公交車制動(dòng)能量再生系統(tǒng)電控單元的設(shè)計(jì)

張小東,曲金玉,張益瑞,梁力艷

(山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,山東 淄博 255049)

隨著汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,燃油緊缺、環(huán)境污染成為目前世界上亟待解決的突出問題,各國都在研究減少燃油消耗和降低排放的汽車環(huán)保節(jié)能技術(shù),其中再生制動(dòng)能量回收技術(shù)是有效手段之一.公交車主要運(yùn)行在城市道路中,行車速度慢,并且頻繁處于起步、制動(dòng)和怠速狀態(tài),導(dǎo)致傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)客車的油耗大,排放高,是城市污染的重要源頭.提高公交車的能量利用率具有十分重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.以電能方式儲(chǔ)存制動(dòng)能量的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)通過電機(jī)回收/再生制動(dòng)能量,該方式是目前研究的主要方向,但其主要應(yīng)用對象為電動(dòng)汽車[1-2].并聯(lián)式液壓制動(dòng)能量再生系統(tǒng)與公交車原有機(jī)械式動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)并行聯(lián)接,通過對公交車較少的改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)公交車制動(dòng)能量的回收和再生,從而提高車輛能量利用率,達(dá)到公交車節(jié)能減排的目的.研究表明,安裝并聯(lián)式液壓制動(dòng)能量再生系統(tǒng)后節(jié)油率達(dá)到20%,各種其他排放指標(biāo)下降20%～50%,效果顯著[3-4].

1 液壓式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)構(gòu)成

液壓式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)由液壓蓄能器、液壓油路控制單元、變量液壓泵/馬達(dá)、電磁離合器、變速箱和電子控制單元構(gòu)成,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.其中,變速箱實(shí)現(xiàn)液壓制動(dòng)能量再生系統(tǒng)與公交車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的并行聯(lián)接;電磁離合器連接變量液壓泵/馬達(dá)與變速箱,通過電磁離合器的通電/斷電實(shí)現(xiàn)并聯(lián)式液壓制動(dòng)能量再生系統(tǒng)與公交車動(dòng)力的傳遞/斷開;變量液壓泵/馬達(dá)是系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化元件,實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與液壓能之間的雙向轉(zhuǎn)換;液壓蓄能器儲(chǔ)存高壓液壓油是系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件;液壓油路控制單元由多個(gè)電磁換向閥和管路組成;電子控制單元通過各種傳感器識(shí)別駕駛員的意圖和車輛的工作狀態(tài)、調(diào)整各執(zhí)行器的控制參數(shù),并驅(qū)動(dòng)各種執(zhí)行器[5].

圖1 液壓式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 電子控制系統(tǒng)的組成

并聯(lián)式液壓制動(dòng)能量再生系統(tǒng)電子控制系統(tǒng)如圖2所示.電子控制單元分為電源模塊、輸入信號調(diào)理模塊、輸出信號調(diào)理模塊和微處理器.

圖2 電子控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

電子控制單元的輸入信號有點(diǎn)火開關(guān)信號、使能開關(guān)信號、蓄電池電壓信號、蓄能器壓力信號、制動(dòng)踏板位置信號、加速踏板位置信號等.輸入信號反映了駕駛員的操作意圖和公交車的運(yùn)行狀態(tài),微處理器根據(jù)輸入信號識(shí)別液壓式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)的工作模式.

輸出信號為電磁離合器繼電器控制信號、電磁換向閥控制信號、變量液壓泵馬達(dá)排量比例調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)整電流,通過對繼電器、電磁閥以及泵/馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)對液壓制動(dòng)能量再生系統(tǒng)工作狀態(tài)的調(diào)節(jié).在微控制器的控制下實(shí)現(xiàn)并聯(lián)式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)與公交車原動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)駕駛員的操作意圖.

顯示模塊用來指示系統(tǒng)的工作狀態(tài),包括電源指示燈、報(bào)警指示燈、蓄能器儲(chǔ)能狀態(tài)指示燈和系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈.通信模塊通過SPI總線實(shí)現(xiàn)微控制器與擴(kuò)展芯片的通信,UART接口電路實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與上位機(jī)的通信.

2.1 主控芯片選擇

本系統(tǒng)采用美國Silab的高速混合信號ISP FLASH微控制器C8051F005作為本系統(tǒng)的微處理器.該微控制器特點(diǎn)如下[6]:(1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25MIPS);(2)8通道12位的片上SAR ADC,可編程轉(zhuǎn)換速率,最大100kbps,可編程放大器增益;(3)2304字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM,64K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器,可以在系統(tǒng)編程;(4)4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器、定時(shí)器陣列,硬件SMBus、SPI及兩個(gè)UART串口;(5)5個(gè)16位捕捉/比較模塊和一個(gè)專用16位定時(shí)計(jì)數(shù)器,可方便的實(shí)現(xiàn)PWM輸出和脈寬的測定,只需要較少的CPU干預(yù).

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

電子控制單元中微處理器C8051F005使用2.7～3.3V供電電源,變量液壓泵馬達(dá)排量比例調(diào)整機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電壓為24V,驅(qū)動(dòng)電流為200～600mA;輸入信號調(diào)理模塊和輸出信號調(diào)理模塊需要5V電壓.電子控制單元對電源模塊的要求復(fù)雜,同時(shí),作為車載控制電路要求對抗干擾性有很高的要求.英飛凌公司的LT3437是能夠在3.3～60V寬輸入電壓范圍內(nèi)獲得高效率的降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器,可以滿足要求苛刻的汽車環(huán)境的要求[7].本設(shè)計(jì)中使用LT3437實(shí)現(xiàn)蓄電池24V電壓到5V電壓的轉(zhuǎn)換;由低壓差穩(wěn)壓芯片AS1117構(gòu)成5V～3.3V的電源供電電路.為保證微控制器C8051F005的工作穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)了專門的供電電路提供數(shù)字電壓+3VD1和模擬電壓AV+,供外部擴(kuò)展電路使用的3V電壓由+3VD2提供.電路如圖3所示.

