CN113263915B - 一种纯电动汽车高压配电系统的安全控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纯电动汽车高压配电系统的安全控制方法，按照高压电气系统中的电气部件的关键程度，设计双高压互锁回路，其中一路为关键互锁回路，另一路为普通互锁回路；通过分别对双高压互锁回路的互锁信号进行一定时间的连续检测，判断是否存在高压互锁故障；将高压互锁故障分为四个等级；将高压绝缘故障分为若干等级；设计基于模糊控制的故障分级控制策略，建立预充电阻热量计算模型，进行高压预充策略优化设计。本发明根据常见高压故障和纯电动汽车运行工况的特点，应用模糊控制理论，实现了高压配电系统故障的分级控制；对高压预充策略进行优化设计，保证了关键元器件的安全，从而提高了车辆运行时的安全性和可靠性。

Description

一种纯电动汽车高压配电系统的安全控制方法

技术领域

本发明属于新能源汽车安全控制领域，尤其涉及一种纯电动汽车高压配电系统的安全控制方法。

背景技术

近些年来，随着世界范围内的汽车数量的爆发性增长，空气质量也因为汽车尾气的大量排放遭到巨大挑战，人们对环境问题的认识日益加深和对能源危机的担忧日益加剧。为了减少环境污染，实现汽车工业的可持续发展，各个国家和汽车产业正在积极寻找新的解决方案，在国家的政策的扶持下，新能源汽车应运而生，新能源汽车的产业迎来了前所未有的发展机遇。在电商的兴起背景下,城市物流和快递行业蓬勃发展,城际物流向绿色物流转换升级也是大势所趋，纯电动汽车的大规模应用是其中的重要内容和发展亮点。并且发展纯电动汽车有利于减少汽车尾气排放和碳污染，加快建设成环境友好型、资源节约型社会。此外，纯电动汽车作为城市内物流运输，在满足其续航的前提下，运营成本低、全天候全路段通行、舒适性较好。纯电动汽车适用于短途、运输方式单一的定点运输。随着纯电动汽车快速发展,市场规模不断扩大,技术水平不断提高,应用场景逐步广泛，纯电动汽车取代传统燃油车辆也是大势所趋。

作为纯电动汽车的一个核心部分--高压配电系统，负责整车的高压用电管理和控制，对整车的高压电气系统正常工作及车辆安全行驶起着重要作用，直接决定整车高压安全。然而，新能源汽车在快速发展的过程中，也暴露出了许多问题，频繁的新能源汽车高压系统故障投诉，引发了人们对新能源汽车高压系统安全性和可靠性的广泛关注，具体包括以下问题：

(1)车辆运行工况的复杂性

高压配电系统作为纯电动汽车的关键高压电气部件，其可靠性与车辆运行工况密切相关。车辆实际运行中经常伴随着超载、爬坡、颠簸以及长时间运行等因素，这些因素给高压配电系统的可靠性带来了挑战。因此，一定要结合车辆的实际运行工况来设计研究高压配电系统的可靠性。

(2)系统故障诊断的准确性

高压配电系统故障诊断的准确性是系统安全性研究的难点。高压配电系统的复杂性导致了系统故障模式多样，不同子系统的工作原理与控制策略均不同，且各个系统相互关联和影响，引起系统故障的原因难以准确界定。因此需要开发合理的故障诊断策略，能准确高效的对系统故障进行准确诊断。

(3)系统故障预测的及时性

高压配电系统故障预测的及时性是系统安全性与可靠性研究的难点。由于车辆运行工况的复杂性，导致系统故障发生具有随机不确定性的特点，如果能对系统故障进行及时的预测，则能给故障容错控制预留一定的时间，从而提高系统的安全性和可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种纯电动汽车高压配电系统的安全控制方法，能够提高车辆高压配电系统的可靠性和安全性。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种纯电动汽车高压配电系统的安全控制方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、高压互锁故障和高压绝缘故障分级策略

按照高压电气系统中的电气部件的关键程度，设计双高压互锁回路，其中一路为关键互锁回路，另一路为普通互锁回路；通过分别对双高压互锁回路的互锁信号进行一定时间的连续检测，判断是否存在高压互锁故障；

