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新能源车、特斯拉是怎么上下电的?

2022-1-14 11:30:16 显示全部楼层
通常在我们的认知中,车辆是在拧钥匙或者按下启动按钮后启动的,但是实际上车辆中的大部分ECU在你按下解锁和开车门的时候已经起来,等候工作。

那车辆中的电控单元是怎么被唤醒,以及新能源车中最重要高压系统是怎么上下电的呢?下面来看看。

01
整车上下电简介
虽然控制单元可以IG ON、网络或者其他方式唤醒,不过就目前车辆上的ECU而言,大多数是采用网络唤醒,因为整车上有八九十个ECU,采用硬线控制会使总成本和重量都增加,而且通过网络控制更加灵活。
当钥匙按下解锁键或打开车门或按下启动键时,唤醒信号通过网关转发至整车控制器(VCU),并将其唤醒,VCU唤醒后控制低压继电器盒,使其他ECU上电,并通过发送网络管理将其ECU唤醒,ECU启动并完成自检后,如果没有问题,则可以正常工作了,然后在上高压电(后面会讲)。
在低压下电过程中,当启动键切换到OFF档,首先进行将断开高压供电,车辆各ECU开始陆陆续续停发网络管理报文,然后停发应用报文,进入休眠下电流程,最后控制电源管理模块,断开供电。
另外在车辆休眠时,大部分ECU的低压常电都是通过低压继电器盒断开的,保证车辆静置时暗电流小,能量消耗最低,尽量延长低压蓄电池亏电时间,因为在车辆静置时,低压蓄电池电量不能通过高压动力电池进行补充。不过也有些ECU在静置时需要定期运行,比如BMS就需要定期唤醒检查高压动力电池的状态。

02
高压系统上下电逻辑
前面提到了高压系统(如图1所示)的上下电,在纯电车中,这是很重要的一环,首先高压存在安全问题,另外如果高压无法上电,车辆是无法开动的,类似于传统车上,发动机没有启动,车辆动不了一样。
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图1 高压系统电气图(来源知网)
高压上下电的上层控制单元是VCU,它负责各个子系统的协调,以及整车运行状态的管理。除了管理高压上下电,也负责根据加速踏板、档位、制动踏板等驾驶员的操作意图和动力电池的电量,计算出所需的电机输出扭矩等参数,从而保障车辆的正常形式,另外也根据动力电池的电量、电池温度以及行车制动来实现不同等级的能量回收。
高压上下电需要满足的原则:
1、避免车辆出现非预期的加速、减速、转向等动作;
2、应避免因高压故障引起人员伤亡及设备损坏;
3、满足高压上下电性能要求;
首先高压上电功能需求主要包括:钥匙上电、直流/交流充电、远程控制(例如远程打开空调),这三种场景仅仅是唤醒的方式不一样,高压上电的逻辑和时序是差不多的。对于整个上电过程,通过会有时间要求,比如要求1s内局域网内各ECU(通常包括VCU、DCDC、DCU、BMS等)应完成上电流程,并进入工作模式。
在上电流程中,首先是VCU被唤醒(钥匙唤醒、网络唤醒、或者充电cc信号硬线唤醒),启动后发送请求闭合HVIL回路使能线和必要的12V低压继电器的CAN报文,同时监控HVIL回路状态,然后DCU、DC/DC、BMS被唤醒(VCU发送的网络管理报文或者IG ON信号唤醒)并进行自检,监控HVIL回路状态,对于BMS来说还需计算绝缘阻值,确认绝缘是否正常,无故障后进入待机模式(standby状态)。
随后VCU请求BMS闭合主继电器,BMS则先后闭合主负继电器和预充继电器,当检测到母线电压达到阈值后,判断预充电成功,然后闭合主正继电器,并断开预充继电器,到这则高压上电完成,在VCU请求BMS闭合主继电器时,同时也会请求DCU、DC/DC进入工作模式,时序图如图2所示。
为什么要预充呢?对于低压来说,例如平时用的电池或者是12V低压蓄电池,是不需要开关,直接拔电池不会有什么风险。但对高压而言,直接接电池是不行的,有可能会产生较大的冲击,烧坏功率器件。
预充是将预充电阻串联到高压回路中,由预充电阻分掉一部分电压,然后,随着各ECU内的电容充电上来,等到电压上升到某一阈值,主正继电器闭合,这样预充回路就完成了它的工作了,如图1。
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图2 高压正常上电时序(来源知网)
在正常下电流程中,当检测到钥匙信号、硬线信号关闭或网络唤醒信号停发,VCU立即请求DCU离开工作模式,并且功率器件迅速降低功率,随后VCU请求DC/DC离开工作模式,然后VCU在请求BMS断开继高压继电器,BMS完成响应后,VCU断开HVIL回路和低压继电器,各节点进入下电休眠流程,如图3所示。
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图3 高压正常下点(来源知网)
在正常上电状态下,如果出现绝缘阻值低于阈值、高压互锁断开、IGBT过流等严重故障时,VCU会进行紧急下高压电流程,首先VCU请求DC/DC脱离工作模式,DCU进入failure模式,随后VCU请求BMS断开高压继电器,并且断开HVIL回路,随后 VCU 请求 IPU 进入紧急放电模式, DCU在规定时间内完成余电泄放, 若钥匙为关闭状态,则各节点进入休眠流程,如图4所示。
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图4 高压紧急下点(来源知网)
03
特斯拉的上下电
特斯拉的高压系统图如图5所示,有个不一样的点,特斯拉的高压系统没有预充回路,那他是怎么上高压的呢?
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图5 特斯拉高压系统简图 (来源知乎daijun211)
特斯拉把预充回路取消了,把这个功能集成到DC/DC中了。高压上电过程中,DCDC将低压端连接的12V蓄电池升压为高压,给各高压部件内部的电容进行充电,如图6所示。
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图6 DC/DC反向升压(来源知乎daijun211)
具体步骤如下:
1,闭合主负继电器;
2,DCDC开始升压,AB点的电压上升到一定的值;
3,闭合主正继电器;
4,高压回路完成,电池输出高压给DCDC,DCDC正向工作给12V低压蓄电池充电。——上高压完成。
这种设计对12V低压蓄电池有较高的要求,需要其支持瞬间的高功率输出。
虽然这种反向输出并不是新东西,但是集成用于汽车中的高压上电逻辑,还是很新的。不得不说特斯拉的造车思路跟大家都不一样,很多东西值得借鉴学习。

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自做自受 2022-1-17 20:48:51 显示全部楼层
埃隆·马斯克一手搞航天飞船一手搞陆地行车,飞船上下电的的科技及安全可靠性在行车上下电是值得发挥应用的。由此可见特斯拉电动车的科技尤其在上下电方面可不是轻易能超过的,这也是马斯克在东方赚钱在西方花钱的招数。颇有点“拆东墙补西墙”的味道,为什么?
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