CN109080560A

CN109080560A - 一种纯电动汽车dcdc控制系统及控制方法

Info

Publication number: CN109080560A
Application number: CN201810977346.5A
Authority: CN
Inventors: 白羽鹤
Original assignee: Shanghai Rainbow Amperex Technology Ltd
Current assignee: Shanghai Rainbow Amperex Technology Ltd
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2018-12-25
Anticipated expiration: 2038-08-27
Also published as: CN109080560B

Abstract

本发明公开了一种纯电动汽车DCDC控制系统及控制方法。控制系统包括：动力电池及其管理系统、电动机及其控制器、整车控制器、DCDC变换器、12V低压蓄电池、低压电源管理单元、低压负载和CAN总线。控制方法共包括6个步骤：1、整车上电，VCU唤醒；2、判断车辆DCDC是否使能；3、进入DCDC输出电压控制状态机；4、DCDC输出电压控制；5、DCDC控制电压梯度处理；6、DCDC接收VCU发送的控制命令，实现低压蓄电池充放电或电量保持。本发明的控制方法能够为DCDC控制提供最优的能量管理方法。本发明中的技术方案在维持低压蓄电池电量平衡及车载低压附件的用电前提下，还能够显著提高整车的用电效率。

Description

一种纯电动汽车DCDC控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于电动汽车控制技术领域，具体的说是涉及一种纯电动汽车DCDC控制系统及控制方法。

背景技术

环境污染和石化能源的枯竭是制约当代传统汽车发展的两大重要因素。在这样的大背景下，新能源汽车特别是纯电动汽车已成为汽车行业的研究热点。纯电动汽车去除了传统车辆中的发电机，为了维持低压蓄电池电量平衡及车载低压附件的用电，需在高低压网络之间设置DCDC变换器，DCDC变换器也称直流电压变换器，负责将动力电池组的高压电转换为低压电为12V低压蓄电池和低压负载提供电能。通常，现有技术中传统的DCDC控制方法，是根据负载的用电需求调整DCDC输出电压。现有技术中的这种控制方法虽然能够满足低压系统的用电需求，但却未考虑到低压蓄电池状态的变化，同时也未考虑到车辆所处工况的变化，从车辆整体的用电效果而言，现有技术中的这种控制方法会降低整车的用电效率。基于以上事实，现亟需设计出一种能够提高整车用电效率的DCDC控制系统及控制方法是很有必要的。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的不足，提供一种根据低压蓄电池信息和车辆行驶工况信息对DCDC进行动态控制的纯电动汽车DCDC控制系统及控制方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种纯电动汽车DCDC控制系统，该控制系统包括动力电池及其管理系统、电动机及其控制器、整车控制器、DCDC变换器、12V低压蓄电池、低压电源管理单元、低压负载和CAN总线；

动力电池及其管理系统为DCDC输入高压电，上报动力电池母线电压和电流等信息；

电动机及其控制器在电机回收能量时，为DCDC输入高压电；

整车控制器根据低压蓄电池的荷电状态、电压、电流等信息以及整车信息（高压上电状态、加速、减速等），发送DCDC使能命令（命令DCDC开启还是关闭）与DCDC输出电压命令来控制DCDC，使低压蓄电池电量保持在一定范围；

DCDC变换器接收VCU的使能和输出电压命令，将动力电池的高压电能转换为12V低压蓄电池的低压电能，供低压负载用电；

12V低压蓄电池为低压负载供电；

低压电源管理单元用胶带捆绑固定在12V低压蓄电池负极电缆上，控制模块本身包含电压传感器、电流传感器和温度传感器，这些传感器用来采集12V低压蓄电池的工作状态，同时控制模块计算低压蓄电池荷电状态，这些信息均通过CAN总线进行上报；

低压负载包括电子助力转向和电子真空泵等，消耗低压蓄电池电能；

各电子控制单元通过CAN总线进行通讯，以达到监测和控制的目的。

本发明还公开了一种纯电动汽车DCDC控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1：整车上电，VCU唤醒；

步骤2：判断车辆DCDC是否使能：当车辆在满足以下任意工况时，VCU发送DCDC使能命令，当DCDC未处于使能状态时，DCDC输出控制电压为0V；

（1）驱动工况下：车辆处于上高压状态；

（2）充电工况下：车辆处于充电状态，即充电许可条件（由VCU发送）满足并且BMS反馈的高压工作模式为充电模式；

步骤3：进入DCDC输出电压控制状态机：根据蓄电池SOC，车辆加速或减速状态输出DCDC电压控制状态；

步骤4：DCDC输出电压控制：根据DCDC电压控制状态及蓄电池的电压、电流和温度等，输出对应的控制电压；

步骤5：DCDC控制电压梯度处理：不同控制电压切换时，使控制电压以一定的变化率平稳过度；

步骤6：DCDC接收VCU发送的控制命令：实现低压蓄电池充放电或电量保持，DCDC使能信号及DCDC输出电压控制信号由VCU发送至DCDC转换装置实现低压蓄电池充放电或电量保持控制。

