并聯(lián)同軸型混合動力客車整車控制器的方案設(shè)計

1、并聯(lián)同軸型混合動力客車整車控制器的方案設(shè)計余捷(福建工程學(xué)院機電系，福建 福州 350002)摘 要：在介紹并聯(lián)同軸型混合動力客車的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，分析其工作原理和可實現(xiàn)的工作模式。最后，利用模塊化設(shè)計電路思想，設(shè)計了基于pic18f66k80的整車控制器的軟硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：混合動力客車；整車控制器；方案設(shè)計中圖分類號：u464.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1672-4801(2012)01-086-04混合動力客車將發(fā)動機、 電機兩種動力源組合在一起，理論上可同時發(fā)揮內(nèi)燃機客車和電動 客車的優(yōu)點，是減少二氧化碳排放和油耗的有效 技術(shù)途徑之一1，使客車既滿足在特定條件下零 排放的要求

2、，又可以在一定程度上延長續(xù)行里程 2。因此，混合動力客車的動力系統(tǒng)設(shè)計目前成 為世界各國競相開發(fā)的汽車關(guān)鍵技術(shù)之一?；旌?動力客車大體可以分為三種類型：串聯(lián)式、并聯(lián) 式和混聯(lián)式。其中，考慮到并聯(lián)同軸型混合動力 客車對傳統(tǒng)客車的技術(shù)繼承性好、結(jié)構(gòu)簡單實用、 整車系統(tǒng)研發(fā)易于實現(xiàn)等特點，本文選取并聯(lián)同 軸型混合動力客車作為研究對象。在分析該結(jié)構(gòu) 混合動力 客車的工 作原理基 礎(chǔ)上，基 于 pic18f66k80 單片機設(shè)計了整車控制器硬軟件系 統(tǒng)實現(xiàn)方案。/發(fā)電一體機自動變速箱驅(qū)動橋。之所以稱為同軸式，在于電動發(fā)電一體機轉(zhuǎn)子的一端與變速 箱的輸入軸相連，另一端與自動離合器的輸出軸相 連，從而兩條動

3、力傳輸路線都經(jīng)過同一根傳輸軸 (電機轉(zhuǎn)子)，該軸可實現(xiàn)兩動力的單獨傳遞及耦合 需求，這就省去了并聯(lián)式混合動力客車通常所采用 的行星輪結(jié)構(gòu)來充當(dāng)動力耦合器。離合器驅(qū)動軸圖 1 同軸并聯(lián)式混合動力客車動力系統(tǒng)簡圖根據(jù)圖 1 的結(jié)構(gòu)圖，分析得出并聯(lián)同軸型混 合動力客車可實現(xiàn)的各種工作模式，詳見表 1 所 示。要想實現(xiàn)客車各工作模式間的順利切換，滿 足行車要求，達(dá)到節(jié)能減排的目的，不僅需要動 力傳動系的每個組成部件(子系統(tǒng))性能正常，同 時也需要協(xié)調(diào)各子部件間切換動作的整車控制器 有好的控制策略及穩(wěn)定的性能。同軸式并聯(lián)混合動力客車動力傳動系1統(tǒng)工作原理分析并聯(lián)同軸型混合動力客車的動力傳動系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)如圖

4、 1 所示，其動力傳輸路線有 2 條：發(fā)動機 自動離合器電動/發(fā)電一體機自動變速箱驅(qū) 動橋以及動力電池組/超級電容組逆變器電動表 1 并聯(lián)同軸型混合動力客車可實現(xiàn)的工作模式模 式動力傳遞路線a：電機單獨驅(qū)動b：發(fā)動機單獨驅(qū)動 c：聯(lián)合驅(qū)動模式 d：發(fā)電模式發(fā)動機自動離合器電動/發(fā)電一體機自動變速箱驅(qū)動橋動力電池組/超級電容組逆變器電動/發(fā)電一體機自動變速箱驅(qū)動橋 以上兩種路線的耦合(a+b) 發(fā)動機自動離合器電動/發(fā)電一體機(發(fā)電模式)逆變器動力電池組/超級電容組(變速 箱掛空擋) 動力電池組/超級電容組逆變器電動/發(fā)電一體機自動變速箱驅(qū)動橋(電機采用反轉(zhuǎn)電 動模式或變速箱掛倒檔) 驅(qū)動橋自動

