混合動力轎車多能源動力總成控制系統(tǒng)研制與開發(fā)

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2023年(第28卷)第6期

汽車工程AutomotiveEngineering

2023(Vo.l28)No.6

2023115

混合動力轎車多能源動力總成控制系統(tǒng)研制與開發(fā)

王曉明,謝輝,吳志新

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(11中國汽車技術研究中心,天津300162;21天津大學,天津300072)

[摘要]介紹某型混合動力轎車多能源動力總成控制系統(tǒng)的設計思想和關鍵技術,著重闡述混合動力系統(tǒng)功能設計、控制規(guī)律和策略、系統(tǒng)硬軟件設計以及動力系統(tǒng)臺架聯(lián)合調試的狀況。研究輕度并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的控制策略、CAN通信、測試和試驗等技術和方法,通過提高系統(tǒng)的控制功能和性能,最終達到改善混合動力汽車的動力性、經濟性及排放等目的。

關鍵詞:混合動力電動汽車,動力控制單元,控制策略,臺架試驗

TheResearchandDevelopmentofPowerControlUnitforHybridElectricVehicle

WangXiaoming,XieHuiWuZhixin

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1

11ChinaAutomotiveTechnologyandResearchCenter,Tianjin300162;21TianjinUniversity,Tianjin300072

[Abstract]Thepaperpresentsthedesignconceptandkeytechnologiesofpowercontrolunit(PCU)forhy2bridelectricvehicle(HEV)withemphasisputonfunctiondesign,controllogicandstrategy,systemhardwareand

softwaredesign,aswellastestbenchdebuggingofPCU.Thecontrolstrategy,CANbusandtestingtechniquesofmildparallelHEVarealsostudied.Asaresul,tthecontrolfunctionofthesystemisenhancedandtheperform2ance,fueleconomyandemissionofHEVareimproved.

Keywords:HEV,Powercontrolunit,Controlstrategy,Benchtest

動力性、燃油經濟性和排放特性。

1前言

2輕度并聯(lián)混合動力控制策略

多能源動力總成控制系統(tǒng)是混合動力車輛的控制平臺和指揮中心,負責采集和感知各種物理量,做出正確判斷和計算,控制開關、繼電器、電機和發(fā)動機等執(zhí)行器件,實現(xiàn)能量管理和動力分派。多能源動力總成控制系統(tǒng)通過燃油經濟性、排放以及動力性等目標控制,能夠達到發(fā)動機和電動機的最正確動力匹配。多能源動力總成控制系統(tǒng)還是車輛的神經中樞,負責各電控單元的網絡通信和信息交互。它的開發(fā)過程綜合了仿真、控制策略、ECU軟硬件設計、硬件在環(huán)測試、監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)、故障診斷與處理、CAN通信、臺架試驗和道路試驗等研究內容,通過綜合運用先進的技術和科學的方法,大大地提高了系統(tǒng)的控制和管理功能,從而提高混合動力汽車的

*天津市科委重點科技攻關項目(023183611)資助。

48211混合動力總成結構

混合動力系統(tǒng)采用了轉矩復合的方式,以汽油機為主動力,電動機為輔助動力?；旌蟿恿ο到y(tǒng)將電動機直接安裝在發(fā)動機曲軸動力輸出端,取代了發(fā)動機飛輪,既傳遞動力又減緩曲軸扭轉振動。傳動系統(tǒng)采用機械離合器與手動變速器。圖1為開發(fā)

的混合動力轎車動力系統(tǒng)結構示意圖。原車的4缸113L汽油機(豐田8A)更換成3缸110L汽油機(376QE),在汽油機的飛輪位置安裝一個10kW永磁同步電機,電機轉子和發(fā)動機曲軸直接相連,定子固定在發(fā)動機機體上。它既可以為電動機提供正轉矩也可以為發(fā)電機提供負轉矩。永磁電機與144V/

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輕度并聯(lián)混合動力系統(tǒng)的基本功能定義如下。

(1)自動起停功能,包括怠速停機和自動起動兩部分。在怠速工況,假使?jié)M足適合的條件,將會中止發(fā)動機運轉,從而消除了怠速工況下高能耗和高排放;在起動過程中,通過電機將發(fā)動機帶到怠速轉速以上后,發(fā)動機開始正常工作,避免了起動工況的高能耗和高排放。

圖1輕度并聯(lián)混合動力總成

(2)在行駛過程中,電機工作在發(fā)電機狀態(tài),改善此工況下發(fā)動機特性?；旌蟿恿ο到y(tǒng)能夠給蓄電池充電,并使發(fā)動機工作在高效率低能耗區(qū)域。