将高压互锁故障分为四个等级，当不存在互锁故障时为正常；当普通互锁回路存在故障时为低级；当只有关键互锁回路出现故障时为中级；当普通互锁回路和关键互锁回路同时存在故障时为高级；按照高压系统绝缘检测电路中动力电池与底盘间绝缘阻值的大小，将高压绝缘故障分为若干等级；

S2、设计基于模糊控制的故障分级控制策略

将高压互锁故障等级和高压绝缘故障等级作为输入条件，将车速作为车辆工况的参考指标，功率限制系数作为输出参数，根据工程经验制定模糊控制规则，设计模糊控制器；其中，功率限制系数输出给整车控制器，用于控制整车输出的功率，以实现车辆安全与性能的协调；所述的模糊控制规则如下：

当高压互锁故障和高压绝缘故障的故障等级高，车速较高，且在下坡的工况下，那么从车辆安全角度出发，此时加大对车辆输出功率的限制，即功率限制系数较大；

当高压互锁故障和高压绝缘故障的故障等级高，车速较高，在爬坡且路面附着系数较高的工况下，考虑到车辆的安全性和动力性，此时减小车辆的输出功率限制，保证车辆的动力性和通过能力；

S3、基于电气元件的高压预充混合控制策略

建立预充电阻热量计算模型，进行高压预充策略优化设计。

按上述方案，将动力电池、驱动电机、电机控制器和高压配电箱作为关键互锁回路，将空调压缩机和车载充电机作为普通互锁回路。

按上述方案，分别对双高压互锁回路的互锁信号进行5s的连续检测。

按上述方案，将高压系统绝缘故障分为三个等级，当绝缘阻值大于500Ω/V，则认为高压系统无绝缘故障；当绝缘阻值介于100～500Ω/V，则认为高压系统绝缘故障为低级；当绝缘阻值小于100Ω/V，则认为高压系统绝缘故障为高级。

按上述方案，所述的S2中，对于输入参数高压互锁故障等级的论域，设为X，并根据故障分级的结果划分为4个等级，具体表示为X＝{0,1,2,3}，其中0表示无故障，1表示低级故障，2表示中级故障，3表示高级故障；对应的模糊子集为A，A的4个语言取值表示为A＝{Z,PS,PM,PB}，依次为Z零、PS正小、PM正中、PB正大；

对于输入参数高压绝缘故障等级的论域，设为Y，并根据故障分级的结果将其划分为3个等级，具体表示为Y＝{0,1,2}，其中0表示无故障，1表示低级故障，2表示高级故障；对应的模糊子集为B，B的3个语言取值表示为B＝{S,M,B}，依次为S低、M中、B高；

对于输入参数车速的论域，设为Z，并根据最高车速范围将其划分为5个等级，具体表示为Z＝{0,1,2,3,4}，其中0表示车速为0≤v＜20km/h，1表示车速为20≤v＜40km/h，2表示车速为40≤v＜60km/h，3表示车速为60≤v＜80km/h，4表示车速为80≤v≤100km/h；对应的模糊子集为C，C的5个语言取值表示为C＝{VA,VB,VC,VD,VE}，依次为VA极小、VB小、VC中、VD大、VE极大；

对于输出变量功率限制系数k的论域，设为K，并根据车速的等级将其划分为对应的5个等级，具体表示为K＝{0,1,2,3,4}；对应的模糊子集为D，D的5个语言取值表示为D＝{KA,KB,KC,KD,KE}，依次为KA极低、KB低、KC中、KD)、KE极高。

按上述方案，所述的S3通过建立预充电阻热量计算模型，计算一个完整的预充和泄放过程中，预充电阻上累积的热量Q_R；

根据Q_R和每次预充和余电泄放完成后的散热时间，在下次预充开始之前，预测下次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量，判断该累积热量是否超过预充电阻的安全热量阈值，若超过则进行延时散热之后再进行预充。