5、變速箱電動/發(fā)電一體機(發(fā)電模式)逆變器動力電池組/超級電容組 變速箱切換為空擋e：倒車模式f：制動回電模式g：滑行模式*福建工程學(xué)院青年科研基金(gy-z09069)；福建省科技平臺建設(shè)項目(2008j1002)。作者簡介：余捷(1984)，男，助教，研究方向：汽車電子技術(shù)。發(fā)電/電動一 體化機發(fā)動機自動變速箱動力電池組/ 超級電容組逆變器第 1 期余捷：并聯(lián)同軸型混合動力客車整車控制器的方案設(shè)計87器保護(hù)器(adm)、離合器控制器(ccu)和人機智能顯示系統(tǒng)(ip)構(gòu)成了一個 8 節(jié)點 can 總線網(wǎng) 絡(luò)。hcu 是整車的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)整車兩個能量 源之間的能量分配管理以及對各個子系統(tǒng)控制

6、單 元進(jìn)行實時監(jiān)測和控制。為實現(xiàn)整車如表 1 所示 的各種工作模式，需要先確定整車能量分配策略。 整車能量分配策略是混合動力整車控制的核心， 主要用于確定滿足驅(qū)動輪驅(qū)動力矩的要求所需的 發(fā)動機和電動機各自的轉(zhuǎn)矩，并實現(xiàn)發(fā)動機、動 力電池組/超級電容組、電機和傳動系統(tǒng)的優(yōu)化匹 配3。因此，整車控制器的設(shè)計必須結(jié)合整車能 量分配策略，文獻(xiàn) 4 提出了三種可用于本研究所 采用的并聯(lián)混合動力客車：電動助力、實時控制、 模糊邏輯。經(jīng)文獻(xiàn)上的分析，以模糊邏輯控制策 略較為適用。2整車控制器設(shè)計整車控制器根據(jù)所采集的踏板信號來解釋駕 駛員行車意圖，并采集電機、發(fā)動機及動力電池 組/超級電容組等動力系統(tǒng)主要構(gòu)

7、件的狀態(tài)信息 來了解行車狀態(tài)，最后根據(jù)所設(shè)計的控制策略和 控制算法，對變速箱擋位變換、離合器工作狀態(tài) 控制、電機運行模式、電機輸出轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行控制， 以便可靠、正確地執(zhí)行駕駛員行車意圖。圖 1 為所研究的動力總成系統(tǒng)的簡圖，圖 2 為其對應(yīng)的電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。為了減少整車 線束，采用 can 總線技術(shù)來實現(xiàn)各個子系統(tǒng)和 整車控制器(hcu)之間的互聯(lián)，其通訊協(xié)議采用 基于 j1939 的 can2.0 協(xié)議。整車控制器(hcu)、 發(fā)動機控制器(ecu)、電機控制器(dmcm)、電池 管理系統(tǒng)(bms)、變速箱控制器(atu)、自動斷路軸圖 2 動力總成電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖 3 整車控制器結(jié)構(gòu)

8、串口故障診斷模塊、快關(guān)量/模擬量通信模塊、2.1hcu 硬件設(shè)計利用模塊化 設(shè)計電路思 想，設(shè)計了 基 于pic18f66k80 的混合動力客車整車控制器?？刂?器的硬件部分如圖 3 所示，主要包括微處理器、can 總線監(jiān)控模塊、保護(hù)電路模塊及調(diào)試模塊電源模塊。微處理 器選 用了 microchip 公司開 發(fā)的 剎車踏板智能儀表盤（ip）整車控制器（hcu）油門踏板自動斷路器保 護(hù)器（adm）電池管理系統(tǒng)（bms）電機控制器（dmcm）發(fā)動機控制器 (ecu)離合器控制器（ccu）變速箱控制器（atu)驅(qū)動發(fā)電/電動一 體化機發(fā)動機自動變速箱動力電池組/ 超級電容組逆變器88機電技術(shù)2012

9、 年 2 月pic18f66k80，它擁有多達(dá)11 通道的 12-bit 的力。串口通信模塊用于對控制器系統(tǒng)的故障診斷。調(diào)試模塊主要用于對控制程序進(jìn)行實時地調(diào)試和 修改。電源模塊經(jīng)過二級濾波設(shè)計，可保證控制 器在車載系統(tǒng)供電正常情況下可靠工作，并附帶 短路保護(hù)功能。a/d， 54 個 i/o 接口，1 個滿足 can2.0 協(xié)議的can 總線模塊，工作速度高達(dá) 64mhz，運算速 度快，內(nèi)部資源與接口豐富，比較適合實現(xiàn)控制 器復(fù)雜的控制策略和算法，并且其內(nèi)部集成的 can 總線模塊具有良好的抗干擾及總線保護(hù)能表 2 hcu 及各子系統(tǒng)間的通信信號控制單元輸出信息輸入信息整車控制單元(hcu)電

