混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車是一種由內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)混合驅(qū)動(dòng)的汽車，其主要特點(diǎn)是節(jié)能、環(huán)保。這種汽車在起步時(shí)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，消除了內(nèi)燃機(jī)起步時(shí)由于燃燒不充分而排黑煙的現(xiàn)象。在汽車減速或剎車時(shí)，利用發(fā)電機(jī)把動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，貯存到蓄電池中，實(shí)現(xiàn)能量回收達(dá)到節(jié)能的目的。由于這種汽車是內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力并存，僅用傳統(tǒng)的針對(duì)內(nèi)燃機(jī)的電控系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩種動(dòng)力的最佳配合，因此開(kāi)發(fā)混合動(dòng)力車的全新電控系統(tǒng)是十分必要的。本文以一種電機(jī)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車成功實(shí)現(xiàn)為背景，從系統(tǒng)角度介紹了混合動(dòng)力汽車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及效果。

并聯(lián)式混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置與驅(qū)動(dòng)橋連接，電動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力復(fù)合裝置也與驅(qū)動(dòng)橋相連，汽車可由發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)共同驅(qū)動(dòng)或各自單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)形式更像是附加了一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的普通內(nèi)燃機(jī)汽車。電動(dòng)機(jī)起“調(diào)峰”作用：當(dāng)汽車運(yùn)行工況所需的功率超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率時(shí)，電動(dòng)機(jī)從電池取得電能產(chǎn)生電磁力矩，并向驅(qū)動(dòng)橋提供額外的驅(qū)動(dòng)功率。有的并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車也有發(fā)電機(jī)，但其主要作用是向電池充電，以保持電池的荷電狀態(tài)（SOC）。

圖1并聯(lián)式混合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電控系統(tǒng)以國(guó)際業(yè)界先進(jìn)的CAN總線作為通信媒介，以智能化的多能源管理單元為控制核心，以五個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的智能化節(jié)點(diǎn)（前艙傳感器單元、室內(nèi)傳感器單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、電池管理單元及顯示單元）為輔助節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。多能源通過(guò)CAN總線獲得系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)信息，并根據(jù)此狀態(tài)信息產(chǎn)生控制命令，亦通過(guò)總線將命令發(fā)送到發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使兩種動(dòng)力相互配合，以發(fā)揮混合動(dòng)力汽車節(jié)能和環(huán)保的目的。各單元（或稱節(jié)點(diǎn)）在本設(shè)計(jì)中的統(tǒng)一編號(hào)：N1為多能源控制單元；N2為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器單元；N3為前艙傳感器單元；N4為室內(nèi)傳感器單元；N5為電池管理單元；N6為顯示單元。

圖2電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1

1）多能源管理單元

是整個(gè)系統(tǒng)的指揮中心，它由性能較高的微處理器為核心，配合大容量的程序和數(shù)據(jù)存存器及總線接口構(gòu)成，由此它能對(duì)從總線上傳來(lái)的系統(tǒng)信息進(jìn)行迅速處理，大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存放了系統(tǒng)運(yùn)行最佳狀態(tài)參數(shù)，這樣處理器就能及時(shí)并精確按控制策略對(duì)電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力進(jìn)行最佳配合。當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，它會(huì)及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行處理，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元

由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換電路、開(kāi)關(guān)量接口及總線接口構(gòu)成。它的功能是通過(guò)總線接收多能源管理單元發(fā)出的對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的命令，進(jìn)行判斷處理后通過(guò)模擬量輸出及開(kāi)關(guān)量輸出對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，其中主要包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的空然比、點(diǎn)火系統(tǒng)等在各種工況下的控制。另外，本單元還會(huì)將執(zhí)行情況及其當(dāng)前狀況（正常狀態(tài)還是故障狀態(tài)）及時(shí)通過(guò)總線想多能源進(jìn)行報(bào)告。

3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制單元

由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、D/A轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)量接口及電機(jī)調(diào)速控制幾部分構(gòu)成。它的功能是通過(guò)總線接收多能源的對(duì)電機(jī)的控制命令并及時(shí)執(zhí)行，它主要控制電機(jī)的發(fā)電與電動(dòng)狀態(tài)的切換、電機(jī)的轉(zhuǎn)速及輸出力矩的控制，通過(guò)總線向多能源管理單元報(bào)告電機(jī)的狀態(tài)如轉(zhuǎn)速、充電電流、放電電流及故障等狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)能進(jìn)行自處理以保證車輛的安全運(yùn)行。