按上述方案，所述的S3具体为：

在下次预充开始之前，预测下次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量Q_n；Q_n＝Q_n-1-Q_t(n-1)+Q_R，其中Q_n-1为本次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量；n为下次预充为总的第n次预充；Q_t(n-1)为本次余电泄放完成到下次预充开始这段时间内的散热量，Q_t(n-₁₎＝kt_(n-1)，k为冷却速率，t_n-1为本次余电泄放完成到下次预充开始这段时间；Q_R为一个完整的预充和泄放过程中，预充电阻上累积的热量；

若预测累积热量Q_n小于或等于预充电阻的安全热量阈值Q_R0时，则允许本次预充；若预测的累积热量Q_n超过预充电阻的安全热量阈值Q_R0时，则对本次预充进行延时控制；

Q_n-Q_R0＝kΔt

Δt为需要延时的时间。

按上述方案，所述的S3还包括：在预测下次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量之前，先判断下次预充距离前一次预充之间的时间间隔，若时间间隔达到预设的足够长时间，则直接预充，并将预充次数n归0重新计算。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述方法的步骤。

一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

本发明的有益效果为：本发明对高压配电系统安全控制策略进行了开发优化，首先根据常见高压故障和纯电动汽车运行工况的特点，应用模糊控制理论，以高压互锁故障等级、高压绝缘故障等级和车速为模糊控制器的三个输入变量，以不同等级的功率限制系数为模糊控制器的输出变量，实现了高压配电系统故障的分级控制；对高压预充策略进行优化设计，保证了关键元器件的安全，从而提高了车辆运行时的安全性和可靠性。

附图说明

图1为双回路高压互锁系统原理图

图2为功率限制系数模糊控制器。

图3为输入输出变量的隶属度函数。

图4为模糊控制规则输出曲面。

图5为高压配电系统高压预充电路模型。

图6为高压预充控制优化策略。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种纯电动汽车高压配电系统的安全控制方法，包括以下步骤：

S1、高压互锁故障和高压绝缘故障分级策略

高压配电系统中常见的高压电气故障主要有高压互锁故障和高压绝缘故障，由于这两种故障严重程度在车辆行驶过程中会实时动态变化着，因此对于故障的不同动态值应采取相适应的控制策略，才能最有效保障车辆的行车安全。

按照高压电气系统中的电气部件的关键程度，设计双高压互锁回路，其中一路为关键互锁回路，另一路为普通互锁回路；通过分别对双高压互锁回路的互锁信号进行一定时间的连续检测，判断是否存在高压互锁故障。

将高压互锁故障分为四个等级，当不存在互锁故障时为正常；当普通互锁回路存在故障时为低级；当只有关键互锁回路出现故障时为中级；当普通互锁回路和关键互锁回路同时存在故障时为高级。

基于高压互锁设计要求，同时考虑纯电动汽车运行工况比较恶劣的特点，本实施例中将高压电气系统设计为双回路高压互锁，将动力电池、驱动电机、电机控制器和高压配电箱等关键电气部件作为关键互锁回路，将空调压缩机、车载充电机等高压附件作为普通互锁回路。高压互锁信号检测电路对互锁信号进行5s的连续检测，当5s内互锁信号持续有效，则认为高压回路存在互锁故障。通过对互锁信号的连续检测可以滤除互锁信号接触不良带来的干扰，提高高压互锁系统的稳定性。根据双回路高压互锁的特点，将高压互锁故障分为四个等级，当不存在互锁故障时为正常；当只存在普通互锁故障时为低级；当只存在关键互锁故障时为中级；当同时存在普通互锁故障和关键互锁故障时为高级。双回路高压互锁有利于对高压互锁故障进行分级控制，恶劣的运行工况比较容易触发高压互锁系统故障，所以当进行分级控制后，即使普通互锁回路触发了故障也不会影响到关键的高压系统继续正常工作，保证了纯电动汽车需要长时间运行的需求。本发明双回路高压互锁系统原理图如图1所示，其中高压连接器插头和插座中都有低压探针，只有当探针都接触良好后才能组成互锁回路,高压互锁回路接通后，智能控制模块才能接收到低压互锁信号，然后再允许高压上电，以保证高压回路在接通过程中没有高压电；高压互锁回路断开后，智能控制模块不能接收到低压互锁信号，然后控制高压下电，以保证高压回路在断开过程没有高压电。

