新能源重卡电控系统技术浅析

新能源重卡电控系统技术浅析

赵小涌

安徽江淮汽车重型商用车分公司，230601

摘要：受益于新能源乘用车发展的带动，新能源产业链愈加完善丰富，同时新能源技术也逐步在向重卡领域导入，新能源重卡也保持了高态势的增长。结合国家提出的“三纵三横”战略布局，新能源重卡电控系统在未来新能源产业发展中占有重要的地位。本论文就目前重卡领域在用的电控系统技术进行浅析，方便为后面重卡行业相关从业者提供思路和启发。

关键词：新能源重卡；电控系统；整车控制；

引言

为应对石油能源危机，降低石油消耗，减少对石油的依赖，实现能源的多样化，调整能源结构，提高能源安全，是大力发展新能源汽车最主要的原因。国务院于2020年发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》中提到到2025年，新能源汽车新车销售量占比达到20%左右。新能源汽车在相关政策引导下，得到了长足的发展。受益于新能源乘用车发展的带动，新能源产业链愈加完善丰富，同时新能源技术也逐步在向重卡领域导入，新能源重卡也保持了高态势的增长。结合国家提出的“三纵三横”战略布局，新能源重卡电控系统在未来新能源产业发展中占有重要的地位。本论文就目前重卡领域在用的电控系统技术进行浅析，方便为后面重卡行业相关从业者提供思路和启发。

1新能源重卡电控系统简介

图1 电控系统简图

新能源汽车电控系统广义上讲由整车上各类控制器组成的控制系统，包括整车控制器、电池管理系统和驱动电机控制器、多合一控制器、氢燃料电池控制器、车门车身控制器等，狭义的讲是指整车控制器。各个控制器控制相应的硬件按照既定的程序策略执行动作，由整车控制器来控制各硬件动作，按照驾驶员意图行驶。

2整车控制系统

图2 整车控制器原理简图

整车控制器作为电动汽车中央控制单元，是整个控制系统的核心，如果将车辆比作人的话，整车控制器相当于人体的“大脑”。要想控制整车动作，就要求VCU具备丰富的控制功能。整车控制系统能够实现对汽车动力、舒适度、安全性以及能耗等多方面进行调整优化，配合大数据让电动汽车拥有更好的操作性和可靠性，具体来讲整车控制器对电动汽车主要有以下功能：

2.1高压上电管理：

根据各控制器上下电时序，制定上下电策略，控制相应的继电器开启或闭合，完成上下电的控制。

2.2驾驶员意图解析：

驾驶员的所有与驱动驾驶相关的操作信号都直接进入整车控制器，整车控制器对采集的驾驶员操作信息进行正确的分析处理，计算出驱动系统的目标转矩和车辆的需求功率来实现驾驶员的意图。

2.3数据交互管理：

整车控制器要实时采集驾驶员的操作信息和其他各个部件的工作状态信息，这是实现整车控制器其他功能的基础和前提。该层接受CAN总线的信息，对直接馈入整车控制器的物理层进行采样处理，并且通过CAN发送控制命令，通过I/O、D／A和PWM提供对显示单元、继电器等的驱动信号。

2.4制动能量回收

整车控制器分析驾驶员制动意图、动力电池组状态和驱动电机状态等消息，并结合制动能量回收控制策略，在满足制动能量回收的条件下对电机控制器发送电机模式指令和转矩指令，使得驱动电机工作在发电模式，在不影响制动性能的前提下将电制动回收的能量储存在动力电池组中，从而实现制动能量回收。

2.5故障诊断与处理

连续监测整车电控系统，进行故障诊断。对各个控制器报上来的故障根据提前设定的控制策略进行限扭、限功率或停车等分级处理。故障指示灯指示出故障类别和部分故障码。

3电池管理系统

图3 电池管理系统简图

电池管理系统BMS对电池进行监控和管理，通过对电压、电流、温度以及SOC等参数采集、计算，进而控制电池的充放电过程，实现对电池的保护，提升电池综合性能的管理系统，是连接车载动力电池和电动汽车的重要纽带。那么BMS主要功能可以分为：

3.1 电池端的高压上下电管理

当钥匙keyON后，BMS唤醒自检，然后等待VCU的指令，在接收到VCU上电指令后，闭合主负继电器同时反馈继电器闭合状态给VCU。有些电池带预充或预检继电器，BMS接到指令先闭合预充或预检继电器，再闭合主正/主负接触器，并反馈继电器状态。当接收到VCU下电指令时，BMS确认无异常后会断开主负继电器，实现高压回路切断。电池系统发生严重故障时，BMS先发送请求断开主正继电器请求，然后根据报警策略内容断开放电回路。

3.2 充电管理

由于重卡动力电池电量非常大，一般都是采用快充方案，没有慢充方案。充电时，BMS会和充电桩进行握手校验，校验过程遵循国标要求。当校验通过后，开始充电，充电过程中BMS会根据电池温度和SOC对电池系统的充电功率MAP进行查表，从而确定系统的当前最大允许的充电电流。同时，根据充电电流大小和电池SOC估算充电剩余时间。