4）數(shù)據(jù)采集單元

由處理器、微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、開(kāi)關(guān)量接口、A/D轉(zhuǎn)換、頻率變換及總線接口構(gòu)成。其功能是準(zhǔn)確且及時(shí)檢測(cè)車輛系統(tǒng)的各參數(shù)如：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開(kāi)度、剎車、水溫、真空度、擋位、空調(diào)狀態(tài)、鑰匙狀態(tài)、離合器狀態(tài)等，并通過(guò)總線傳送給多能源管理單元，多能源管理單元以此作為決策依據(jù)。另外，此數(shù)據(jù)也作為顯示單元進(jìn)行顯示的依據(jù)，因此，此單元是整個(gè)系統(tǒng)的眼睛。

5）電池管理單元

本混合動(dòng)力車采用鋰電池組，此電池組由40個(gè)電池串聯(lián)而成，每個(gè)電池正常工作電壓為3.6V，為保證系統(tǒng)的安全及電池的可靠工作，對(duì)每個(gè)電池都配備一以功能較簡(jiǎn)單微處理器為核心的控制器，每個(gè)控制器對(duì)其所管理的電池的電壓、容量、溫度參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)并通過(guò)485總線通知電池管理單元，同時(shí)控制器也對(duì)所管理的電池的充電及放電電流進(jìn)行控制，防止電池過(guò)充和過(guò)放，以保證系統(tǒng)的安全。電池管理單元由較高級(jí)的微處理器和必要的外圍電路構(gòu)成，本單元通過(guò)RS485總線與各電池的控制器進(jìn)行通信，收集各電池的當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)（電壓、容量、溫度），并將這些信息進(jìn)行處理后通過(guò)CAN總線通知多能源管理單元，同時(shí)也會(huì)將電池組的SOC傳送到顯示單元進(jìn)行顯示。

6）顯示單元

顯示單元的構(gòu)成與其他單元大同小異，它的功能是接收CAN總線上的信息，對(duì)必要的信息如車速、發(fā)動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速、里程、電池容量、充電電流、放電電流、水溫、油量及系統(tǒng)故障代碼進(jìn)行顯示，在顯示方式上，采用無(wú)可動(dòng)部件的高精度數(shù)字顯示，增加了顯示信息量并提高了可靠性，同時(shí)為了滿足司機(jī)習(xí)慣于看指針式模擬儀表的要求，也采用類似指針運(yùn)動(dòng)的發(fā)光二極管模擬舊式表的顯示。

硬件設(shè)計(jì)

從N3、N4、N6三節(jié)點(diǎn)的功能要求來(lái)看，若按功能對(duì)硬件進(jìn)行分別設(shè)計(jì)可各取所需，減小節(jié)點(diǎn)體積和重量，但是，這樣不便于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，也限制了節(jié)點(diǎn)的可靠性和互換性，故采取三節(jié)點(diǎn)硬件統(tǒng)一設(shè)計(jì)的方案，即三節(jié)點(diǎn)的硬件完全一樣，各節(jié)點(diǎn)的硬件可互換，每個(gè)硬件包括所有三節(jié)點(diǎn)所需要的硬件功能，另外，由于現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)步，統(tǒng)一設(shè)計(jì)和分別設(shè)計(jì)的硬件之間的體積和重量的差別很小，對(duì)系統(tǒng)性能的影響可以說(shuō)是微乎其微，更重要的是這樣的設(shè)計(jì)為后續(xù)進(jìn)一步改進(jìn)所需的系統(tǒng)擴(kuò)展和冗余式可靠性設(shè)計(jì)奠定了硬件基礎(chǔ)。

硬件系統(tǒng)（圖3）以微處理器CPU為核心以及必要的外圍電路構(gòu)成。其中CPU為高性中央處理單元，具有豐富的功能和高速的處理能力，可快速進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算，完全能滿足本電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。程序存儲(chǔ)器中存放著實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)功能的軟件用以控制各節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器電路用于系統(tǒng)內(nèi)存擴(kuò)展，復(fù)雜的程序控制和運(yùn)算需要大量的中間變量和緩沖區(qū)，內(nèi)存的擴(kuò)展解決了這一問(wèn)題.D/A轉(zhuǎn)換電路用于將處理后的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)輸出，主要應(yīng)用于輸出控制和信號(hào)的遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換電路用于對(duì)系統(tǒng)的模擬量進(jìn)行采集，即將被采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換速度可達(dá)5微秒/路，分辨率為1/4096，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可同時(shí)進(jìn)行8路A/D轉(zhuǎn)換，完全可滿足任務(wù)書(shū)的技術(shù)要求。開(kāi)關(guān)量輸出接口用于輸出節(jié)點(diǎn)的位控制命令，具有靈活的輸出控制，可直接或間接滿足各種功率輸出的控制要求，在本系統(tǒng)中的主要位控制信號(hào)有發(fā)動(dòng)機(jī)的供油、空調(diào)、大小電機(jī)啟動(dòng)選擇等信號(hào)。

