帶增程器的純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制器設(shè)計(jì)①

錢(qián)多年

(同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海200127)

伴隨著日益嚴(yán)重的大氣污染和能源危機(jī)，傳統(tǒng)交通工具—汽車(chē)的可持續(xù)發(fā)展面臨越來(lái)越嚴(yán)峻的形勢(shì)．研發(fā)電動(dòng)車(chē)作為解決上述問(wèn)題的有效途徑，得到了越來(lái)越廣泛的認(rèn)可[1]．

但由于目前蓄電池儲(chǔ)能有限，純電動(dòng)汽車(chē)存在一次充電后續(xù)駛里程短的問(wèn)題．筆者考慮采用在純電動(dòng)汽車(chē)上加裝一個(gè)增程器的方法來(lái)增加純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程．

增程器是為了增加純電動(dòng)汽車(chē)行駛里程而加裝在純電動(dòng)汽車(chē)上的一個(gè)附加儲(chǔ)能部件．通常用戶(hù)可以在出行時(shí)根據(jù)行駛里程需求確認(rèn)是否安裝[2]．本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)車(chē)所使用的增程器是燃料電池．

整車(chē)控制器的基本功能對(duì)駕駛員的一些操作指令及傳感器信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)車(chē)輛運(yùn)行狀況，控制電機(jī)、電池、增程器及外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全、穩(wěn)定、科學(xué)的工作．

1 整車(chē)控制器功能定義

1．1 整車(chē)控制器功能介紹

整車(chē)控制器VMS的控制對(duì)象為整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，主要包括電機(jī)、動(dòng)力蓄電池、增程器和儀表．并在各部件控制器(如電機(jī)控制器MC、動(dòng)力蓄電池控制器BMS、增程器控制器等)的配合下完成包括能量管理、故障診斷等．

整車(chē)控制器VMS通過(guò)與其他各控制器之間的CAN網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)分布式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制．

圖1 CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

1．2 能量管理和駕駛控制功能

能量管理和駕駛控制功能是整車(chē)控制策略的核心部分．

通過(guò)加速踏板的位置信息，識(shí)別駕駛員的駕駛意圖，并且通過(guò)整車(chē)控制器設(shè)置的驅(qū)動(dòng)控制算法，輸出電機(jī)控制器調(diào)速電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速．

由于帶增程器的電動(dòng)車(chē)有兩個(gè)能量源，分別是動(dòng)力蓄電池和燃料電池．所以需要通過(guò)整車(chē)控制器協(xié)調(diào)兩個(gè)能量源．

圖2 不同工況不同SOC門(mén)限值下續(xù)航里程

1．3 故障診斷功能

當(dāng)動(dòng)力系統(tǒng)各部件控制器(如增程器、BMS、充電機(jī)控制器等)監(jiān)測(cè)到該部件性能參數(shù)超出控制范圍，通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)將該故障傳輸給整車(chē)控制器．根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)偏離門(mén)限值的多少，故障分為三級(jí)．

當(dāng)一級(jí)故障發(fā)生時(shí)，整車(chē)控制器控制整車(chē)停車(chē)并切斷動(dòng)力電．當(dāng)二級(jí)故障發(fā)生時(shí)，整車(chē)控制器關(guān)閉相應(yīng)部件．當(dāng)三級(jí)故障發(fā)生時(shí)，整車(chē)控制器將該故障顯示到儀表，起到警示作用．

圖3 整車(chē)控制器電氣原理圖

2 整車(chē)控制策略

本論文設(shè)計(jì)的帶增程器電動(dòng)車(chē)整車(chē)控制策略包括兩部分:駕駛控制策略和能量管理策略．

2．1 駕駛控制策略

整車(chē)控制器在接受到加速踏板位置信號(hào)、檔位信號(hào)和鑰匙信號(hào)，即駕駛員駕駛意圖后，根據(jù)加速踏板從零到最大開(kāi)度和電機(jī)從零到最大轉(zhuǎn)速正比的對(duì)應(yīng)關(guān)系，輸出電機(jī)控制器調(diào)速電壓，控制電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速．而通過(guò)檔位信號(hào)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)．

同時(shí)考慮到動(dòng)力蓄電池SOC余量，當(dāng)電池SOC余量低于0．25時(shí)，對(duì)電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速要求減半．

