基于模型的電動(dòng)汽車PTC控制方法

作者簡(jiǎn)介：陳士剛（1987—），男，天津理工大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)畢業(yè)，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉雌囯婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)。E-mail：chenshigang@mychery.com。

0   引言

傳統(tǒng)汽油車由發(fā)動(dòng)機(jī)提供熱量給車內(nèi)取暖，新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車依靠驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)無法像發(fā)動(dòng)機(jī)依靠自身發(fā)熱給整車供暖，需采用外部部件給整車供暖。通常電動(dòng)汽車尤其是純電動(dòng)車采用PTC 控制組件（Positive Temperature Coefficient）給整車供暖。當(dāng)前大多數(shù)PTC控制的方法主要為機(jī)械式調(diào)節(jié)，通過對(duì)PTC 端部輸入高壓，依靠手動(dòng)改變PTC 電阻值進(jìn)而改變電流大小進(jìn)行發(fā)熱供暖。此方法無閉環(huán)控制，且為手動(dòng)調(diào)節(jié)及無相應(yīng)診斷機(jī)制，無法進(jìn)行相應(yīng)故障判斷和保護(hù)。當(dāng)前整車基于模型開發(fā)的部件有很多，如智能鑰匙^[1]、車燈控制^[2]、智能空調(diào)^[3] 等。參考上述開發(fā)模型，本文提供了一種PTC 控制用模型，能夠?qū)崿F(xiàn)電流閉環(huán)控制、故障判斷、過溫過流保護(hù)等，更有效、合理地滿足電動(dòng)車PTC 控制需求。如圖1，該P(yáng)TC 控制組件包含兩路IGBT，每一路包含1 組PTC 電阻且兩路IGBT為并聯(lián)結(jié)構(gòu)。使用時(shí)兩路IGTB 互不影響，其中一路發(fā)生故障另一路可正常使用，通過輸出模型計(jì)算的PWM波進(jìn)行IGBT 驅(qū)動(dòng)，IGBT 將輸入高壓調(diào)節(jié)成目標(biāo)電壓來輸出功率。

圖1 PTC控制原理圖

1   模型介紹

本文所搭建的模型是PTC 控制器應(yīng)用層軟件，具備單獨(dú)控制、調(diào)試的軟件模型。所建模型分總調(diào)度模塊、軟硬件輸入、輸出模塊以及驅(qū)動(dòng)計(jì)算模塊，重點(diǎn)介紹的是驅(qū)動(dòng)計(jì)算模塊。驅(qū)動(dòng)計(jì)算模塊包含信號(hào)輸入、故障判斷、驅(qū)動(dòng)計(jì)算、信號(hào)輸出。首先是根據(jù)硬件AD 采樣模塊采集的電流、電壓、溫度等值輸入到模型中進(jìn)行故障判斷，輸出對(duì)應(yīng)故障等級(jí)及相應(yīng)故障，以便在驅(qū)動(dòng)計(jì)算時(shí)根據(jù)故障等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)功率輸出；尤其出現(xiàn)過溫、過流警告時(shí)PTC 根據(jù)不同溫度進(jìn)行降額輸出，以便對(duì)PTC 控制器進(jìn)行保護(hù)。

2   模型仿真

2.1 MIL仿真模型搭建

MIL（Model in the Loop，模型在環(huán)測(cè)試）是用模型驅(qū)動(dòng)工程開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的時(shí)候，在開發(fā)的初期階段及建模階段中進(jìn)行的仿真方式。測(cè)試通俗一點(diǎn)理解，MIL 就是對(duì)模型在開發(fā)環(huán)境下（如Simulink）進(jìn)行仿真，通過輸入一系列測(cè)試用例，驗(yàn)證模型是否滿足設(shè)計(jì)的功能需求。

將搭建好的模型通過設(shè)置自動(dòng)生成MIL 模型，主要分成三大模塊及包含兩路傳輸信號(hào)模塊，分別為：

1）信號(hào)模擬模塊：生成MIL 模型時(shí)輸入類型設(shè)置為Signal Builder，即輸入信號(hào)可通過手動(dòng)設(shè)置模擬實(shí)際信號(hào)進(jìn)行仿真；

2）輸入轉(zhuǎn)換模塊：包含數(shù)據(jù)類型和速率轉(zhuǎn)換塊，通過信號(hào)傳輸模塊將模擬信號(hào)輸入到模型計(jì)算模塊；

3）模型計(jì)算模塊：模型計(jì)算模塊又可分為故障判斷模塊和驅(qū)動(dòng)計(jì)算模塊，分別用來對(duì)PTC 進(jìn)行過流、過溫、過壓等故障判斷及保護(hù)，以及驅(qū)動(dòng)占空比的輸出計(jì)算。其中，占空比的輸出原則為請(qǐng)求功率與PTC 輸出最大功率的比值，即所需要輸出的占空比，PTC 控制器根據(jù)相應(yīng)占空比輸出相應(yīng)電壓實(shí)現(xiàn)功率輸出；

4）輸出轉(zhuǎn)換模塊：包含數(shù)據(jù)類型和速率轉(zhuǎn)換塊，將驅(qū)動(dòng)計(jì)算模塊計(jì)算所需輸出的模塊轉(zhuǎn)換后輸出；