步骤3中，DCDC输出电压控制状态机主要包括的状态有：初始非使能状态、初始使能状态、低压蓄电池电量过低警告状态、快速充电状态、恒值充电状态、电量保持状态、放电状态和加速减速状态；各状态之间通过不同状态转移条件进行切换，状态转移条件包含低压蓄电池的各个控制状态所对应的SOC范围、车辆加速或减速状态和DCDC使能信号。

步骤4中，DCDC输出电压控制是指DCDC使能条件满足时，按照以下要求输出DCDC控制电压（初始值为低压电池当前电压）：

（1）低压电池SOC控制目标为78%～87%，滞回2%；当低压电池SOC由低于78%的某值逐渐升高时，进入电池SOC平衡控制的最低SOC为78%+2%；当低压电池SOC由高于87%的某值逐渐降低时，进入电池SOC平衡控制的最高SOC为87%-2%；

（2）当低压电池SOC处于控制目标范围且不在容许的控制电流范围<-2A或者>2A时，控制电压通过蓄电池电流幅度大小与其对应调节系数相乘得到；当低压电池SOC处于控制目标范围且在容许的控制电流范围≥-2A且≤2A时，控制电压通过蓄电池当前电压与其对应的调节系数相乘得到；

（3）控制电压在11V～16V区间内；

（4）DCDC输出电压的变速速率控制在2V/s；

（5）当低压电池SOC低于60%时，启用快速充电功能，即输出最大控制电压16V，温度过高或过低按照标准输出；

（6）当低压电池SOC低于30%时，进行报警；

（7）当低压电池SOC大于等于60%小于78%时，以恒定值输出控制电压；

（8）当低压电池SOC高于87%时，允许低压电池放电，DCDC控制的输出电压小于14.5V；

（9）当低压电池SOC大于等于60%小于等于87%时，实现加减速能量管理，对控制电压进行修正：

①车辆加速状态下，通过修正系数（可标定，通过车速和加速度输出不同的修正系数）减小DCDC输出电压；

②车辆减速状态下，通过修正系数（可标定，通过车速和减速度输出不同的修正系数）增加DCDC输出电压；

（10）根据低压电池温度对DCDC输出控制电压进行修正：温度低于0℃或高于60℃执行基本控制功能；

（11）SOC状态信号SOC_STATE=0，即精度>15%时，DCDC输出电压按照标准输出；

（12）低压电池电压、电流、温度无效（通过电压状态、电流状态、温度状态进行判断）时，DCDC输出电压按照标准输出（14.5V）；

（13）低压电池反馈SOC产生突变，整车控制器对SOC做滤波处理，滤波后的SOC在短时间内渐变至实际值，DCDC控制的状态机在短时间内跳转到期望的控制状态。

本发明的有益效果是：本发明公开了一种纯电动汽车DCDC控制系统及控制方法，本发明的控制方法能够为DCDC控制提供最优的能量管理方法。本发明中的技术方案在维持低压蓄电池电量平衡及车载低压附件的用电前提下，还能够显著提高整车的用电效率。本发明中的技术方案能够根据蓄电池SOC、车辆加速或减速状态输出DCDC电压控制状态，根据DCDC电压控制状态及蓄电池的电压、电流和温度等，输出对应的控制电压。本发明能够在不同控制电压切换时，使控制电压以一定的变化率平稳过度；DCDC接收VCU发送的控制命令，实现低压蓄电池充放电或电量保持，DCDC使能信号及DCDC输出电压控制信号由VCU发送至DCDC转换装置实现低压蓄电池充放电或电量保持控制。

附图说明

图1是本发明纯电动汽车DCDC控制系统的结构示意图；

图2是本发明纯电动汽车DCDC控制方法的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，图1为本发明纯电动汽车DCDC控制系统的结构示意图，本发明中的纯电动汽车DCDC控制系统主要包括：动力电池及其管理系统（BMS）、电动机及其控制器(MCU)、整车控制器（VCU）、DCDC变换器、12V低压蓄电池、低压电源管理单元（PMU）、低压负载和CAN总线