開(kāi)關(guān)量輸入電路用于采集系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)量，如：鑰匙開(kāi)關(guān)信息、離合器狀態(tài)信息及空調(diào)狀態(tài)信息等信號(hào)。顯示接口電路用于將被顯示信號(hào)實(shí)時(shí)傳送到顯示器，顯示器采用數(shù)字化高亮度的LED顯示，提高了顯示的精度，同時(shí)又保留了原有儀表的模式，以便使用者有一個(gè)過(guò)渡的過(guò)程，不致產(chǎn)生不習(xí)慣的感覺(jué)。頻率變換電路用于將系統(tǒng)的速度信號(hào)（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車速）轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一制式的脈沖信號(hào)以便微處理器進(jìn)行識(shí)別和測(cè)速。CAN總線電路由總線控制器和收發(fā)控制電路構(gòu)成，它負(fù)責(zé)接收和發(fā)送總線信息，使各節(jié)點(diǎn)通過(guò)總線相連接，使電控系統(tǒng)成為靈活的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

圖3硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

軟件設(shè)計(jì)

前艙傳感器節(jié)點(diǎn)（N3）的軟件設(shè)計(jì)

N3節(jié)點(diǎn)所要完成的任務(wù)為：1）實(shí)時(shí)檢測(cè)車速、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門、水溫、真空度的參數(shù)值；2）檢測(cè)本節(jié)點(diǎn)故障；3）按通信協(xié)議完成總線數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)點(diǎn)的多數(shù)任務(wù)要求有很高的實(shí)時(shí)性，因此本節(jié)點(diǎn)的軟件策略為：1）對(duì)車速、轉(zhuǎn)速及總線通訊采用中斷方式處理；2）定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，為滿足任務(wù)要求的實(shí)時(shí)性，定時(shí)間隔為20μs，用以及時(shí)對(duì)節(jié)氣門、水溫、真空度的數(shù)字化測(cè)量；3）空閑時(shí)間查詢系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測(cè)系統(tǒng)是否正常，若有故障，對(duì)故障進(jìn)行相應(yīng)的處理。這樣，即可以實(shí)時(shí)處理車速、轉(zhuǎn)速和通訊中斷又可使CPU處于多任務(wù)狀態(tài)，提高了系統(tǒng)資源的利用率。

室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)（N4）的軟件設(shè)計(jì)

N4節(jié)點(diǎn)所要完成的任務(wù)為：1）實(shí)時(shí)檢測(cè)鑰匙開(kāi)關(guān)狀態(tài)、離合器狀態(tài)、空調(diào)狀態(tài)及剎車的參數(shù)值；2）檢測(cè)本節(jié)點(diǎn)故障；3）按通信協(xié)議完成總線數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)點(diǎn)的軟件策略為：1）對(duì)鑰匙開(kāi)關(guān)狀態(tài)、離合器狀態(tài)、空調(diào)狀態(tài)等開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)及總線通訊采用中斷方式處理；2）定時(shí)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，為滿足任務(wù)要求的實(shí)時(shí)性，定時(shí)間隔為20μs，用以及時(shí)對(duì)剎車信號(hào)的數(shù)字化測(cè)量；3）空閑時(shí)間查詢系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測(cè)系統(tǒng)是否正常，若有故障，對(duì)故障進(jìn)行相應(yīng)的處理。

顯示節(jié)點(diǎn)（N6）的軟件設(shè)計(jì)

N6節(jié)點(diǎn)所要完成的任務(wù)為：1）對(duì)車速、里程、充電電流、放電電流及電池容量等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；2）及時(shí)完成大小電機(jī)的啟動(dòng)控制和發(fā)動(dòng)機(jī)的供油控制；3）檢測(cè)本節(jié)點(diǎn)故障；4）按通信協(xié)議完成總線數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)點(diǎn)的軟件策略為：1）對(duì)總線通訊、大小電機(jī)的啟動(dòng)控制和發(fā)動(dòng)機(jī)的供油控制采用中斷方式處理，以保證控制、通訊的及時(shí)性；2）定時(shí)刷新顯示，為滿足實(shí)時(shí)性，定時(shí)刷新時(shí)間間隔為20ms；3）空閑時(shí)間查詢系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測(cè)系統(tǒng)是否正常，若有故障，對(duì)故障進(jìn)行相應(yīng)的處理。