5）測(cè)試評(píng)估塊：包含將實(shí)際輸出與預(yù)期輸出進(jìn)行比較的語句。

2.2 故障判斷

PTC 控制組件包含兩路IGBT，兩路IGBT 在使用時(shí)經(jīng)常會(huì)因過溫、過流、過壓等造成損壞。本模型通過軟件對(duì)硬件采樣的電流、溫度、電壓等值進(jìn)行判斷分析，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)采用相應(yīng)策略進(jìn)行過溫、過流、過壓等保護(hù)。軟件模型中會(huì)設(shè)置兩路IGBT 的不同溫度報(bào)警閾值、溫度故障閾值、電流故障閾值以及電壓過壓閾值、欠壓閾值；當(dāng)超出相應(yīng)閾值時(shí)，軟件觸發(fā)相應(yīng)故障標(biāo)志位，同時(shí)將不同故障分不同等級(jí)上報(bào)；圖2 所示為模型故障判斷stateflow 流程圖。

圖2 故障判斷stateflow圖

2.3 閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是比較常見的控制方法，不管是電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)控制還是空調(diào)PI 閉環(huán)控制^[4]，都是比較有效的閉環(huán)控制。本文模型采用查表插值閉環(huán)控制方法。模型中PTC 功率輸出是依靠PTC 計(jì)算實(shí)際功率與請(qǐng)求功率修正后的功率值，再與PTC 最大可輸出功率比值作為兩路IGBT 驅(qū)動(dòng)占空比，來驅(qū)動(dòng)IGBT 進(jìn)行電壓調(diào)制。因PTC 本身作為正溫度可變電阻，PTC 通電后溫度上升阻值也在變化。因此在實(shí)際功率計(jì)算時(shí)采用修正后的功率值作為占空比計(jì)算，以有效提高計(jì)算精度。如圖3所示，本模型修正功率值的計(jì)算是通過對(duì)請(qǐng)求功率ipd_w_PTCTrgPwr 與PTC 實(shí)際計(jì)算功率值A(chǔ)ctual_Ptcpower 的差值進(jìn)行插值查表修正計(jì)算；采用SIMULINK模塊中的Prelookup 模塊與Interpolation Using Prelookup模塊結(jié)合使用計(jì)算修正系數(shù)，修正系數(shù)與差值的乘積作為修正的偏差，與實(shí)際功率和作為調(diào)節(jié)后的功率Targer_Power2，以及PTC 最大輸出功率的比值作為占空比來輸出。當(dāng)請(qǐng)求功率與實(shí)際功率差值小于50 時(shí)，不進(jìn)行差值計(jì)算。

圖3 閉環(huán)控制模型

2.4模型仿真

1   電壓故障仿真

模型故障判斷仿真時(shí)，以過壓故障仿真為例，仿真時(shí)設(shè)置的過壓故障閾值為430 V，模擬信號(hào)在前4 s 時(shí)電壓信號(hào)為430 V，第4 s 開始電壓信號(hào)值提高至450 V（模型仿真時(shí)，步長(zhǎng)設(shè)置為固定步長(zhǎng)，步長(zhǎng)為0.01 s，以下仿真設(shè)置均相同）。由圖4 仿真結(jié)果可知，第4 s開始PTC_FaultLevel 由0 置為1，代表PTC 由無故障變成1 級(jí)故障，1 級(jí)故障在本文定義為PTC 禁止輸出，通過IGBT1 路的占空比dcd_flg_IGBTdrive1 可知，其輸出由正常變?yōu)?，代表此時(shí)IGBT 禁止輸出。

圖4 過壓仿真結(jié)果

2   驅(qū)動(dòng)計(jì)算仿真

驅(qū)動(dòng)計(jì)算仿真主要仿真點(diǎn)為電流閉環(huán)控制仿真，通過硬件采集的電流計(jì)算出實(shí)際功率，與實(shí)際請(qǐng)求功率比較進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，以輸出所需占空比。本例仿真時(shí)請(qǐng)求功率ipd_wPTCTrgPwr 值設(shè)置為3 500 W，輸入電壓為350 V，硬件采集電流ipd_i_IGBT2_Cur，此時(shí)電流值變化如圖5 所示，由5 A 逐漸上升到7 A，再降為5 A，ipd_i_IGBT1_Cur 電流為恒定值5 A，模型計(jì)算時(shí)原來5 A 對(duì)應(yīng)3 500 W，當(dāng)IGBT2 電流變化時(shí)，此時(shí)計(jì)算的功率值要大于3 500 W，此時(shí)計(jì)算的占空比也就大于原來的值；由圖可知調(diào)節(jié)后功率Targer_Power2 逐漸減小，以降低輸出占空比。

圖5 閉環(huán)控制仿真結(jié)果

3   結(jié)束語

經(jīng)過本文仿真驗(yàn)證，本文提出的基于電動(dòng)車PTC控制器搭建的軟件控制模型具備PTC 控制器故障診斷、閉環(huán)調(diào)節(jié)等功能，能夠滿足電動(dòng)汽車PTC 控制要求，提供了一種電動(dòng)汽車用簡(jiǎn)易、高效的PTC 控制方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李偉民.基于MATLAB開發(fā)的汽車智能啟動(dòng)系統(tǒng)[D].上海:上海交通大學(xué),2019.

[2] 卞勇明,申睿章.基于模型的車燈控制系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2013(3):248-251.

[3] 楊璐,裴順.汽車空調(diào)智能溫度控制系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2018(22):133-136,141.

[4] 梁長(zhǎng)飛，孔令靜，伍曉蘇.基于PI控制的電動(dòng)汽車低能耗電動(dòng)空調(diào)策略研究[J].電子產(chǎn)品世界.2020(10):35-38.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年9月期）