10、機所要提供的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速電機的正反轉(zhuǎn)命令 再生制動指令 跳閘保護(hù)信號等 電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度電樞的電流、電壓、報警信號等 曲軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩 發(fā)動機的水溫、油壓等 電壓、溫度、充放電電流、soc 值等 離合器結(jié)合狀態(tài)信息 擋位狀態(tài)、油壓、溫度等 斷路器的工作狀態(tài)需要給駕駛員顯示的信息電池狀態(tài)、電機狀態(tài)、踏板信號等模擬量車速信號、點火開關(guān)、倒擋信號等開關(guān)量電機控制單元(dmcm)hcu 給電機的輸入狀態(tài)和指令發(fā)動機控制器(ecu)油門信號、轉(zhuǎn)速鎖定信號等電池管理系統(tǒng)(bms)離合器控制器(ccu) 變速箱控制器(atu) 自動斷路器保護(hù)器(adm)智能儀表盤(ip)電池狀態(tài)信息hcu 給離合器的控制

11、指令 hcu 給變速箱的控制指令 hcu 給斷路器的跳閘指令接收總線上的部分信息hcu 如整車控制系統(tǒng)的大腦，通過接受各種傳感器的輸入信號，經(jīng)過信號處理后作為控制芯 片的設(shè)計輸入，最后，通過控制策略的計算，輸 出相關(guān)控制信號到執(zhí)行器件。因此，系統(tǒng)實質(zhì)上 為一個多輸入多輸出的離散采樣控制系統(tǒng)。表 2 列出了 hcu 及各子系統(tǒng)間的通信信號。為了避免 數(shù)字電路與模擬電路、高速電路和低速電路之間 的相互影響，增強整車控制器的抗干擾能力，可 在 pcb 設(shè)計上將各模擬信號、開關(guān)信號轉(zhuǎn)換電 路和高速 can 通信電路進(jìn)行有效的區(qū)域隔離， 模擬地和數(shù)字地之間進(jìn)行分區(qū)覆銅。2.2 hcu 軟件設(shè)計hcu 的

12、系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是在 mplab 集 成開發(fā)環(huán)境上進(jìn)行的，運用調(diào)試工具 pickit2 下 載器實現(xiàn)軟件調(diào)試、在線編程(icsp)及硬件在環(huán) 仿真調(diào)試等功能，可以大大提高編程效率，縮短 研發(fā)周期。hcu 的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)按功能分為兩個部分： 控制策略實施和硬件驅(qū)動與相關(guān)信號處理。前者 負(fù)責(zé)整車各動力部件的能量分配的管理實施，后hcu前后臺模式程序流程圖圖 4 hcu 軟件流程圖是前 臺后 臺開始鑰匙o(hù)n是 發(fā)動機啟動鑰匙o(hù)n 否結(jié)束故障信息報警轉(zhuǎn)矩校核can定時發(fā)送轉(zhuǎn)矩分配can接受中斷需求轉(zhuǎn)矩計算ad定時中斷ad采樣循環(huán)否啟動發(fā)動機是否初始化第 1 期余捷：并聯(lián)同軸型混合動力客車整車控制器的

13、方案設(shè)計89者負(fù)責(zé)完成處理器對表 2 中通信信息的處理，實現(xiàn)整車的控制目標(biāo)。因此，主程序可采用如圖 4 所示的前后臺程序結(jié)構(gòu)。前臺程序主要是：對各 硬件進(jìn)行初始化(包括看門狗、can 模塊、ad 模 塊、中斷優(yōu)先級設(shè)置等)。前臺程序在循環(huán)運行中， 不斷檢測相關(guān)的后臺程序部分是否進(jìn)行中斷請 求，這些請求主要有：ad 信號采集的定時中斷； can 總線上的接受或發(fā)送中斷； 故障信息采集 并報警等。通過前后臺程序的無限循環(huán)式交互工 作，hcu 可較好地實現(xiàn)對整車的行駛控制要求。由于混合動力客車在不同路況下，對動力系 統(tǒng)的扭矩輸出和功率分配有不同的要求。比如在 低速或爬坡時，需要動力系統(tǒng)提供大扭矩；而在 高速時，只需提供較低的扭矩，發(fā)動機的輸出功率可部分回饋給動力電池組。因此，這樣，在利用前后臺程序的建立軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，hcu 主要 的核心處理在于實時地進(jìn)行整車行車時轉(zhuǎn)矩需求 的精確計算和估計，最后通過 can 總線定時發(fā)出 指令，實現(xiàn)整車動力系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。3結(jié)論1) 在介紹并聯(lián)同軸型混合動力客車的結(jié)構(gòu) 基礎(chǔ)上，對其工作原理和可實現(xiàn)的工作模式進(jìn)行 了分析；2) 本文利用模塊化設(shè)計電路思想，設(shè)計了基 于 pic18f66k80 的整車控制器的實現(xiàn)方案。然而， 該設(shè)計方案的實現(xiàn)和附加功能擴展，還需要經(jīng)過 進(jìn)一步的試驗和研究。參考文獻(xiàn)：1