3.3 电池状态估计

对于动力电池来讲，电池容量的大小直接决定着续航能力，但是电池能力管理的好坏对电池的续航能力也有非常大的影响。电池状态估计是BMS一项重要的功能，状态估计的好坏会直接影响整车的性能。剩余电量SOC的计算一般采用安时积分法和卡尔曼滤波算法，并结合修正策略，对电池的剩余容量进行估算。电池健康状态SOH计算能够很好的预测动力电池的寿命。

3.4 高压互锁检测

由于新能源车辆上有众多的高压部件及高压线，为了保证行车安全，高压互锁检测很有必要。一般新能源重卡车辆高压互锁检测是由BMS或者多合一来做的，有些主机厂为了节约成本，仅保留BMS高压互锁检测功能，多合一的高压互锁检测功能会被阉割。BMS会对高压接插件进行检测，当接插件松动或脱落时，检测电路会断开，电压会发生跳变，BMS会识别出来，报高压互锁故障，提示驾驶员尽快检修。

3.5 绝缘检测

BMS对电池系统绝缘故障进行监测，当发生绝缘故障时，考虑车辆的运行状态（正常行车/静止状态/充电状态），结合提前设定的控制策略，进行报警，限功率以及下高压处理，同时会将故障上报VCU进行决策处理。

3.6 热管理

    新能源重卡车辆动力电池系统有独立的热管理系统，为动力电池提供加热或冷却，让动力电池在适宜的温度下运行。简单来讲主要分两个方面，一方面是在充电过程中，动力电池会产生热量，当动力电池温度达到散热阈值之后，BMS控制热管理系统运行，给动力电池降温。另一方面在行车过程中，动力电池频繁充放电产生大量热，当动力电池温度达到散热阈值之后，BMS控制热管理系统运行，给动力电池降温。

4电机管理系统

图4电机控制器简图

新能源重卡电驱动系统主要由电机控制器控制。电机控制器主要由中央控制模块，功率模块，驱动控制模块，各种传感器构成。

中央控制模块主要与VCU交互，把VCU发出的功率请求经过转换，控制功率模块逆变输出相应的功率。

功率模块是由功率器件IGBT构成，能够将直流电转换成三相交流电输出，IGBT模块属于电机控制器的核心部件。

驱动控制模块将微处理器对电机的控制信号转换为驱动功率变换器的驱动信号，并实现功率信号和控制信号的隔离。

传感器主要包括电流传感器、电压传感器、温度传感器。检测电机控制器工作过程中的功率，温度状态，能够及时传递给主控模块进行决策。

5附件管理系统

新能源重卡除了主驱动外，还有电动转向油泵、电动打气泵、低压DCDC等模块。这些附件统一由多合一控制器进行管理控制。多合一控制器同时具备高压配电的功能，给整车高压用电器分配电源。

多合一控制器一般接收VCU的指令，当接收到上电指令后，会闭合低压DCDC、电动转向油泵、电动打气泵的继电器，低压DCDC负责给低压用电器及低压蓄电池供电。

当VCU给多合一的电动转向模块发送使能信号后，该模块开始工作，车辆具有转向功能。

当VCU发送电动打气泵使能信号后，电动打气泵工作，车辆储气筒开始储气，当气压达到1.1Mpa左右后，使能信号置0，多合一电动打气泵模块停止高压输出，车辆停止打气。

6燃料电池控制系统

目前燃料电池系统在新能源重卡车辆上的应用比较普遍，大大增加续航里程。燃料电池是将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置。燃料电池控制系统负责管理燃料电池的工作状态，满足车辆行驶需求。

一般情况下，燃料电池控制器FCU同整车控制器VCU进行交互。当车辆行驶过程中，VCU根据动力电池SOC值来决策是否启动氢燃料电池工作，当SOC值小于一定阈值（例如70%）时，燃料电池系统FCU会接收到VCU的开机指令，FCU控制燃料电池开机，输出功率给动力电池充电，同时驱动电机运行。当电池SOC值达到上限阈值（例如90%）时，VCU给FCU发送停机指令。FCU控制燃料电池系统执行停机吹扫过程，停机吹扫完成后进入待机状态，等待下一次开机指令。

7供氢管理系统

供氢系统是同燃料电池系统相配套的，给燃料电池提供反应能源的储能装置。目前新能源重卡车辆普遍采用35Mpa的氢瓶储存氢气。由于氢气属于易燃易爆气体，极容易逃逸泄露，因此要加装供氢管理系统HMS进行监控和管理供氢系统。HMS主要作用就是控制氢瓶瓶口的阀体开关，上报氢瓶瓶内压力值和检测氢气是否有泄漏情况。

结束语

总之，电控系统涉及到整车控制的核心，决定着整车的动力性、经济性、驾驶操控性、舒适性等关键性能指标。电控系统中各控制器部件在整个新能源产业链中也是高附加值的部件。新能源重卡电控系统在未来我国十四五、十五五期间是重点发展板块，这一点从“三纵三横”战略布局上已初见端倪。

参考文献

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