基于模型的電動汽車PTC控制方法

作者簡介：陳士剛（1987—），男，天津理工大學機械工程專業(yè)畢業(yè)，碩士，工程師，主要研究方向為新能源汽車電驅動系統(tǒng)。E-mail：chenshigang@mychery.com。

0   引言

傳統(tǒng)汽油車由發(fā)動機提供熱量給車內取暖，新能源汽車尤其是純電動汽車依靠驅動電機進行驅動，驅動電機無法像發(fā)動機依靠自身發(fā)熱給整車供暖，需采用外部部件給整車供暖。通常電動汽車尤其是純電動車采用PTC 控制組件（Positive Temperature Coefficient）給整車供暖。當前大多數PTC控制的方法主要為機械式調節(jié)，通過對PTC 端部輸入高壓，依靠手動改變PTC 電阻值進而改變電流大小進行發(fā)熱供暖。此方法無閉環(huán)控制，且為手動調節(jié)及無相應診斷機制，無法進行相應故障判斷和保護。當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^[3] 等。參考上述開發(fā)模型，本文提供了一種PTC 控制用模型，能夠實現電流閉環(huán)控制、故障判斷、過溫過流保護等，更有效、合理地滿足電動車PTC 控制需求。如圖1，該PTC 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)結構。使用時兩路IGTB 互不影響，其中一路發(fā)生故障另一路可正常使用，通過輸出模型計算的PWM波進行IGBT 驅動，IGBT 將輸入高壓調節(jié)成目標電壓來輸出功率。

圖1 PTC控制原理圖

1   模型介紹

本文所搭建的模型是PTC 控制器應用層軟件，具備單獨控制、調試的軟件模型。所建模型分總調度模塊、軟硬件輸入、輸出模塊以及驅動計算模塊，重點介紹的是驅動計算模塊。驅動計算模塊包含信號輸入、故障判斷、驅動計算、信號輸出。首先是根據硬件AD 采樣模塊采集的電流、電壓、溫度等值輸入到模型中進行故障判斷，輸出對應故障等級及相應故障，以便在驅動計算時根據故障等級進行相應功率輸出；尤其出現過溫、過流警告時PTC 根據不同溫度進行降額輸出，以便對PTC 控制器進行保護。

2   模型仿真

2.1 MIL仿真模型搭建

MIL（Model in the Loop，模型在環(huán)測試）是用模型驅動工程開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的時候，在開發(fā)的初期階段及建模階段中進行的仿真方式。測試通俗一點理解，MIL 就是對模型在開發(fā)環(huán)境下（如Simulink）進行仿真，通過輸入一系列測試用例，驗證模型是否滿足設計的功能需求。

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

1）信號模擬模塊：生成MIL 模型時輸入類型設置為Signal Builder，即輸入信號可通過手動設置模擬實際信號進行仿真；

2）輸入轉換模塊：包含數據類型和速率轉換塊，通過信號傳輸模塊將模擬信號輸入到模型計算模塊；

3）模型計算模塊：模型計算模塊又可分為故障判斷模塊和驅動計算模塊，分別用來對PTC 進行過流、過溫、過壓等故障判斷及保護，以及驅動占空比的輸出計算。其中，占空比的輸出原則為請求功率與PTC 輸出最大功率的比值，即所需要輸出的占空比，PTC 控制器根據相應占空比輸出相應電壓實現功率輸出；

4）輸出轉換模塊：包含數據類型和速率轉換塊，將驅動計算模塊計算所需輸出的模塊轉換后輸出；

5）測試評估塊：包含將實際輸出與預期輸出進行比較的語句。

2.2 故障判斷

PTC 控制組件包含兩路IGBT，兩路IGBT 在使用時經常會因過溫、過流、過壓等造成損壞。本模型通過軟件對硬件采樣的電流、溫度、電壓等值進行判斷分析，當發(fā)生故障時采用相應策略進行過溫、過流、過壓等保護。軟件模型中會設置兩路IGBT 的不同溫度報警閾值、溫度故障閾值、電流故障閾值以及電壓過壓閾值、欠壓閾值；當超出相應閾值時，軟件觸發(fā)相應故障標志位，同時將不同故障分不同等級上報；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，不管是電動汽車驅動系統(tǒng)的閉環(huán)控制還是空調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 計算實際功率與請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 驅動占空比，來驅動IGBT 進行電壓調制。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。因此在實際功率計算時采用修正后的功率值作為占空比計算，以有效提高計算精度。如圖3所示，本模型修正功率值的計算是通過對請求功率ipd_w_PTCTrgPwr 與PTC 實際計算功率值Actual_Ptcpower 的差值進行插值查表修正計算；采用SIMULINK模塊中的Prelookup 模塊與Interpolation Using Prelookup模塊結合使用計算修正系數，修正系數與差值的乘積作為修正的偏差，與實際功率和作為調節(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。當請求功率與實際功率差值小于50 時，不進行差值計算。

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，以過壓故障仿真為例，仿真時設置的過壓故障閾值為430 V，模擬信號在前4 s 時電壓信號為430 V，第4 s 開始電壓信號值提高至450 V（模型仿真時，步長設置為固定步長，步長為0.01 s，以下仿真設置均相同）。由圖4 仿真結果可知，第4 s開始PTC_FaultLevel 由0 置為1，代表PTC 由無故障變成1 級故障，1 級故障在本文定義為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IGBT 禁止輸出。

圖4 過壓仿真結果

2   驅動計算仿真

驅動計算仿真主要仿真點為電流閉環(huán)控制仿真，通過硬件采集的電流計算出實際功率，與實際請求功率比較進行閉環(huán)調節(jié)，以輸出所需占空比。本例仿真時請求功率ipd_wPTCTrgPwr 值設置為3 500 W，輸入電壓為350 V，硬件采集電流ipd_i_IGBT2_Cur，此時電流值變化如圖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，模型計算時原來5 A 對應3 500 W，當IGBT2 電流變化時，此時計算的功率值要大于3 500 W，此時計算的占空比也就大于原來的值；由圖可知調節(jié)后功率Targer_Power2 逐漸減小，以降低輸出占空比。

圖5 閉環(huán)控制仿真結果

3   結束語

經過本文仿真驗證，本文提出的基于電動車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)調節(jié)等功能，能夠滿足電動汽車PTC 控制要求，提供了一種電動汽車用簡易、高效的PTC 控制方法。

參考文獻：

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

[2] 卞勇明,申睿章.基于模型的車燈控制系統(tǒng)快速設計與實現[J].中國工程機械學報,2013(3):248-251.

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

[4] 梁長飛，孔令靜，伍曉蘇.基于PI控制的電動汽車低能耗電動空調策略研究[J].電子產品世界.2020(10):35-38.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期）