按照高压系统绝缘检测电路中动力电池与底盘间绝缘阻值的大小，将高压绝缘故障分为若干等级。本实施例中将高压系统绝缘故障分为三个等级，当绝缘阻值大于500Ω/V，则认为高压系统无绝缘故障；当绝缘阻值介于100～500Ω/V，则认为高压系统绝缘故障为低级；当绝缘阻值小于100Ω/V，则认为高压系统绝缘故障为高级。

S2、设计基于模糊控制的故障分级控制策略

由于高压配电系统不同故障等级对车辆安全的影响存在差异，因此需要根据故障严重程度来进行分级控制，以实现车辆安全与性能的协调控制。将高压互锁故障等级和高压绝缘故障等级作为模糊控制器输入条件，同时引入与车辆安全密切相关的车速作为输入条件，设计基于模糊控制的故障分级控制策略。

高压配电系统的高压电气故障主要有高压互锁故障与高压绝缘故障，但是如何对这两个故障进行处理还需要结合车辆的实际工况，这样才能保证整车的安全。本发明将车速信号作为车辆工况的参考指标，并引入功率限制进一步系数k，以其来表示限制输出功率的程度，即高压互锁故障等级、高压绝缘故障等级和车速大小都会影响功率限制系数的大小。

因此，如图2所示，本发明将高压互锁故障等级和高压绝缘故障等级作为输入条件，将车速作为车辆工况的参考指标，功率限制系数作为输出参数，根据工程经验制定模糊控制规则，设计模糊控制器；其中，功率限制系数输出给整车控制器，用于控制整车输出的功率，以实现车辆安全与性能的协调。

所述的模糊控制规则如下：当高压互锁故障和高压绝缘故障的故障等级高，车速较高，且在下坡的工况下，那么从车辆安全角度出发，此时加大对车辆输出功率的限制，即功率限制系数较大；当高压互锁故障和高压绝缘故障的故障等级高，车速较高，在爬坡且路面附着系数较高的工况下，考虑到车辆的安全性和动力性，此时减小车辆的输出功率限制，保证车辆的动力性和通过能力。

在确定了模糊控制器的输入和输出参数后，则需要对其基本论域的范围和隶属度函数进行确定。对于输入参数高压互锁故障等级的论域，本发明设为X，并根据故障分级的结果将其划分为4个等级，具体表示为X＝{0,1,2,3}，其中0表示无故障，1表示低级故障，2表示中级故障，3表示高级故障；其对应的模糊子集为A，A的4个语言取值可表示为A＝{Z,PS,PM,PB}，依次为Z(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)，其隶属度函数如图3(a)所示。对于输入参数高压绝缘故障等级的论域，本发明设为Y，并根据故障分级的结果将其划分为3个等级，具体表示为Y＝{0,1,2}，其中0表示无故障，1表示低级故障，2表示高级故障；其对应的模糊子集为B，B的3个语言取值可表示为B＝{S,M,B}，依次为S(低)，M(中)，B(高)，其隶属度函数如图3(b)所示。对于输入参数车速的论域，本发明设为Z，并根据最高车速范围将其划分为5个等级，具体表示为Z＝{0,1,2,3,4}，其中0表示车速为0≤v＜20km/h，1表示车速为20≤v＜40km/h，2表示车速为40≤v＜60km/h，3表示车速为60≤v＜80km/h，4表示车速为80≤v≤100km/h；其对应的模糊子集为C，C的5个语言取值可表示为C＝{VA,VB,VC,VD,VE}，依次为VA(极小)，VB(小)，VC(中)，VD(大)，VE(极大)其隶属度函数如图3(c)所示。对于输出变量功率限制系数k的论域，本发明设为K，并根据车速的等级将其划分为对应的5个等级，具体表示为K＝{0,1,2,3,4}；对应的模糊子集为D，D的5个语言取值\表示为D＝{KA,KB,KC,KD,KE}，依次为KA(极低)，KB(低)，KC(中)，KD(高)，KE(极高)，其隶属度函数如图3(d)所示。