（1）动力电池及其管理系统（BMS）：针对DCDC控制系统而言，其功能为：DCDC输入高压电，上报动力电池母线电压、电流等信息；

（2）电动机及其控制器(MCU)：针对DCDC控制系统而言，其功能为：电机回收能量时，为DCDC输入高压电；

（3）整车控制器（VCU）：针对DCDC控制系统而言，其功能为：根据低压蓄电池荷电状态、电压、电流等信息，以及整车信息（高压上电状态、加速、减速等），发送DCDC使能命令（命令DCDC开启还是关闭）与DCDC输出电压命令来控制DCDC，使低压蓄电池电量保持在一定范围；

（4）DCDC变换器：针对DCDC控制系统而言，其功能为：接收VCU的使能和输出电压命令，将动力电池的高压电能转换为12V低压蓄电池的低压电能，供低压负载用电；

（5）12V低压蓄电池：针对DCDC控制系统而言，其功能为：为低压负载供电；

（6）低压电源管理单元（PMU）：针对DCDC控制系统而言，其功能为：PMU用胶带捆绑固定在12V低压蓄电池负极电缆上，控制模块本身包含电压、电流和温度传感器，这些传感器用来采集12V低压蓄电池的工作状态，同时控制模块计算低压蓄电池荷电状态（SOC），这些信息均通过CAN总线进行上报；

（7）低压负载：针对DCDC控制系统而言，其功能为：包括电子助力转向和电子真空泵等，消耗低压蓄电池电能；

（8）CAN总线：针对DCDC控制系统而言，其功能为：各电子控制单元通过CAN总线进行通讯，已达到监测、控制等目的。

如图2所示，图2为本发明纯电动汽车DCDC控制方法的方法流程图，具体控制步骤如下：

步骤1：整车上电，VCU唤醒；

步骤2：判断车辆DCDC是否使能；当车辆在满足以下任意工况时，VCU发送DCDC使能命令；当DCDC未处于使能状态时，DCDC输出控制电压为0V；

（1）驱动工况下：车辆处于上高压状态；

步骤3：进入DCDC输出电压控制状态机；根据蓄电池SOC，车辆加速或减速状态输出DCDC电压控制状态；

步骤4：DCDC输出电压控制；根据DCDC电压控制状态，以及蓄电池电压、电流、温度等，输出对应的控制电压；

步骤5：DCDC控制电压梯度处理；不同控制电压切换时，使控制电压以一定的变化率平稳过度；

步骤6：DCDC接收VCU发送的控制命令；实现低压蓄电池充放电或电量保持，DCDC使能信号及DCDC输出电压控制信号由VCU发送至DCDC转换装置实现低压蓄电池充放电或电量保持控制。

步骤3中，DCDC输出电压控制状态机主要包括的状态有：初始非使能状态、初始使能状态、低压蓄电池电量过低警告状态、快速充电状态、恒值充电状态、电量保持状态、放电状态和加速减速状态。各状态之间通过不同状态转移条件进行切换，状态转移条件包含低压蓄电池的各个控制状态所对应的SOC范围、车辆加速或减速状态以及DCDC使能信号。

步骤4中，DCDC输出电压控制是指：DCDC使能条件满足时，按照以下要求输出DCDC控制电压（初始值为低压电池当前电压）；

（2）当低压电池SOC处于控制目标范围且不在容许的控制电流范围（<-2A或者>2A）时，控制电压通过蓄电池电流幅度大小与其对应调节系数相乘得到；当低压电池SOC处于控制目标范围且在容许的控制电流范围（≥-2A且≤2A）时，控制电压通过蓄电池当前电压与其对应的调节系数相乘得到；

（3）控制电压在11V～16V区间内（可标定）；

（4）DCDC输出电压的变速速率控制在2V/s（可标定）；

（5）当低压电池SOC低于60%（可标定）时，启用快速充电功能，即输出最大控制电压16V，温度过高（60℃）或过低（0℃）按照标准输出（14.5V）；

（6）当低压电池SOC低于30%（可标定）时，进行报警，仪表小电池报警灯闪烁；

（7）当低压电池SOC大于等于60%小于78%时，以恒定值输出控制电压（标定值，定为14.5V）；

（8）当低压电池SOC高于87%时，允许低压电池放电，DCDC控制的输出电压小于14.5V（可标定，暂定为13.5V）；

（10）根据低压电池温度对DCDC输出控制电压进行修正：温度低于0℃或高于60℃执行基本控制功能，按照标准输出（14.5V）；

（11）SOC状态信号SOC_STATE=0时，即精度>15%时，DCDC输出电压按照标准输出（14.5V）；

（13）低压电池反馈SOC产生突变，VCU对SOC做滤波处理，滤波后的SOC可在短时间内渐变至实际值，DCDC控制的状态机可在短时间内跳转到期望的控制状态。

下面对本发明控制方法步骤3中的“DCDC输出电压控制状态机”进行详细阐述。

本发明中DCDC输出电压控制状态机主要包括的状态有：

（1）初始非使能状态（InitialNoEnblSt，状态值：0），功能：整车上电，初始化状态，DCDC输出电压为当前低压蓄电池电压；

（2）初始使能状态（InitialEnblSt，状态值：1），功能：整车上电后，DCDC使能时，所处的初始化状态，该状态保持一定时间后，进入具体的电压控制状态，该状态DCDC输出电压为当前低压蓄电池电压；

