基于can的多能源動力總成控制單元開發(fā)

2006(28)1

汽車工Automotive 2006(Vol.28)No.,,,連小珉,(,汽車安全與節(jié)能國,

],,在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多能源動力總成控制單元(HCU),并用dSPACE和Cyzer等工具搭建硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)對多能源動力總成控制單元進試。表明,多能源動力總成控制單元能定時、準(zhǔn)確地實現(xiàn)控制策略,完成對整車各系統(tǒng)的控制。:CAN,硬件在環(huán)仿真,多能源動力總成DevelopmentoftheCAN2basedControlUnitforMulti2energyChenHanshun,LuoYugong,LiKeqiang&LianXiaomTsinghuaUniversity,StateKeyLaboratoryofAutomotiveSaftyandEnergy,Beijing ]Theenergymanagementstrategyofaseries/parallelhybridelectricvehicleisstudied.Basedonthis,acontrolunitformulti2energypowertrainisdesigned,whichisthentestedinahardwareintheloopsystem,constructedbytoolsincludingDspaceandCyzer.Thetestresultsindicatethatthecontrolunitcanrealizethecontrolstrategyexactlyandfulfillthecontroloverallsystemsofcompletevehicle.:CAN,Hardwareintheloopsimulation,Multi2energypowertra混合動力電動汽車(hybridelectricvehicle,HEV)采用一定的控制策略合理匹配利用內(nèi)燃機動力和電力,從而既能發(fā)揮電動汽車低排放和低噪聲的優(yōu)勢,又能保持傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車高能量比的特點。因此在電池技術(shù)瓶頸未能突破的情況下HEV仍然是21世紀(jì)初世界各國汽車界的重要研究課題[1]。由于混合動力車采用多能源的驅(qū)動方式,系統(tǒng)單元(HCU)負(fù)責(zé)管理整車所需能量在各動力源之間的合理分配,因此多能源動力總成控制單元及其控制策略的研究是HEV開發(fā)的重要組成部分。國動力總成控制單元已經(jīng)進入生產(chǎn)階段,并已被應(yīng)用于批量生產(chǎn)的車輛。國內(nèi)在這方面的研究起步較晚,各汽車廠商與各高校聯(lián)合研發(fā)的多能源動力總

成控制單元都處于試制階段2-4]基礎(chǔ)上利用模塊化設(shè)計方法設(shè)計了基于CAN的多統(tǒng)部分控制對象建模的方法,搭建多能源動力總成控制單元硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)HILSS,并利用作者所研究的混合動力轎車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所,,粗實線,,虛線,()和制動能(),原稿收到日期為2004年11月1,修改稿收到日期為2005年1月1920062006(Vol.28)No.,等:CAN·33接,主要作為起動機和給動力電池充電的發(fā)電機。多能源動力總成控制單元HCU、車載信息系統(tǒng)(DCU、發(fā)動機控制器(ECU、主電機控制器PMU、副電機控制器(MGU、電池管理單元(BMU)和變速器控制單元(AMT)組成了該車基于1善取決于HCU的能量管理策略。目前混合動力汽車常見的能量管理策略有3種:基于模糊控制的智制器的處理能力和系統(tǒng)實時性要求,多能源動力總的基于規(guī)則的穩(wěn)態(tài)能量管理策略,示意圖見圖2。2當(dāng)加速踏板開度低于25%且處于低速行的正常運行。若加速踏板開度上升到20%～25%

