该状态值即进行上电工作；若判定无法进行高压上电，则向CAN总线传递步骤Step70，各控制器进行存档工作；

步骤Step20，VCU在该状态下先闭合负极继电器，BMS读到该状态值则按照逻辑先闭合预充继电器，预充电过程结束后再闭合正极继电器，VCU通过判断各高压用电器件故障状态，若无影响高压上电故障，则认为高压上电成功，向CAN总线传递步骤Step30；若存在影响高压上电故障，则认为高压上电未成功，向CAN总线传递步骤Step60，进行高压下电工作；

步骤Step30，VCU在该状态下判定是否存在影响行车的故障，若有则向CAN总线传递步骤Step60，进行高压下电工作；若无则向CAN总线传递步骤Step40，允许各高压用电部件开始工作；

步骤Step40，MCU执行VCU指令开始待机、驱动或制动工作；GCU、ECU执行VCU指令进行暖机和发电工作；DC/DC执行VCU使能指令开始工作或关闭；空调系统执行VCU指令开始工作或关闭；各系统向VCU通告其各自状态，当接收到IGoff或者出现严重故障时，VCU向CAN总线传递步骤Step50，告知各高压用电器件进入零功率工况；

步骤Step50，MCU、GCU、ECU、DC/DC、空调系统等高压用电部件执行VCU零功率指令，VCU在收到高压母线电流低于某一值时向CAN总线传递步骤Step60，通知BMS进入下电；

步骤Step60，BMS读到该状态值按照控制逻辑先断开正极继电器，然后VCU断开负极继电器，并向CAN总线传递步骤Step70，通知各控制器进行存档；

步骤Step70，各控制器存档，完成后向VCU告知其状态，然后下电，VCU接收不到各控制状态更新后判定各控制器存档完成，VCU下电。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述增程器工作过程控制，将VCU协调ECU及GCU两者工作过程分为四种工作模式，分别为启动模式、待机模式、发电模式及停机模式，根据不同的模式及相应指令控制发动机、发电机工作，发动机ECU控制方法为转矩控制，发电机控制方法为转速控制。