(3)電機工作在電動機狀態(tài),提供輔助功率,改善此工況下發(fā)動機特性,提高整個系統(tǒng)的動力輸出。

(4)在制動過程中,采用能量回饋技術,可以合理地調整再生能量并存儲到蓄電池組,達到降低能耗和提高效率的目的。

213控制模式和能量分派策略設計

如圖2所示,將控制模式分成工況管理層和能量管理層2個層次,分別由駕駛模式解釋器、模式調度器和能量管理解釋執(zhí)行器(EMI)依次逐層進行模

[2]

式判斷和執(zhí)行。

１８Ａｈ鋰離子(鎳氫)電池組相連。傳動系采用5擋手動變速器。發(fā)動機的最大轉矩為8019N#m(3600r/min),最大功率為41kW(6000r/min);電機最大轉矩為62N#m,額定轉速為2000r/min。發(fā)動機的節(jié)氣門被重新設計為電控節(jié)氣門,接受主控制器控制。主控制器通過控制電控節(jié)氣門開度和管理電控噴油器功率回路,實現(xiàn)對發(fā)動機的轉矩控制和起停管理。主控制器通過CAN總線與電機控制器和電池管理系統(tǒng)交換信息,通過CAN總線向電機控制器發(fā)出轉矩指令,實現(xiàn)對電機轉矩的控制212混合動力系統(tǒng)功能定義

[1]

。

圖2混合動力系統(tǒng)分層控制模式示意圖

/駕駛模式解釋器0根據(jù)駕駛員的駕駛操作來決定車輛的駕駛模式,其主要的判斷條件為鑰匙位置、加速踏板位置、制動踏板位置、離合器位置、擋位信號以及發(fā)動機工作狀態(tài)。根據(jù)這些判斷條件,將車輛運行分成5種駕駛模式:停車模式、起動模式、怠速模式、行駛模式和制動模式。針對不同的駕駛模式,/模式調度器0調用相應的/能量管理解釋執(zhí)

行器0。EMI根據(jù)加速踏板位置、制動踏板位置、電池SOC狀態(tài)、車速以及其他信號等來決定發(fā)動機和電機之間的轉矩耦合問題,同時通過能量管理算法

來計算發(fā)動機和電機的轉矩分派需求。在每一種控制模式中都有兩種或更多的算法來進行管理。例如對于起動模式,根據(jù)發(fā)動機冷卻水溫的高低,分別執(zhí)行發(fā)動機冷起動或熱起動策略;對于行駛模式,則有

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巡航算法、充電算法以及助推算法;對于怠速充電,則有自動充電和強制充電兩種方案

[3-5]

。

4臺架試驗

411試驗目的及內容

(1)主控制器、智能儀表、電機控制器、電池管理系統(tǒng)(鋰離子電池管理系統(tǒng)和鎳氫電池管理系

統(tǒng))等部件的CAN總線協(xié)議執(zhí)行狀況。

(2)協(xié)調動力系統(tǒng)的電源供給規(guī)律和握手規(guī)律。

(3)并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)各個子系統(tǒng)控制部件聯(lián)合工作的通信能力測試;各個系統(tǒng)電源供給規(guī)律和握手規(guī)律測試;混合動力系統(tǒng)控制策略驗證與工況測試。

412試驗和測試系統(tǒng)

臺架調試時的動力控制系統(tǒng)如圖3所示,它主要由測功機、多能源動力總成主控制器、TJ376QE發(fā)W永磁同步電機的動力總成、發(fā)動機動機10kECU、電機控制器、動力電池組、電池管理系統(tǒng)、上位機監(jiān)控標定、智能儀表和駕駛室模擬環(huán)境等組成。在臺架上發(fā)動機和電機經過機電耦合,電機和電力測功機通過萬向節(jié)相連,實現(xiàn)對動力總成轉矩的測量,測功機還可以測量發(fā)動機的水溫、進氣溫度和轉速等物理量。油耗儀主要負責對發(fā)動機油耗的測量,電機控制器從CAN總線上接受主控制器的控制狀態(tài)和轉矩來控制電機,并監(jiān)控電機的狀態(tài)。電池管理系統(tǒng)負責對動力電池組狀態(tài)進行監(jiān)視和管理,并將狀態(tài)信息發(fā)送到CAN總線上。主控制器負責協(xié)調發(fā)動機狀態(tài)管理、轉矩分派、發(fā)動機電子節(jié)氣門的控制以及故障診斷處理?；旌蟿恿ΡO(jiān)控和標定系統(tǒng)通過接受CAN總線上所有的數(shù)據(jù)幀,解析后將信息實時顯示在監(jiān)控界面上,并向主控制器發(fā)送標定信息。駕駛室模擬操作臺包括鑰匙、離合器、擋位、加速踏板和制動踏板等物理量,可以模擬各種駕駛行為,滿足試驗的要求。413試驗結果及分析

