混合動(dòng)力汽車整車控制器開發(fā)與試驗(yàn)

尉 進(jìn)，趙 韓，江 昊

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥 230009）

不斷加深的世界能源危機(jī)以及嚴(yán)峻的環(huán)境問題促使世界各國把新能源汽車作為未來汽車工業(yè)發(fā)展的主流方向［1-2］。未來10年內(nèi)，按照國家新能源汽車的相關(guān)政策和國際上技術(shù)發(fā)展的趨勢，混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車將作為一種比較成熟的交通工具得到規(guī)?；膽?yīng)用［3］。中國科技部也將“混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)”列為國家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目之一。

VCU是混合動(dòng)力汽車的核心控制部件，高性能、高可靠性及成本低廉是其硬件設(shè)計(jì)需要考慮的三個(gè)重要方面。目前國內(nèi)整車控制器多是針對相應(yīng)車輛進(jìn)行的專門設(shè)計(jì)，不同種類車輛使用的控制器硬件不能完全通用［4-6］。對VCU硬件進(jìn)行通用性設(shè)計(jì)可以降低硬件設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及維護(hù)成本。本文期望通過綜合考慮多種HEV的控制需求，設(shè)計(jì)出符合通用性要求的VCU平臺(tái)，屆時(shí)僅更改其內(nèi)部軟件和外部接線方式即可使其匹配至諸如ISG（起動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)一體化）、串聯(lián)式、并聯(lián)式等類型的混合動(dòng)力汽車上，實(shí)現(xiàn)整車控制功能。

本文僅以某款并聯(lián)混合動(dòng)力公交車作為研究對象，對VCU的通用性設(shè)計(jì)和開發(fā)展開研究。

1 并聯(lián)混合動(dòng)力汽車控制系統(tǒng)分析

如圖1所示，該并聯(lián)式混合動(dòng)力公交車的動(dòng)力來源為發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)，二者通過連接后橋的耦合器實(shí)現(xiàn)動(dòng)力合成。VCU控制發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器和超級電容控制器，實(shí)現(xiàn)車輛各種工作模式。

VCU是混合動(dòng)力汽車的核心控制單元，它采集加速踏板、制動(dòng)踏板、離合踏板及其他部件信號并做出相應(yīng)判斷后，控制下層的各部件和控制器的動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛。作為整車的指揮管理中心，VCU對汽車的正常行駛、制動(dòng)能量回收、網(wǎng)絡(luò)管理、故障診斷與處理、車輛的狀態(tài)與監(jiān)視等功能起著關(guān)鍵的作用。

2 整車控制器設(shè)計(jì)

2.1 整車控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件基本技術(shù)要求

（1）VCU能夠采集數(shù)字和模擬信號，能夠?qū)斎胄盘栕龀稣_處理，并輸出相應(yīng)控制信號。

（2）易調(diào)試、可擴(kuò)展，具有可重復(fù)擦寫的存儲(chǔ)器，便于存儲(chǔ)系統(tǒng)參數(shù)。

（3）電壓工作范圍寬（12V～36V），溫度工作范圍確定為-40℃～85℃；要求VCU能適應(yīng)車輛運(yùn)行中遇到的諸如震動(dòng)、噪音、潮濕、沖擊等。

（4）具有良好的電磁兼容性，滿足國家對相關(guān)行業(yè)電氣設(shè)備的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。在本文研究的混合動(dòng)力汽車中，其電機(jī)控制器和電機(jī)均會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，所以VCU要有較強(qiáng)的電磁抗干擾能力［7］。

（5）VCU發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)能夠保證車輛具有最基本的行駛能力，這點(diǎn)對于城市公交車特別重要，因此VCU要在硬件上實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重故障后的車輛“跛行回家”功能。

2.1.2 整車控制器元件選型

為實(shí)現(xiàn)可靠性要求，元件選用汽車級產(chǎn)品。

（1）微控制器選用：按照所處理信號數(shù)量及存儲(chǔ)要求，微控制器選用飛思卡爾公司的汽車級ECU芯片9S12XDT512MAA。

（2）外圍芯片選用：模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選用AD5623，實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片選用DS1390，邏輯門芯片選擇NXP公司的產(chǎn)品，隔離電路根據(jù)信號傳輸速度和種類不同，分別選用了普通光耦、高速光耦和線性光耦，運(yùn)放采用MAXIM汽車級產(chǎn)品，DCDC采用了金升陽寬電壓輸入產(chǎn)品。

（3）分立器件選用：傳輸信號用固定電阻選用KOA的RA73H2A系列產(chǎn)品，微調(diào)電阻選用村田PV37WY系列產(chǎn)品，功率電阻采用國產(chǎn)碳膜電阻；貼片電容采用風(fēng)華高科X7R型電容，大容量極性電容采用松下TK系列鋁電解電容，小容量的電容采用風(fēng)華高科CA45型鉭電容；濾波電感選用TDK的屏蔽電感。