（3）电量过低警告状态（WarningSt，状态值：2），功能：低压蓄电池SOC过低（SOC＜30%）时，所处状态，该状态根据低压蓄电池温度情况，确定DCDC是否输出最大电压（温度处于正常范围时为16V；否则为14.5V），同时发出低压蓄电池电量过低警告；

（4）快速充电状态（RapidChSt，状态值：3），功能：低压蓄电池SOC较低（30%≤SOC＜60%）时，所处状态，该状态根据低压蓄电池温度情况，确定DCDC是否输出最大电压（温度处于正常范围时为16V；否则为14.5V）；

（5）恒值充电状态（ValueOutSt，状态值：4），功能：低压蓄电池SOC处于中高范围（60%≤SOC＜78%）时，所处状态，该状态DCDC输出电压命令为恒定值(14.5V)；

（6）电量保持状态（BalanceContrlSt，状态值：5），功能：低压蓄电池SOC较高范围（由状态4进入时：80%≤SOC＜87%；由状态6进入时：78%≤SOC＜85%）时，所处状态，该状态DCDC输出电压命令根据低压蓄电池电流决定 (电流较小时，控制电压通过蓄电池当前电压与其对应的调节系数相乘得到；电流变化较大时，控制电压通过蓄电池电流幅度大小与其对应调节系数相乘得到)；

（7）放电状态（DisChSt，状态值：6），功能：低压蓄电池SOC处于高范围（SOC＞87%）时，所处状态，该状态DCDC输出电压命令为恒定值(13.5V)；

（8）加速减速状态（AccDecSt，状态值：7），功能：当控制状态处于“恒值充电状态”或“电量保持状态”，且车辆加速或减速时，将进入此状态，该状态DCDC输出电压命令由车辆速度及车辆加减速共同决定，控制电压由蓄电池当前电压与车速及车辆加减速度二维表输出系数相乘得到。

本发明中DCDC输出电压控制状态机各状态之间的跳转条件有：

（1）条件a0：DCDC处于非使能状态（DCDCEnbl==0）；

（2）条件a1：DCDC处于使能状态（DCDCEnbl==1）；

（3）条件b1：初始使能状态进入电量过低警告状态条件，Switch_Cnt ==0 && SOC<SOCmin，式中：Switch_Cnt 为初始使能状态保持计数值，SOCmin=30%；

（4）条件b2：初始使能状态进入快速充电状态条件，Switch_Cnt ==0 && SOC>=SOCmin&& SOC<SOCmid，式中：SOCmid=60%；

（5）条件b3：初始使能状态进入恒值充电状态条件，Switch_Cnt ==0 && SOC>=SOCmid&& SOC<SOCImin，式中：SOCImin=78%；

（6）条件b4：初始使能状态进入电量保持状态条件，Switch_Cnt ==0 && SOC>=SOCImin&& SOC<=SOCImax，式中：SOCImax=78%；

（7）条件b5：初始使能状态进入放电状态条件，Switch_Cnt==0 && SOC>SOCImax；

（8）条件c1：电量过低警告状态、恒值充电状态或加速减速状态进入快速充电状态条件，SOC>=SOCmin && SOC<SOCmid；

（9）条件c2：快速充电状态或电量保持状态进入恒值充电状态条件，SOC>=SOCmid &&SOC<SOCImin；

（10）条件c3：恒值充电状态进入电量保持状态条件，SOC>=(SOCImin+SOCdelta)&& SOC<=SOCImax，式中：SOCdelta为SOC滞回值，SOCdelta=2%；

（11）条件c4：电量保持状态进入放电状态条件，SOC>SOCImax；

（12）条件d1：快速充电状态或加速减速状态进入电量过低警告状态条件，SOC<SOCmin；

（13）条件d2：放电状态进入电量保持状态条件，SOC>=SOCImin&& SOC<=(SOCImax-SOCdelta)；

（14）条件e1：加速减速状态进入恒值充电状态条件，SOC>=SOCmid &&SOC<(SOCImin+SOCdelta) && VehSt～=3 && VehSt～=4，式中：VehSt为车辆状态，VehSt=3为加速状态，VehSt=4为减速状态；