HCU對行駛狀況進行判斷,/發(fā)電機(MG)帶動發(fā)動機開始工作。當(dāng)加速踏板開度處于25%～60%,為避免當(dāng)加速踏板開度處于60%～80%的區(qū)間,當(dāng)加速踏板開度超出80%,動力系統(tǒng)滿負(fù)荷工作,車輛處于并聯(lián)式驅(qū)動主電機參與功率輔,由主電機與發(fā)動機共同提供車輛驅(qū)動力。在車輛行駛過程中,對于小幅度的制動踏(<10%),車輛滑行,利用主電機制動并回,采用機速地制動,又能回收制動能量的目的。HCU,設(shè)計框3所示?？刂破饔布饕ㄎ⑻幚砥髯钚】紤]多,CPU板和IO,以插槽的方式將兩板相連接。控制,而且降低了電路設(shè)計中硬件在空間布置上的難,提高了系統(tǒng)在功能調(diào)試上的靈活性。對于CPU板,它主要實現(xiàn)程序和調(diào)試CPU板模塊?？紤]到HCU在運算速度和系統(tǒng)控制上的要,16口資源豐富等特點,適合實現(xiàn)較為復(fù)雜的算法和系控制器的可靠性與要求,所有輸入輸出信號·34 汽車工 2006年(第28卷)第13HCU全部進行了,并針對各信號特點與要求采取濾制系統(tǒng)各電控單元的工作環(huán)境相對惡劣,系統(tǒng)中既有較強的電磁干擾,如主、副電機起停和工作,同時又有強電流影響,如沖放電等。上述干擾在CAN總線信號中體現(xiàn)為尖峰和毛刺的發(fā)生,容易造成通信中位錯誤的出現(xiàn)。因此除了要對系統(tǒng)CAN總線合 線外,需要對CAN信號進行高頻濾波處理,CAN通信電路設(shè)計如圖4所示。磁性元件ZJYS5105及其 路,使總線上的高頻噪聲在進入82C50前衰減掉。考慮到CAN通信的速率要求,系統(tǒng)使用高速光耦將 4CANHCU軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按功能分為兩個部分:硬件驅(qū)動與信號處理、控制策略實施。前者負(fù)責(zé)完成核和數(shù)字輸入輸出等軟件模塊,其中部分信號處理模塊用中斷來完成;后者負(fù)責(zé)執(zhí)行整車能量管理策略

來達(dá)到整車油耗和排放最佳的控制目標(biāo)。HCU控制程序主流程如圖5所示。5HCUHCU上電,系統(tǒng)初始化后進入系統(tǒng)啟動等待。AD采樣和脈沖采樣等模塊的初始化。進入主循,系統(tǒng)操作流程如下。系統(tǒng)工作模式判斷混合動力車工作模式的研究是制定控制策略的前提和基礎(chǔ),多能源動力電池SOC值等多個狀態(tài)參數(shù)判斷混合動力車的當(dāng)20062006(Vol.28)No.,等:CAN·35 作模式HCU將系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩需求在發(fā)動機主電機和副電機之間進行合理分配,使三者處于理想工作狀態(tài)。另外考慮到轉(zhuǎn)矩劇烈變化可能帶來的不利影響,系統(tǒng)增加了各部件轉(zhuǎn)矩變化的斜率控制。系統(tǒng)輸出控制與信號系統(tǒng)輸出控

611發(fā)動機作為一個較為復(fù)雜的系統(tǒng),不易用簡單的數(shù)學(xué)來描述,通常是利用發(fā)動機試驗數(shù)據(jù),采示。在實際運行時,發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩并不能隨著因而在其靜態(tài)特性的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)增加了一個具有滯后特性的一階慣性環(huán)節(jié)[5],動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩eses

T=e-

(取部分整車狀態(tài)信息,其中位置決定循環(huán)的 kτs+續(xù)執(zhí)行。系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩分配與部分控制命令則通過CAN總線發(fā)送給系統(tǒng)其它模塊,被控模塊接收數(shù)據(jù)象或其它系統(tǒng)部件用高速計算機上運行的模型替代,而控制單元或其它系統(tǒng)部件作為實物連接成為一個系統(tǒng),從而達(dá)到對控制系統(tǒng)或其它控制部件的功能進試。用硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)測試HCU功能不僅避免了控制單元在實車測試過程中(,統(tǒng)設(shè)計開發(fā)水平。HCU硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。6HCU6HCU硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)主要

式中kτ為動態(tài)特性的擬合系數(shù);τ為滯后時間;s為拉氏變換因子;Te為發(fā)動機動態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩;Ts為發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)輸出轉(zhuǎn)矩,它是油門開度和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)(如圖7所示)。7AMT建模主要考慮換擋規(guī)律和不同擋位下上進行換擋模擬試驗,測出大量試驗數(shù)據(jù)后再用計算機離線計算,求取最佳換擋規(guī)律數(shù)據(jù)。所確定的混合動力車AMT的控制規(guī)律如圖8所示。8AMT動力電池組剩余電量是制定HCU能量管理策略的關(guān)鍵參數(shù),電池模型必須能夠反映出電池·36 汽車工 2006年(第28卷)第1電狀態(tài)(stateofcharge2SOC)來表示,其定義為