根据工程经验制定模糊控制规则，如表1所示，当高压互锁故障和高压绝缘故障的故障等级高，同时应考虑到纯电动汽车的行驶工况，在不同的车速、路面和坡度下，制定不同的功率限制系数，来保证车辆的经济性和安全性。如果此时车速较高，且在下坡的工况下，那么从车辆安全角度出发，此时应该加大对车辆输出功率的限制，即功率限制系数k应较大；如果纯电动汽车在爬坡且路面附着系数较高的工况下，考虑到车辆的安全性和动力性，此时应减小车辆的输出功率限制，保证车辆的动力性和通过能力。

表1功率限制系数模糊规则表

将上表中的模糊规则输入到Matlab模糊控制模块中实现模糊控制器的设计，可以得到模糊控制规则输出曲面如图4所示。

针对高压配电系统的常见高压故障，通过设计模糊控制器实现了故障程度的分级控制。根据高压互锁故障等级、高压绝缘故障等级和车速三个变量综合判断故障对车辆的影响程度，最终通过输出不同的功率限制系数来表示对故障的分级控制。这种故障分级控制策略能较好的适应纯电动汽车运行工况复杂、故障等级动态变化的特点，提高了车辆在故障状态下运行的安全性和可靠性。

S3、基于电气元件的高压预充混合控制策略

纯电动汽车高压配电系统中含有大量的控制电路和电气元件，同时系统结构和使用工况都较为复杂，所以系统对可靠性的要求较高。本发明将FMEA(Failure Mode andEffects Analysis)，即失效模式与产生的后果分析，应用于高压配电系统，通过高压配电箱系统中出现的故障模式进行可靠性定性分析和定量分析。

根据高压配电系统的故障特点，参考QC/T 893-2011和ISO26262标准，按照导致的危害程度从高到低将故障分为四个等级。当故障等级Ⅰ级，为致命故障包括①车辆或人身安全受到危害；②车辆不能行使；③关键部件失效(如动力电池、驱动电机、制动系统)；当故障等级Ⅱ级，为严重故障包括①车辆无法完全按驾驶意图正常行驶；②系统发生明显重大故障；当故障等级Ⅲ级，为一般故障包括非关键零部件发生故障，车辆可以行使，故障可以排除；当故障等级Ⅳ级，为轻微故障包括零部件无明显故障，车辆可以行使，故障可以排除。

其失效模式库如表2所示，为后续高压配电系统的风险优先值(Risk PriorityNumber)RPN值计算提供基础信息。

表2高压配电系统失效模式库

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在FMEA失效模式分析过程中，采用风险优先值法RPN，该方法是对失效模式可能发生的发生度O、严重度S和可探测度D进行相乘，即RPN＝O×S×D。本发明对各失效模式的发生度、严重度、探测度进行等级评分，采用以下的评分准则。-

发生度O指故障事件发生的频次大小。为了量化评价指标，本发明制定了以平均每万公里中故障发生的次数P来对发生度进行评分。当P>10时，发生度O为5；当7<P≤10时，发生度O为4；当4<P≤7时，发生度O为3；当1<P≤4时，发生度O为2；当P≤1时，发生度O为1。

严重度S指发生故障事件后所造成后果的严重程度。采取以下分类：对车辆安全使用和行驶造成严重影响，甚至引起事故的行为，比如驱动电机退磁、动力电池系统的热失控等，严重度S为5；对车辆安全使用和行驶造成影响，但影响程度低于5级，比如整车绝缘阻值降低、DCDC不工作、高压互锁故障等，严重度S为4；对车辆正常使用和行驶造成影响，但没有影响到车辆安全的故障，一般包括驱动系统限功、动力电池压差大、冷却系统故障等，严重度S为3；对车辆的舒适性造成影响，但没有影响到车辆安全的故障，一般包括空调系统故障、灯光系统故障等，严重度S为2；车辆使用没有明显影响，一般指没有故障或只是外观问题等，，严重度S为1。