2.1.3 硬件電路設(shè)計(jì)

圖2描述了VCU硬件電路總體結(jié)構(gòu)。VCU多輸入、多輸出、數(shù)?；旌瞎泊娴膹?fù)雜系統(tǒng)，其各個(gè)功能電路相對獨(dú)立，因此可以按照模塊化思想設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)的各個(gè)模塊，主要包括：電源模塊、核心控制模塊、信號隔離模塊。

（1）核心控制模塊：圖2中“核心板”部分。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、邏輯運(yùn)算以及控制功能的實(shí)現(xiàn)。MCU芯片9S12XDT512MAA運(yùn)行速度快 （最高總線速度可達(dá) 40MHz），擁有大容量內(nèi)存（512 KB 的 Flash、20 KB的RAM）可以滿足VCU運(yùn)行狀態(tài)記錄等要求，豐富的外設(shè)（SCI、SPI、CAN、PWM、ADC 等），可以省去相關(guān)芯片。該MCU還新增了XGATE協(xié)處理器成為雙核MCU，后者可以單獨(dú)處理繁重的通信和中斷處理任務(wù)，使主核心從通信中解放出來以專門處理各種復(fù)雜的控制算法，程序運(yùn)行效率得到了極大的提升。核心控制模塊還布置了實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）、模數(shù)轉(zhuǎn)換（DA）和有源濾波電路。

（2）電源模塊：由于VCU的核心控制模塊與車身需要隔離，因此電源模塊要能夠?yàn)楹诵目刂颇K提供與車身隔離的電源。電源模塊要提供的電源有供給核心板的隔離+5V、±12V和接口板需要的非隔離+5V、±12V。其中的±12V電源均用于給運(yùn)放和電壓基準(zhǔn)供電。隔離電源由DCDC隔離模塊產(chǎn)生，非隔離電源由LM2576產(chǎn)生。電源模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)成一塊電路板，靠插接件聯(lián)接到VCU的接口板上。圖3顯示了部分電源模塊電路。

（3）信號隔離模塊：該模塊的作用是對VCU的各種信號進(jìn)行調(diào)理與隔離，提高VCU整體的抗干擾能力。來自電子踏板的信號和VCU輸出至電子油門的信號等模擬信號使用線性光耦HCNR201隔離；來自車身上的開關(guān)量信號及VCU輸出至指示燈等低速數(shù)字信號使用低速光耦PC817隔離；來自轉(zhuǎn)速傳感器的信號以及VCU的PWM輸出等高速數(shù)字信號使用高速光耦隔離。隔離芯片前后需要的隔離電源由電源板產(chǎn)生。圖4分別是低速數(shù)字信號隔離輸入電路、低速數(shù)字信號隔離輸出及驅(qū)動(dòng)電路、模擬信號輸入隔離電路。

2.1.4 電磁兼容與抗干擾設(shè)計(jì)

國標(biāo)GB/T4765—1995《電磁兼容術(shù)語》對“電磁兼容”的定義是：“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能接受的電磁騷擾的能力。”從電磁兼容的角度出發(fā)，除了設(shè)備能按設(shè)計(jì)要求完成其功能外，還有兩點(diǎn)要求：

（1）系統(tǒng)本身抗電磁干擾能力要強(qiáng)，不易受到外界環(huán)境的干擾。

（2）系統(tǒng)本身不應(yīng)成為一個(gè)噪聲源，產(chǎn)生對其他儀器、設(shè)備的電磁干擾［8］。

基于以上兩點(diǎn)，首先在VCU電源進(jìn)入時(shí)就采用了抑制共模及差模干擾的LC濾波電路，輔以DCDC輸出的LC低通濾波電路，既保證了VCU不受汽車本身諸如火花塞、電磁閥等強(qiáng)干擾對電源的不良影響，也防止核心控制模塊產(chǎn)生的高頻噪聲干擾到車上其他電器（圖3）；其次將核心控制模塊與對外所有信號進(jìn)行電氣隔離，防止耦合至線纜上的干擾影響核心控制模塊工作（圖4）。

在VCU的設(shè)計(jì)中，PCB板的布局會(huì)對電磁兼容性有很大的影響。使用多層印刷線路板設(shè)計(jì)可以提高單片機(jī)的抗電磁干擾能力，四層板能比雙層板噪聲低20dB［8］。綜合性能、成本和 VCU 體積的考慮，設(shè)計(jì)時(shí)將VCU分為電源板、核心板、接口板三塊電路板，其中核心板為四層板，電源板和接口板為雙層板。核心板與電源板通過插接件聯(lián)接到接口板上，這樣即實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的要求、減小了控制器的整體大小，同時(shí)由于電源板位于系統(tǒng)上方，利于散熱（圖5）。