,10～12SOC

qn-=

(

用CAN總線分析儀記錄的一段關(guān)于加速踏板和制量(;qu電池已用容量(。Peukert,q=ci1- (q(;c系數(shù)因電池特性而機,電機效率如圖9所示。

圖11工作模式 9在原有靜態(tài)輸出上增加一階慣性環(huán)節(jié)來模擬電機,電機的轉(zhuǎn)矩6Tm=min(Tm-request,Tm-max,Tm-bat)

(*

12t=0時位置轉(zhuǎn)到起動擋,加速踏板、制s+式中Tm-request為電機轉(zhuǎn)矩需求指令;Tmmax為電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速下能提供的最大轉(zhuǎn)矩;Tm-bat為考慮電池約束下電機能提供的最大轉(zhuǎn)矩;Tm為電機實際輸出轉(zhuǎn)矩,用來反映電機的動態(tài)特性。此時電池負(fù)載電流

踏板無動作,副電機作為起動機將發(fā)動機帶到待機狀態(tài),副電機轉(zhuǎn)矩在斜率控制的作用下表現(xiàn)為線性增長;t=2s時轉(zhuǎn)到行車擋,發(fā)動機和副電機轉(zhuǎn)加t215s,,itb

e Tm<eeη

(

,主電機轉(zhuǎn)矩減為零4s<t≤5s時加速踏板位置處于60%～80%,發(fā)動機提供整,主電機不參與動力調(diào)節(jié);5s<t≤615tb

Tm>

,加速踏板位置增加到80%,612

再增加,額外增加的轉(zhuǎn)矩由主電機提供,主電機轉(zhuǎn)矩,系統(tǒng)處于助力模式;615s<t≤10s,加,主電機和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩減少;10s<充電滑行狀態(tài),主電機吸收能量給電池充電(轉(zhuǎn)矩20062006(Vol.28)No.,等:CAN·37,發(fā)動機處于待機狀態(tài)20st≤27s時制動踏,主電機轉(zhuǎn)矩急劇減少(負(fù)向增大,系統(tǒng)處發(fā)動機處于待機狀態(tài),主電機、副電機轉(zhuǎn)矩為零。表明,多能源動力總成控制能夠正常運行,實現(xiàn)了預(yù)先制定的能量管理策略和系統(tǒng)控制,,HCU的開發(fā)是成功通過對某混聯(lián)式混合動力車的研究,重點討論系統(tǒng)中的應(yīng)用,并在此基礎(chǔ)上利用模塊化設(shè)計方法

,而且通過對整車的實時性系統(tǒng)控制,保證了多能源動力總成控制[1]HermanceDavid,etal.HybridElectricVehiclesTaketotheStreet[J].IEEESpectrum,1999(11).[2] .DSP的能源動力總成控制系統(tǒng)J].控制工程,2003,121).[3],,等.并聯(lián)式混合動力汽車多能源動力總成控制單元的研究與開發(fā)[J].高技術(shù)通信,2003,264).[4]趙宏偉,,等.混合動力汽車多能源動力總成嵌入式系J].吉林大學(xué)學(xué)報2003,33[5]BrookerAaron,HendricksTerry,JohnsonValerie,etal.ADVI2SOR3.1 ation[G].NationalRenewableEnergyLabo2ratory,2001.[6],符.混合電動汽車用無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的 表明,

圖6動態(tài)駕駛過程氣門指令執(zhí)行情7

TJ376QE,采用步進電機將其機械節(jié)氣門改造成電控節(jié)氣門,充分利用MC68376TPU,大混合動控制器以極小的軟件代價,實,電控節(jié)氣門的控制響應(yīng)可以滿足混[1]KennethJ.Kelly,etal.BatteryUsageandThermalPerformanceoftheToyotaPriusandHondaInsightDuringChas