探测度D指故障事件发生后，被发现和检查出来的难度。如果故障事件在发生之前，就已经被预知，则探测度的分值就会较低。如果故障事件发生后不能及时被检测出来，那么就是隐性故障。为了量化评价指标，本发明制定的探测度评分准则如下：当无法探测时，探测深度D为5；当失效模式不易被探测时，探测深度D为4；当失效模式发生后可被探测时，探测深度D为3；当失效模式发生时可被探测时，探测深度D为2；当失效模式发生前可被探测时，探测深度D为1。

根据前面制定的评分标准，结合车辆的故障信息和市场上投诉售后维修统计的故障信息，可以计算出各失效模式的优先值参数，如表3所示。

表3风险优先值参数

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通过优先值参数可以看出，严重度数值越大，表示该失效模式所造成的后果越严重，严重度高的失效模式有F8主接触器失控，主接触器失控有可能引起车辆一直高压带电甚至起火。发生度数值越大，表示该失效模式发生的频率越高，发生度高的失效模式有F1预充电阻烧毁和F2驱动系统熔断器烧毁。探测度数值越大，表示该失效模式越难被发现，探测度高的失效模式有F21低压线束接触不良和F23箱体进水。

通过以上计算，并根据车辆的故障数据统计，对风险优先值法RPN＝O×S×D计算得出了各失效模式的RPN值及排序。分析可知，高压配电系统中RPN值最大的失效模式主要有F1和F2的值为48，说明预充电阻烧毁和驱动系统熔断器烧毁对系统的可靠性影响最大。

以上述结论为依据，结合设计的高压配电系统安全控制策略提出了基于电气元件开高压预充混合控制策略以提高系统的可靠性。

建立预充电阻热量计算模型，进行高压预充策略优化设计。

电机控制器作为纯电动汽车的关键部件，其前端存在容性负载，在车辆冷启动时，如果动力电池两端电压直接接到容性负载两端，那么接通瞬间电容相当于短路，瞬时冲击电流将可能损坏回路中的电气元件，为此需要设计高压预充电路。

在实际的预充电过程中，如果由于某种故障导致电机控制器电容两端的电压无法在正常的预充时间内达到预设值，则会导致预充电时间过长，或者由于人为的误操作对车辆进行频繁上下电。由于以上等原因，可能使车辆进行高压预充的时间过长，从而造成预充电阻上的热量累积；同时，由于预充电阻在高压配电箱内部散热性能不佳。最终导致预充电阻上的热量可能会超过其能承受的最大阈值，从而造成预充电阻被烧毁。由高压预充电路和余电主动泄放电路分析可知，预充电阻上的热量主要由两部分组成，一部分是高压预充过程中累积的热量，另一部分是余电主动泄放过程中累积的热量。

高压预充电路实际上是一个RC回路。如图5所示，当电容达到稳定状态时，整个预充过程中的能量可按下式计算：

式中，Q为预充过程中动力电池消耗的能量，C为等效电容(F)，E为动力电池电压(V)，Q_C为预充完成后电容中储存的能量，Q_RC为预充过程中预充电阻上消耗的能量。

由上式可知，在高压预充过程中动力电池消耗的能量，一半被电容储存，另一半被预充电阻消耗。在高压预充完成后，电容中储存的剩余电能即开始通过预充电阻进行主动泄放，最终以热能的形式被预充电阻消耗。

假设电机控制器电容中电量泄放至安全电压过程中，在预充电阻上消耗的热量为Q_Rb，则一个完整的预充和泄放过程中，预充电阻上累积的热量Q_R：

Q_R＝Q_RC+Q_Rb

由上式可知，当动力电池电压为336V，电机控制器电容为0.002F，则一个完整的预充和泄放过程中，预充电阻上累积的热量为Q_R＝210J。根据本发明中选用的预充电阻性能参数可知，该预充电阻所能承受的最大热量为

通过上述可知，当纯电动汽车连续快速进行高压上下电操作时，若不考虑中间过程的散热量，那么预充电阻的发热量将迅速上升，当完成4次高压上下电后，预充电阻的累积热量将超过其所能承受的极限值，因此会被烧毁。