（15）条件e2：加速减速状态进入电量保持状态条件，SOC>=(SOCImin+SOCdelta)&&SOC<=(SOCImax-SOCdelta)&&VehSt～=3 && VehSt～=4；

（16）条件e3：加速减速状态进入放电状态条件，SOC>(SOCImax-SOCdelta)；

（17）条件f1：恒值充电状态或电量保持状态进入加速减速状态条件，VehSt==3 ||VehSt==4，即车辆加速或减速。

最后应当说明的是，以上内容仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员对本发明的技术方案进行的简单修改或者等同替换，均不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims

1.一种纯电动汽车DCDC控制系统，其特征在于：所述纯电动汽车DCDC控制系统包括动力电池及其管理系统、电动机及其控制器、整车控制器、DCDC变换器、12V低压蓄电池、低压电源管理单元、低压负载和CAN总线；

所述动力电池及其管理系统为DCDC输入高压电，上报动力电池母线电压和电流信息；

所述电动机及其控制器在电机回收能量时，为DCDC输入高压电；

所述整车控制器根据低压蓄电池的荷电状态、电压、电流信息和整车信息，发送DCDC使能命令与DCDC输出电压命令来控制DCDC，使低压蓄电池电量保持在一定范围；

所述DCDC变换器接收整车控制器的使能和输出电压命令，将动力电池的高压电能转换为12V低压蓄电池的低压电能，供低压负载用电；

所述12V低压蓄电池为低压负载供电；

所述低压电源管理单元用胶带捆绑固定在12V低压蓄电池负极电缆上，控制模块本身包含电压传感器、电流传感器和温度传感器，这些传感器用来采集12V低压蓄电池的工作状态，同时控制模块计算低压蓄电池荷电状态，这些信息均通过所述CAN总线进行上报；

所述低压负载包括电子助力转向和电子真空泵，消耗低压蓄电池电能；

各电子控制单元通过所述CAN总线进行通讯，以达到监测和控制的目的。

2.一种纯电动汽车DCDC控制方法，其特征在于：所述纯电动汽车DCDC控制方法具体包括如下步骤：

步骤1：整车上电，整车控制器唤醒；

步骤2：判断车辆DCDC是否使能：当车辆在满足以下任意工况时，整车控制器发送DCDC使能命令，当DCDC未处于使能状态时，DCDC输出控制电压为0V；

（1）驱动工况下：车辆处于上高压状态；

（2）充电工况下：车辆处于充电状态，即充电许可条件满足并且动力电池及其管理系统反馈的高压工作模式为充电模式；

步骤4：DCDC输出电压控制：根据DCDC电压控制状态及蓄电池的电压、电流和温度，输出对应的控制电压；

步骤6：DCDC接收整车控制器发送的控制命令：实现低压蓄电池充放电或电量保持，DCDC使能信号及DCDC输出电压控制信号由整车控制器发送至DCDC转换装置实现低压蓄电池充放电或电量保持控制。

3.根据权利要求2所述的纯电动汽车DCDC控制方法，其特征在于：步骤3中，所述DCDC输出电压控制状态机主要包括的状态有：初始非使能状态、初始使能状态、低压蓄电池电量过低警告状态、快速充电状态、恒值充电状态、电量保持状态、放电状态和加速减速状态；各状态之间通过不同状态转移条件进行切换，状态转移条件包含低压蓄电池的各个控制状态所对应的SOC范围、车辆加速或减速状态和DCDC使能信号。

4.根据权利要求2所述的纯电动汽车DCDC控制方法，其特征在于：步骤4中，所述DCDC输出电压控制是指DCDC使能条件满足时，按照以下要求输出DCDC控制电压：

（2）当低压电池SOC处于控制目标范围且不在容许的控制电流范围时，控制电压通过蓄电池电流幅度大小与其对应调节系数相乘得到；当低压电池SOC处于控制目标范围且在容许的控制电流范围时，控制电压通过蓄电池当前电压与其对应的调节系数相乘得到；

（3）控制电压在11V～16V区间内；

（4）DCDC输出电压的变速速率控制在2V/s；

（6）当低压电池SOC低于30%时，进行报警；

（12）低压电池电压、电流、温度无效时，DCDC输出电压按照标准输出；

5.根据权利要求4所述的纯电动汽车DCDC控制方法，其特征在于：步骤（9）中，对控制电压进行修正：车辆加速状态下，通过修正系数减小DCDC输出电压；车辆减速状态下，通过修正系数增加DCDC输出电压。