- 混合動(dòng)力控制系統(tǒng)介紹
- 動(dòng)力控制策略系統(tǒng)
- 狀況監(jiān)控系統(tǒng)介紹
汽車行業(yè)的快速發(fā)展促進(jìn)了汽車電子行業(yè)的發(fā)展，混合動(dòng)力車型(HybridElectricVehicle，HEV)作為汽車行業(yè)的新發(fā)展方向，受到了國(guó)家的重視。從技術(shù)、節(jié)能減排效果、產(chǎn)業(yè)化能力等諸多方面考慮，混合動(dòng)力具備了傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，將在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢(shì)。混合動(dòng)力車輛技術(shù)避免了純電動(dòng)車輛在電池技術(shù)和能源基礎(chǔ)設(shè)施上的不足，成為近期新型車輛研究開發(fā)的熱點(diǎn)。經(jīng)過(guò)國(guó)家“863計(jì)劃”的支持與發(fā)展，我國(guó)的混合動(dòng)力車輛技術(shù)正在迅速邁向產(chǎn)業(yè)化。
1混合動(dòng)力控制系統(tǒng)
實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力車共有三個(gè)關(guān)鍵因素：能夠?qū)ζ囘\(yùn)行狀態(tài)詳細(xì)監(jiān)控的系統(tǒng)；分析監(jiān)控系統(tǒng)所獲取的信息，并發(fā)出相應(yīng)的控制命令；相比一般電子系統(tǒng)，混合動(dòng)力車電子控制系統(tǒng)工作在車內(nèi)非常惡劣的環(huán)境，電磁干擾、振動(dòng)、灰塵等都會(huì)造成技術(shù)上的瓶頸，如圖1所示。
本文對(duì)混合動(dòng)力車進(jìn)行了研究，系統(tǒng)地分析了混合動(dòng)力車的各個(gè)重要組成部分的核心技術(shù)，提出一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的混合動(dòng)力車的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例。該系統(tǒng)采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和總線技術(shù)，集智能控制、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和通信于一體，控制實(shí)時(shí)性好，實(shí)現(xiàn)了整車控制智能化和多傳感器之間的有效融合。
2動(dòng)力控制策略系統(tǒng)
混合動(dòng)力電動(dòng)汽車由發(fā)動(dòng)機(jī)和蓄電池共同提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)可進(jìn)行不同組合得到不同的驅(qū)動(dòng)方案，如：串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)。整車性能的好壞不僅與發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)等部件有關(guān)，還與其控制策略和優(yōu)化方法有關(guān)。按照能源組合的方式，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車可按動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式分為串聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(SHEV)和并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(PHEV)。
本文研究對(duì)象是SHEV。SHEV的特點(diǎn)適合城市行駛中頻繁起動(dòng)、加速和低速運(yùn)行工況，可使發(fā)動(dòng)機(jī)在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)整蓄電池和電動(dòng)機(jī)的輸出來(lái)達(dá)到調(diào)整車速的目的，從而提高在復(fù)雜工況下行駛的車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)降低排放。在電池的荷電狀態(tài)(SOC)較高時(shí)還可以關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，只利用電機(jī)進(jìn)行功率輸出，使發(fā)動(dòng)機(jī)避免在怠速和低速工況下運(yùn)行，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，減少有害物質(zhì)的排放。SHEV的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
混合動(dòng)力車需根據(jù)不同的行車狀況，以及動(dòng)力電池的實(shí)時(shí)參數(shù)來(lái)決定其相應(yīng)的控制策略。“動(dòng)力控制策略系統(tǒng)”分析和處理來(lái)自運(yùn)行狀況監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，判斷此時(shí)的電動(dòng)機(jī)應(yīng)該處于發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式、動(dòng)力電池工作模式，或者是協(xié)同工作模式，然后發(fā)出相應(yīng)的控制命令。研究表明，好的系統(tǒng)控制策略應(yīng)是使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在其最大負(fù)荷的50％～65％，同時(shí)需要兼顧汽車的動(dòng)力性。
策略控制的一個(gè)重要依據(jù)是動(dòng)力電池的SOC值，當(dāng)SOC值處于正常工作區(qū)(30％～75％)，動(dòng)力電池放電電流處于20～65A范圍內(nèi)，如果此時(shí)駕駛員對(duì)汽車加速的要求低于30％，可采用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)車輛。當(dāng)駕駛員對(duì)加速的要求為30％～65％，可利用此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)釋放的多余能量給動(dòng)力電池充電。當(dāng)駕駛員對(duì)加速的要求為65％～80％，由發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車，直到其最大輸出功率。當(dāng)加速要求大于80％，可由發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池同時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛。