2.3 MOS管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)輸出的開關(guān)量有控制電磁離合器結(jié)合/分離、控制電磁換向閥保壓、回收和再生動(dòng)作、強(qiáng)制卸壓溢流閥的打開和關(guān)閉,功率驅(qū)動(dòng)使用超效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)接通和關(guān)斷電路.功率場效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)芯片采用凌特公司的T LE6230 GP,其具備足夠大的驅(qū)動(dòng)功率同時(shí)還可以通過SPI總線接口完成輸出控制功能和診斷功能,從而分辨對每路輸出進(jìn)行控制、實(shí)時(shí)故障檢測;還可以獲得每路輸出狀態(tài)的信息:正常運(yùn)行、過載、對地短接和負(fù)載開路等[8].電路設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖3 電子控制系統(tǒng)電源電路

2.4 變量液壓泵馬達(dá)有效排量驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

變量液壓泵馬達(dá)排量調(diào)整用比例電磁鐵實(shí)現(xiàn),比例電磁鐵調(diào)整方式分模擬調(diào)整方式和PWM調(diào)整方式兩種.其中,模擬調(diào)整方式特點(diǎn)是電流控制精確,缺點(diǎn)是持續(xù)供電消耗能量大,抗干擾能力差.PWM調(diào)整方式使功率MOS工作在開關(guān)狀態(tài),能量消耗小,本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式采用PWM控制方式.該電路采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的全橋驅(qū)動(dòng)芯片33486 A配合微控制器輸出的PWM信號輸出驅(qū)動(dòng)電流范圍為200～600mA.該芯片具有驅(qū)動(dòng)功率大的特點(diǎn)同時(shí)還可以通過ST端指示過熱、過電流故障的功能,并且在系統(tǒng)不工作的保壓狀態(tài)時(shí)通過WAKE端置低電平可使驅(qū)動(dòng)電路處于低功耗的睡眠狀態(tài)或者正常工作狀態(tài)[9].在Cur_R端可復(fù)制芯片的驅(qū)動(dòng)電流,接3歐姆的下拉電阻實(shí)現(xiàn)電流-電壓的轉(zhuǎn)換,通過微處理器的AD采樣控制程序修正PWM的脈寬,驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示.

3 電子控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制單元的控制程序采用C語言編寫.從功能上分為主程序模塊、制動(dòng)能量回收子程序模塊和制動(dòng)能量再生子程序模塊以及顯示和數(shù)據(jù)采集等子程序,本文將介紹主程序調(diào)度模塊、制動(dòng)能量回收子程序模塊和制動(dòng)能量再生子程序模塊.

主程序工作流程圖如圖6所示.主程序調(diào)度模塊的主要功能為系統(tǒng)上電時(shí)初始化微處理器各特殊功能寄存器使系統(tǒng)處于待工作狀態(tài),初始化輸出信號端口使液壓式制動(dòng)能量回收系統(tǒng)處于正常的工作狀態(tài),若檢測到系統(tǒng)初始化不正常,產(chǎn)生報(bào)警.若系統(tǒng)初始化正常則打開中斷并啟動(dòng)定時(shí)器T4,此時(shí),主程序進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)循環(huán)檢測系統(tǒng)的工作狀態(tài).定時(shí)器T4依次觸發(fā)掃描子程序、顯示子程序和串口通訊子程序.當(dāng)掃描子程序時(shí)間到時(shí),單片機(jī)通過AIN0、AIN1和AIN2端口采集蓄能器壓力信號、加速踏板位置信號和制動(dòng)踏板位置信號,并根據(jù)信號的數(shù)值修改控制系統(tǒng)工作的狀態(tài)標(biāo)志位:保壓、制動(dòng)能量回收和制動(dòng)能能量釋放.顯示子程序時(shí)間到達(dá)時(shí),系統(tǒng)運(yùn)行顯示子程序指示蓄能器壓力儲(chǔ)存狀態(tài)和系統(tǒng)工作狀態(tài).串口通訊子程序時(shí)間到達(dá)時(shí),通過UART0與上位機(jī)通訊.主程序在循環(huán)部分通過判斷系統(tǒng)工作狀態(tài)標(biāo)志位進(jìn)入制動(dòng)能量回收子程序模塊、制動(dòng)能量再生模塊.

圖4 電子控制單元開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)電路

圖5 變量液壓馬達(dá)調(diào)整電流驅(qū)動(dòng)電路

圖6 主程序流程圖

4 結(jié)束語

本文著重介紹了液壓式制動(dòng)能量再生系統(tǒng)的電子控制系統(tǒng)的輸出信號驅(qū)動(dòng)電路和電源電路.電子控制單元使用了滿足汽車復(fù)雜工作環(huán)境要求的功率驅(qū)動(dòng)集成電路T LE6230 GP和33486 A,大大提高了系統(tǒng)輸出信號的反應(yīng)速度和抗干擾性能.經(jīng)過試驗(yàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)的反應(yīng)速度和控制性能均滿足要求.

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[9]Freescale Semiconductor Inc..Data Sheet 33486A[EB/OL].(2005-12)[2010-1-8].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/187704/FREESCALE/33486A.html.