在PCB布線時(shí)，對于雙層板，特別是電源和基準(zhǔn)部分，堅(jiān)持單點(diǎn)接地，數(shù)字電路合理規(guī)劃鋪銅區(qū)域；對于四層板，要保持地平面的完整性，保證數(shù)字部分與模擬部分在整個(gè)電路板中只有在一處相連，注意接地的阻抗問題；MCU局部布線參照手冊要求進(jìn)行布置，以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地和防止高頻串?dāng)_；對噪聲特別敏感的信號，如各種模擬信號，單獨(dú)為其劃分出布線區(qū)，遠(yuǎn)離數(shù)字電路。

2.1.5 可靠性設(shè)計(jì)

可靠性設(shè)計(jì)要求VCU考慮車輛工作時(shí)遇到的異常情況，并作出行應(yīng)處理，使車輛安全運(yùn)行。例如當(dāng)VCU發(fā)現(xiàn)電機(jī)水冷工作不正常時(shí)，VCU會(huì)停止電機(jī)工作并通過故障報(bào)警燈告知司機(jī)電機(jī)發(fā)生故障；當(dāng)電容溫度過高時(shí)要產(chǎn)生超溫報(bào)警等。除在軟件上加以考慮，硬件上也要保證VCU故障時(shí)車輛仍可以行駛，例如“跛行回家”功能：輸入的油門踏板信號在VCU內(nèi)部用繼電器進(jìn)行切換，系統(tǒng)正常工作時(shí)繼電器通電，該信號由VCU處理后再傳送給發(fā)動(dòng)機(jī)，汽車工作在混合動(dòng)力模式下；當(dāng)VCU失效時(shí)繼電器斷電，該信號直接連向發(fā)動(dòng)機(jī)，車輛可以像傳統(tǒng)汽車一樣安全駛回（圖5）。

2.1.6 通用性設(shè)計(jì)

國內(nèi)有多種整車控制器是基于CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的分布式控制系統(tǒng)［4-7］，按照通用性理念設(shè)計(jì)的VCU可以方便地從一種車輛移植到另外一種。

由于CAN已經(jīng)是當(dāng)今汽車總線的主流，VCU設(shè)計(jì)了兩路CAN接口，一路專門用于與發(fā)動(dòng)機(jī)和部分儀表進(jìn)行大數(shù)據(jù)量通訊，另一路連接其他單元（圖1）。RS232接口依然保留，以適應(yīng)車輛上諸如GPS、數(shù)字化儀表等單元的傳統(tǒng)通訊需求。

VCU需要處理眾多的數(shù)字和模擬信號，為充分適應(yīng)不同車輛需求，設(shè)計(jì)了盡量多的信號接口，最終設(shè)計(jì)了15路可配置高低端低速數(shù)字輸入、4路高速捕捉數(shù)字輸入、8路低端控制低速數(shù)字輸出開關(guān)、4路高速PWM數(shù)字輸出開關(guān)、4路模擬信號輸入、2路模擬信號輸出等IO接口，超過了多數(shù)整車控制器需要的IO接口數(shù)量，方便移植。

2.2 整車控制器軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 控制策略分析

城市公交車工況有如下特點(diǎn)：車輛大部分時(shí)間處于中低速行駛；車輛運(yùn)行中起停工況多；車輛制動(dòng)工況頻繁［9］。超級電容具有功率密度高、充放電速度快、效率高、控制簡單、綠色環(huán)保、運(yùn)行溫度范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)［10］，特別適合混合動(dòng)力公交車的工況特點(diǎn)。

超級電容混合動(dòng)力汽車的主要目標(biāo)是降低油耗及提高加速性能，根據(jù)已知參數(shù)，要盡力減少發(fā)動(dòng)機(jī)處于低速大扭矩狀態(tài)。查閱發(fā)動(dòng)機(jī)萬有曲線 （圖6），900 r/min～1 400 r/min時(shí)輸出最高轉(zhuǎn)矩是油耗較高，因此將該轉(zhuǎn)速范圍作為進(jìn)入助力模式的首要條件。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入該轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，電動(dòng)機(jī)通過耦合器與發(fā)動(dòng)機(jī)一起驅(qū)動(dòng)汽車，以使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)（如圖6粗線處）。當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)，根據(jù)車速和踏板開度，VCU控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，整車進(jìn)入制動(dòng)回饋模式以給超級電容充電。在汽車處于其他運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)和超級電容處于待機(jī)狀態(tài)，進(jìn)入滑行模式。