通信機(jī)制設(shè)計(jì)

本車各單元之間大量數(shù)據(jù)傳送通過(guò)CAN總線來(lái)完成，這也是本混合動(dòng)力電控系統(tǒng)的一個(gè)與眾不同的特色，由于CAN總線的使用，減輕了電控系統(tǒng)的線束重量，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。另外，由于CAN總線是差分傳輸?shù)囊环N抗干擾能力很強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)總線，從而保證了系統(tǒng)通信的可靠性。

CAN總線簡(jiǎn)介

CAN總線是德國(guó)Bosch公司20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO-11898），是具有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，規(guī)范2.0A和2.0B。CAN總線可支持8/16位CPU，可與各種處理器接口或組成智能化儀器儀表；可工作于多主工作方式，任一節(jié)點(diǎn)任一時(shí)刻均可主動(dòng)發(fā)送信息，不分主從，通訊方式靈活，可方便的構(gòu)成多機(jī)容錯(cuò)系統(tǒng);節(jié)點(diǎn)可分成不同優(yōu)先級(jí)，滿足不同的實(shí)時(shí)要求；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，多點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)，主動(dòng)停止發(fā)送，優(yōu)先級(jí)高的不受影響繼續(xù)發(fā)送，有效的避免了總線沖突;可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等方式傳送和接收數(shù)據(jù)，直接傳送距離達(dá)10km/5Kbps，速率最高達(dá)1Mbps/40m，總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)理論值達(dá)2000個(gè)，實(shí)際由于時(shí)延可達(dá)110個(gè)；采用短幀結(jié)構(gòu)每一幀有效字節(jié)8個(gè)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，重新發(fā)送快；通訊介質(zhì)可采用雙絞線及光纖；用戶接口簡(jiǎn)單、編程方便；溫度-40℃～+125℃工作；節(jié)點(diǎn)故障時(shí)有自動(dòng)關(guān)閉總線功能，可以與總線脫離，不影響總線操作；每幀具有CRC校驗(yàn)和其它檢測(cè)措施，保證出錯(cuò)率極低；具有很高的適應(yīng)性;接口收發(fā)器具有瞬時(shí)電壓保護(hù)，RT抑制、熱保護(hù)、短路保護(hù)等。

通信協(xié)議

本系統(tǒng)在CAN2.0A協(xié)議基礎(chǔ)上定義通信協(xié)議。N1節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令，N2～N6節(jié)點(diǎn)接受后不發(fā)確認(rèn)信號(hào)，N1節(jié)點(diǎn)收到N2～N6節(jié)點(diǎn)的信息后判斷是否正確，如果不正確或在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收不到N2～N6幀，則重新發(fā)命令，重發(fā)超過(guò)規(guī)定的次數(shù)為通訊故障；N2～N6幀發(fā)出信息，N1節(jié)點(diǎn)接受后，不發(fā)確認(rèn)信息，N2～N6節(jié)點(diǎn)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收不到N1節(jié)點(diǎn)的命令，則為通訊故障;N6節(jié)點(diǎn)收到N1幀上電復(fù)位后的第一幀時(shí)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)回答，在運(yùn)行時(shí)若N6無(wú)故障，則不回答N1.節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀基本結(jié)構(gòu)定義如下：

系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀用ID區(qū)別，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可定義多個(gè)不同的數(shù)據(jù)幀，用以傳送不同的信息。

性能分析

表1為混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)汽車性能對(duì)比，從測(cè)試參數(shù)來(lái)看混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力和經(jīng)濟(jì)性方面均比傳統(tǒng)汽車要優(yōu)越，其排放也達(dá)到了“歐2”標(biāo)準(zhǔn)，而且通過(guò)測(cè)試可知，其尾氣中因不完全燃燒而產(chǎn)生的CO和NOx量要比傳統(tǒng)汽車要少。

結(jié)束語(yǔ)

提出了一種由智能節(jié)點(diǎn)和CAN總線通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的混合動(dòng)力汽車的電控系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)混合動(dòng)力車的控制系統(tǒng)中以CAN總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，CAN總線良好的性能在此得到了驗(yàn)證。從性能角度看，在電控系統(tǒng)優(yōu)秀控制策略的控制下，混合動(dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)能最大限度工作在高效率和低排放的狀態(tài)下，同時(shí)也可將部分能量進(jìn)行回收，達(dá)到了混合動(dòng)力的節(jié)能和環(huán)保目的。另外，由于電機(jī)動(dòng)力的加入也提高了汽車的動(dòng)力性能?？梢詳喽ǎS著電控系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，混合動(dòng)力汽車必將成為綠色汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)。

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