为避免上述问题的发生，需要对高压预充策略进行优化。在下次预充开始之前，预测下次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量。若预测的累积热量超过预充电阻的安全热量阈值时，则对本次预充进行延时控制。若预测累积热量不超过预充电阻的安全热量阈值时，则允许本次预充。预充电阻在本次预充和余电泄放完成后累积的发热量计算公式为：

Q₁＝Q₀-Q_t0+Q_R

式中，Q₀为上次累积热量，Q_t0为上次余电泄放完成到本次预充开始这段时间内的散热量，k为冷却速率，t₀为散热时间。

若一段时间内，系统连续进行预充和余电泄放，并假设这段时间内动力电池电压不变，则经过第二次预充和余电泄放后，预充电阻上的发热量为Q₂＝Q₁-Q_t1+Q_R。依次类推，预充电阻在完成第n次预充和余电泄放后，预充电阻上累积热量为：

Q_n＝Q_n-1-Q_t(n-1)+Q_R

由上述分析可知，若要保证预充电阻在第n次预充和余电泄放完成后预充电阻不被烧毁，则必须满足要求：

若Q_n＞Q_R0，则需通过延长预充电阻的散热时间来预留预充电阻的热量承载能力，以保证在下一次的预充和余电泄放过程中预充电阻不被烧毁。因此需要对下一次预充进行延时，设需要延时的时间为Δt，则需满足：

Q_n-Q_R0＝kΔt

所述的S3还包括：在预测下次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量之前，先判断下次预充距离前一次预充之间的时间间隔，若时间间隔达到预设的足够长时间，则直接预充，并将预充次数n归0重新计算。也可以先检测一下温度。

上述高压预充控制优化策略如图6所示。

高压混合控制策略可以在动力电池电压变化的情况下，可以保证预充过程中的冲击电流最小，预充策略优化可以防止预充电阻烧毁，同时能够很好的保护主接触器和负载端电气设备，提高纯电动汽车的整车安全性能。

本发明设计的纯电动汽车高压配电系统安全控制策略，根据常见高压故障和纯电动汽车运行工况的特点，应用模糊控制理论，以高压互锁故障等级、高压绝缘故障等级和车速为模糊控制器的三个输入变量，以不同等级的功率限制系数为模糊控制器的输出变量，实现了高压配电系统故障的分级控制；进一步将FMEA应用于高压配电系统，通过前面设计开发的高压配电箱系统中出现的故障模式进行可靠性定性分析和定量分析；进一步基于高压配电系统电气元件开发高压预充混合控制策略，保证了关键元器件的安全，从而提高了车辆运行时的安全性和可靠性。

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种纯电动汽车高压配电系统的安全控制方法，其特征在于：本方法包括以下步骤：

S1、高压互锁故障和高压绝缘故障分级策略

按照高压电气系统中的电气部件的关键程度，设计双高压互锁回路，其中一路为关键互锁回路，另一路为普通互锁回路；通过分别对双高压互锁回路的互锁信号进行一定时间的连续检测，判断是否存在高压互锁故障；

将高压互锁故障分为四个等级，当不存在互锁故障时为正常；当普通互锁回路存在故障时为低级；当只有关键互锁回路出现故障时为中级；当普通互锁回路和关键互锁回路同时存在故障时为高级；

按照高压系统绝缘检测电路中动力电池与底盘间绝缘阻值的大小，将高压绝缘故障分为若干等级；

S2、设计基于模糊控制的故障分级控制策略

将高压互锁故障等级和高压绝缘故障等级作为输入条件，将车速作为车辆工况的参考指标，功率限制系数作为输出参数，根据工程经验制定模糊控制规则，设计模糊控制器；其中，功率限制系数输出给整车控制器，用于控制整车输出的功率，以实现车辆安全与性能的协调；所述的模糊控制规则如下：

当高压互锁故障和高压绝缘故障的故障等级高，车速较高，且在下坡的工况下，那么从车辆安全角度出发，此时加大对车辆输出功率的限制，即功率限制系数较大；

当高压互锁故障和高压绝缘故障的故障等级高，车速较高，在爬坡且路面附着系数较高的工况下，考虑到车辆的安全性和动力性，此时减小车辆的输出功率限制，保证车辆的动力性和通过能力；