在混合動(dòng)力模式下，VCU控制整車在助力、制動(dòng)回饋、滑行這三種模式下轉(zhuǎn)換，這三種模式的轉(zhuǎn)化不是很復(fù)雜，所以試驗(yàn)時(shí)采用基于邏輯門限值的算法編制控制程序。當(dāng)VCU采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過邏輯運(yùn)算符合某種模式時(shí)，VCU進(jìn)入相應(yīng)模式的處理子程序中（圖7）。

在助力模式下，力矩分配計(jì)算是VCU的主要任務(wù)。當(dāng)駕駛員需求扭矩大于發(fā)動(dòng)機(jī)在該轉(zhuǎn)速下的經(jīng)濟(jì)油耗輸出扭矩時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出經(jīng)濟(jì)油耗扭矩，電動(dòng)機(jī)輸出需求扭矩與經(jīng)濟(jì)油耗扭矩的差值；反之，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出需求扭矩，電動(dòng)機(jī)輸出為零。

在制動(dòng)回饋模式下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，通過DCDC對超級電容充電，充電的電流大小與此時(shí)的車速和剎車踏板開度有關(guān)。

2.2.2 雙核微控制器軟件的編制

9S12XDT512具有兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算核心，主運(yùn)算核心CPU12X內(nèi)核功能豐富、接口眾多，協(xié)處理核心運(yùn)算速度快。XGATE的加入有助于提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，減輕CPU12X的工作負(fù)荷［11］。根據(jù)MCU雙核的特點(diǎn)，將程序中的CAN、SPI等通訊部分和中斷處理交由XGATE處理，車輛需求扭矩計(jì)算、運(yùn)行模式判斷、能量分配策略等復(fù)雜的控制算法由主核心CPU12X來處理，兩核心間的數(shù)據(jù)交換通過共享RAM實(shí)現(xiàn)。這樣既保證了通訊的實(shí)時(shí)性，又提高了控制算法的運(yùn)行速度。

3 整車控制器功能驗(yàn)證

3.1 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的搭建

硬件在環(huán)仿真不但克服了離線仿真不能模擬實(shí)際物理信號的缺點(diǎn)，還克服了實(shí)車試驗(yàn)成本高、周期長等缺點(diǎn)［12，13］。 圖 8和圖9所示硬件在環(huán)仿真控制系統(tǒng)包括 VCU、dSPACE（DS1005）、ControlDesk 軟件和駕駛室仿真臺(tái)等四個(gè)部分，駕駛室仿真臺(tái)負(fù)責(zé)產(chǎn)生三種踏板信號和擋位信號，PC機(jī)中的ControlD-esk軟件起到下載模型至dSPACE及監(jiān)控dSPACE的作用，dSPACE負(fù)責(zé)產(chǎn)生車輛上的各種信號。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖10 為硬件在環(huán)仿真的試驗(yàn)結(jié)果，顯示了車速與超級電容電流和電壓、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩及擋位信號之間的關(guān)系。

分析可知在各個(gè)擋位下，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在900 r/min～1 400 r/min時(shí)車輛進(jìn)入助力模式，電動(dòng)機(jī)助力使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行于經(jīng)濟(jì)油耗區(qū)（圖10A圈處），此處形成的曲線與圖6中的最佳燃油消耗曲線很接近，此時(shí)超級電容輸出電流，超級電容電壓下降；當(dāng)剎車踏板踩下時(shí)，車速較高的情況下VCU進(jìn)入制動(dòng)回收模式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)輸出電流給超級電容，超級電容電壓上升；在其余狀態(tài)下，VCU進(jìn)入滑行模式，電動(dòng)機(jī)和超級電容待機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)工作。

VCU能夠根據(jù)踏板及擋位信號準(zhǔn)確地判斷出的駕駛員意圖，迅速切換到相應(yīng)的工作模式，實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力工作模式。

4 結(jié)論

（1）本文所述VCU考慮到了通用性的要求，可以將其方便地移植到其他種類的混合動(dòng)力汽車上，從而降低了硬件開發(fā)和使用成本。

（2）在混合動(dòng)力整車控制器上首次采用了雙核微控制器，它可以將中斷處理程序單獨(dú)分配給一個(gè)內(nèi)核，同時(shí)另一內(nèi)核專門處理復(fù)雜的邏輯運(yùn)算而不受中斷影響，克服了傳統(tǒng)的單核微控制器由于繁雜的中斷請求導(dǎo)致其系統(tǒng)運(yùn)行效率下降的缺點(diǎn)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和運(yùn)行效率。

（3）硬件在環(huán)仿真試驗(yàn)的結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的VCU完成了包括車輛需求計(jì)算、運(yùn)行模式判斷、能量分配策略和數(shù)據(jù)信息交換等工作，工作穩(wěn)定。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)優(yōu)化策略而提出的邏輯門限值能量分配策略是可行的，工作時(shí)優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作區(qū)間。

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