另外，需考慮到動(dòng)力電池安全性和壽命，當(dāng)其SOC值變化超出了上述范圍，需及時(shí)合理地發(fā)出相應(yīng)的控制命令。當(dāng)SOC大于80％時(shí)，動(dòng)力電池強(qiáng)制放電，控制系統(tǒng)需改變此時(shí)的動(dòng)力混合度的比例，提高動(dòng)力電池的占總輸出功率的比例，此時(shí)不再收回發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的富裕能量。當(dāng)SOC小于20％，動(dòng)力電池進(jìn)入強(qiáng)制充電模式，此時(shí)由發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率的一部分要用于動(dòng)力電池充電，汽車此時(shí)完全由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
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3運(yùn)行狀況監(jiān)控系統(tǒng)
“運(yùn)行狀況的監(jiān)控系統(tǒng)”具備采集動(dòng)力電池的電流、電壓、溫度，以及車輛的剎車信號(hào)、離合器壓力信號(hào)、行車速度等，準(zhǔn)確地獲取這些信號(hào)是實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車的關(guān)鍵所在。圖3是“運(yùn)行裝況監(jiān)控系統(tǒng)”的一個(gè)結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)采用兩片TLE4275和一片LM2577作為系統(tǒng)的供電模塊，輸入電壓為6～18V，可滿足車輛啟動(dòng)和特殊情況下導(dǎo)致的蓄電池輸出電壓不穩(wěn)定而導(dǎo)致的監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓。
3．1信號(hào)通道
處理器系統(tǒng)將采集到的各種信號(hào)進(jìn)行處理后，送至上層的動(dòng)力策略控制系統(tǒng)，并且上層的控制信號(hào)也要傳送至底層。本系統(tǒng)采用兩路CAN收發(fā)器完成這一任務(wù)。采用CAN總線技術(shù)，不僅組網(wǎng)自由，擴(kuò)展性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，而且具有自診斷和監(jiān)控能力，它是一種十分有效的通信方式。
CAN總線具有以下特點(diǎn)：
(1)無(wú)破壞性地基于優(yōu)先權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的總線仲裁；
(2)可借助接收濾波的多地址幀傳送；
(3)具有錯(cuò)誤檢測(cè)與出錯(cuò)幀自動(dòng)重發(fā)送功能；
(4)數(shù)據(jù)傳送方式可分為數(shù)據(jù)廣播式和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求式。
另外，系統(tǒng)還具有一路RS232收發(fā)器，主要用于設(shè)計(jì)過(guò)程中的調(diào)試和產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量檢查。
3．2電池電壓和溫度的測(cè)量
動(dòng)力電池電壓的測(cè)量方式取決于動(dòng)力電池的具體情況，本系統(tǒng)采用鎳氫電池，可分為12組電池，每一組電池包括10節(jié)小電池，每節(jié)電池電壓1．2V，所以每組電壓為12V，總電壓為144V。為確保測(cè)量系統(tǒng)適用于不同的工作狀況，尤其是考慮到充電時(shí)電池電壓會(huì)適當(dāng)上升，特殊情況時(shí)電壓可能達(dá)到20V，因此設(shè)計(jì)的測(cè)量范圍應(yīng)為0～20V。
溫度的測(cè)量采用數(shù)字溫度傳感器DS1860，這種傳感器可以采用多路傳感器，共一條數(shù)據(jù)線和一條電源線以及一條地線，具備操作簡(jiǎn)單，占用輸入口少的優(yōu)點(diǎn)。
3．3充放電電流測(cè)量
動(dòng)力電池充放電的大電流的測(cè)量可采用兩種方式，最常見的就是采用霍爾傳感器。因此選擇合適的霍爾傳感器是精確測(cè)量電路的關(guān)鍵。霍爾傳感器的磁場(chǎng)靈敏度或者稱磁場(chǎng)的開起點(diǎn)要與電機(jī)型號(hào)和結(jié)構(gòu)相匹配。不同的電機(jī)型號(hào)和不同的電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)有不同的磁場(chǎng)分布和磁場(chǎng)分布漲落。如果霍爾傳感器的磁靈敏度太高或者太低，由于轉(zhuǎn)子磁鋼和磁鋼縫隙磁場(chǎng)分布的不規(guī)則漲落，會(huì)導(dǎo)致位置傳感器給出錯(cuò)誤的信號(hào)。
此外，還要考慮霍爾傳感器芯片的抗靜電能力，霍爾傳感器芯片的抗浪涌電壓或抗浪涌電流能力。本文研究的系統(tǒng)采用型號(hào)為UGN3503UA的霍爾傳感器。在測(cè)量電路的設(shè)計(jì)中需注意的是該傳感器的輸出為毫安級(jí)電流，因此必須選擇合適的輸入電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并采用精度較高的放大、采樣電路。表1是本系統(tǒng)的一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
燃油成本的提高和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，使混合動(dòng)力不再是高成本的代名詞。目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)自主產(chǎn)權(quán)的混合動(dòng)力車型上市，因此本文對(duì)混合動(dòng)力車的研究不僅為國(guó)內(nèi)同行的研究工作提供了一些經(jīng)驗(yàn)，還具有打破國(guó)外技術(shù)壟斷的作用，且混合動(dòng)力車因具備經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)，相信混合動(dòng)力的使用市場(chǎng)將會(huì)越來(lái)越大，應(yīng)用前景也會(huì)越來(lái)越廣闊。