該并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)在臺架上能夠實現(xiàn)動力總成控制策略中的鑰匙、踏板和擋位等3種電機起動方式,行駛中充電、助力和發(fā)動機單獨驅動3種驅動模式,制動能量回饋,怠速停機等控制模式。實現(xiàn)了在設定點進行模式切換,包括充電)純發(fā)動機)助推切換以及反向的切換。在動態(tài)試驗過程中,隨著加速踏板的變化,節(jié)氣門執(zhí)行值和電機轉矩根據(jù)轉矩分派的需要基本與策略要求吻合。

43電控系統(tǒng)的開發(fā)

311硬件設計

多能源動力系統(tǒng)控制器直接面對車載的惡劣工作環(huán)境,并且在混合動力汽車動力系統(tǒng)中的驅動電機、變頻器和電源電磁干擾較大,因此在設計中對硬件的抗干擾性和可靠性做了如下考慮:采用輸入、輸出全光電隔離;在電路中適當參與濾波和去耦電路。

傳感器故障和外部信號干擾是引起主控制工作失常的重要因素之一。對于模擬信號,當檢測到模擬量的值不在正常范圍時就可判定傳感器出現(xiàn)故障,要作出相應的處理。對于開關和脈沖信號,除了在輸入端口中使用光電隔離以外,還設置濾波、施密特電路和單穩(wěn)態(tài)電路,以增加抗干擾能力。312軟件設計

系統(tǒng)軟件包括底層驅動程序和上層管理程序,底層驅動程序主要負責與硬件有關的操作,而上層程序主要負責系統(tǒng)流程的控制策略和控制算法。軟件的功能模塊主要包括以下部分。

(1)信號采集與處理車速和發(fā)動機轉速的采集使用輸入捕獲模塊,采用測周期方法計算轉速,為避免高轉速時測周期法出現(xiàn)的問題,轉速計算中采取了濾波措施。

(2)多能源系統(tǒng)狀態(tài)轉換判斷多能源動力總成輸出方式繁雜,可以分為:電機單獨驅動、內燃機單獨驅動、內燃機驅動電機發(fā)電、內燃機與電機共同驅動、制動能量回饋等方式。各種狀態(tài)之間的切換要滿足經濟性、動力性等要求。文中根據(jù)加速踏板、制動踏板、鑰匙、離合器狀態(tài)、擋位等狀態(tài)參量制定了多能源動力總成的狀態(tài)轉換判斷程序。當程序根據(jù)狀態(tài)轉換判斷進入各個子狀態(tài)時,需要在各個子狀態(tài)中合理執(zhí)行相應的指令完成特定狀態(tài)下的狀態(tài)處理程序。

(3)電子節(jié)氣門控制電控節(jié)氣門驅動采用L298N驅動電路,采用主控制器發(fā)出的PWM信號驅動。電控節(jié)氣門控制的目標是跟蹤加速踏板的位置,或進行動力源之間的協(xié)調控制。

(4)與發(fā)動機ECU的聯(lián)系多能源動力總成控制系統(tǒng)主要管理節(jié)氣門和噴油回路,實現(xiàn)發(fā)動機

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圖3

混合動力總成臺架試驗系統(tǒng)

板增加而單調增加。在各個模式的轉換過程中沒有發(fā)生猛烈的沖擊或振動現(xiàn)象,這說明動力總成控制系統(tǒng)的控制是基本成功的。聯(lián)合調試中進行的起動工況、行駛工況、制動工況和怠速工況中控制策略以

及能量分派算法測試正常。

圖4電機力矩隨加速踏板變化趨勢(2000r/min)

行模式切換,包括充電)純發(fā)動機)助推切換以及

反向的切換。在動態(tài)試驗過程中,隨著加速踏板的變化,節(jié)氣門執(zhí)行值和電機轉矩根據(jù)轉矩分派的需要基本符合策略要求。

圖5是轉速分別為2000、2400、2800和3200r