S3、基于电气元件的高压预充混合控制策略

建立预充电阻热量计算模型，进行高压预充策略优化设计；

所述的S3通过建立预充电阻热量计算模型，计算一个完整的预充和泄放过程中，预充电阻上累积的热量Q_R；

根据Q_R和每次预充和余电泄放完成后的散热时间，在下次预充开始之前，预测下次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量，判断该累积热量是否超过预充电阻的安全热量阈值，若超过则进行延时散热之后再进行预充；

所述的S3具体为：

在下次预充开始之前，预测下次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量Q_n；Q_n＝Q_n-1-Q_t(n-1)+Q_R，其中Q_n-1为本次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量；n为下次预充为总的第n次预充；Q_t(n-1)为本次余电泄放完成到下次预充开始这段时间内的散热量，Q_t(n-1)＝kt_(n-1)，k为冷却速率，t_(n-1)为本次余电泄放完成到下次预充开始这段时间；Q_R为一个完整的预充和泄放过程中，预充电阻上累积的热量；

若预测累积热量Q_n小于或等于预充电阻的安全热量阈值Q_R0时，则允许本次预充；若预测的累积热量Q_n超过预充电阻的安全热量阈值Q_R0时，则对本次预充进行延时控制；

Q_n-Q_R0＝kΔt

Δt为需要延时的时间。

2.根据权利要求1所述的安全控制方法，其特征在于：将动力电池、驱动电机、电机控制器和高压配电箱作为关键互锁回路，将空调压缩机和车载充电机作为普通互锁回路。

3.根据权利要求1或2所述的安全控制方法，其特征在于：分别对双高压互锁回路的互锁信号进行5s的连续检测。

4.根据权利要求1所述的安全控制方法，其特征在于：将高压系统绝缘故障分为三个等级，当绝缘阻值大于500Ω/V，则认为高压系统无绝缘故障；当绝缘阻值介于100～500Ω/V，则认为高压系统绝缘故障为低级；当绝缘阻值小于100Ω/V，则认为高压系统绝缘故障为高级。

5.根据权利要求4所述的安全控制方法，其特征在于：所述的S2中，对于输入参数高压互锁故障等级的论域，设为X，并根据故障分级的结果划分为4个等级，具体表示为X＝{0,1,2,3}，其中0表示无故障，1表示低级故障，2表示中级故障，3表示高级故障；对应的模糊子集为A，A的4个语言取值表示为A＝{Z,PS,PM,PB}，依次为Z零、PS正小、PM正中、PB正大；

对于输入参数高压绝缘故障等级的论域，设为Y，并根据故障分级的结果将其划分为3个等级，具体表示为Y＝{0,1,2}，其中0表示无故障，1表示低级故障，2表示高级故障；对应的模糊子集为B，B的3个语言取值表示为B＝{S,M,B}，依次为S低、M中、B高；

对于输入参数车速的论域，设为Z，并根据最高车速范围将其划分为5个等级，具体表示为Z＝{0,1,2,3,4}，其中0表示车速为0≤v＜20km/h，1表示车速为20≤v＜40km/h，2表示车速为40≤v＜60km/h，3表示车速为60≤v＜80km/h，4表示车速为80≤v≤100km/h；对应的模糊子集为C，C的5个语言取值表示为C＝{VA,VB,VC,VD,VE}，依次为VA极小、VB小、VC中、VD大、VE极大；

对于输出变量功率限制系数k的论域，设为K，并根据车速的等级将其划分为对应的5个等级，具体表示为K＝{0,1,2,3,4}；对应的模糊子集为D，D的5个语言取值表示为D＝{KA,KB,KC,KD,KE}，依次为KA极低、KB低、KC中、KD、KE极高。

6.根据权利要求1所述的安全控制方法，其特征在于：所述的S3还包括：在预测下次预充和余电泄放完成后预充电阻的累积热量之前，先判断下次预充距离前一次预充之间的时间间隔，若时间间隔达到预设的足够长时间，则直接预充，并将预充次数n归0重新计算。

7.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述方法的步骤。

8.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任意一项所述方法的步骤。

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