圖4 MPC555芯片的接口定義

2．2 能量管理策略

對(duì)于擁有兩個(gè)能量源的電動(dòng)車(chē)，能量管理策略是整車(chē)控制策略中最重要的一環(huán)．

目前研究較多的能量管理策略主要有三種，第一種是邏輯門(mén)限控制策略[3];第二種是自適應(yīng)控制策略[4];第三種是基于模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的只能控制策略[5]．

本文采用邏輯門(mén)限控制策略，而評(píng)價(jià)指標(biāo)包括三部分:蓄電池充放電經(jīng)濟(jì)性，動(dòng)力性和能否體現(xiàn)增程器概念．當(dāng)電池SOC低于門(mén)限值后，燃料電池以恒功率2kW開(kāi)始工作，起到增程器的作用．由于燃料電池工作時(shí)，一部分功率提供汽車(chē)克服行駛阻力，剩余的功率還能給動(dòng)力蓄電池充電，所以在選擇啟動(dòng)燃料電池對(duì)應(yīng)的動(dòng)力蓄電池SOC門(mén)限值時(shí)，要考慮到電池充放電的經(jīng)濟(jì)性．使電池在充放電效率最高的區(qū)域工作．

本文使用Matlab的插件Advisor 2002，通過(guò)帶增程器的電動(dòng)車(chē)在SOC門(mén)限值分別為0．3，0．4，0．5和0．8時(shí)啟動(dòng)燃料電池，仿真燃料電池從開(kāi)啟到氫氣耗盡行駛里程加上燃料電池充電電能提供車(chē)輛純電動(dòng)行駛的里程，以此為指標(biāo)評(píng)價(jià)充放電經(jīng)濟(jì)性．

選擇較符合電動(dòng)車(chē)工作的工況，包括:20km/h和30km/h的等速巡航工況，公交車(chē)工況(CYC_NewYorkBus)和城市中心工況(CYC_NYCC)．

圖2所示為在不同工況，不同SOC門(mén)限值下，電動(dòng)車(chē)的續(xù)航里程．可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動(dòng)力蓄電池SOC下降到0．3－0．4時(shí)，啟動(dòng)燃料電池，可以得到最好的經(jīng)濟(jì)性能．

然后考量動(dòng)力性．為保證車(chē)輛在開(kāi)啟燃料電池后，電動(dòng)車(chē)仍有足夠的能量保證動(dòng)力性的需求，設(shè)計(jì)電動(dòng)車(chē)以10km/h的車(chē)速連續(xù)爬15%坡度的工況．計(jì)算電動(dòng)車(chē)在不同SOC門(mén)限值下開(kāi)啟燃料電池直到動(dòng)力蓄電池電能耗盡(動(dòng)力蓄電池SOC低于0．2)，所行使的距離．以SOC門(mén)限值0．4為例．

首先計(jì)算爬坡所需電機(jī)功率．

表1 整車(chē)控制器(VMS)功能定義

由于爬坡所需功率大于燃料電池提供的功率，此時(shí)動(dòng)力蓄電池和燃料電池同時(shí)輸出電能提供給爬坡所需的功率．已知?jiǎng)恿π铍姵仡~定電壓128V，額定容量40Ah．以SOC門(mén)限值0．4為例，可以計(jì)算出從燃料電池開(kāi)啟直到動(dòng)力蓄電池電能耗盡爬坡的距離．

表2所示為在不同SOC門(mén)限值下從燃料電池開(kāi)啟直到動(dòng)力蓄電池電能耗盡爬坡的距離．隨著SOC門(mén)限值下降，電動(dòng)車(chē)動(dòng)力性能變?nèi)酰瑫r(shí)考慮到增程器的概念，需要在動(dòng)力蓄電池電量盡量低的情況下再開(kāi)啟增程器，所以選擇當(dāng)動(dòng)力蓄電池SOC降到0．4時(shí)開(kāi)啟燃料電池．

表2 爬坡里程

3 硬件設(shè)計(jì)及軟件開(kāi)發(fā)

3．1 硬件設(shè)計(jì)

文本使用MPC555芯片作為整車(chē)控制器的硬件平臺(tái)．MPC555微控制器是一款高性能高速32位單片機(jī)，片內(nèi)含有64位的浮點(diǎn)單元，448KB的Flash ROM、26KB的 SRAM和6KB的 TPU專(zhuān)用RAM、4KB專(zhuān)用ROM．

整車(chē)控制器的輸入輸出數(shù)據(jù)，可以通過(guò)兩種途徑和外圍機(jī)構(gòu)聯(lián)系．一種是通過(guò)CAN通訊，另一種通過(guò)MPC555的A/D、D/A和I/O口，輸出輸入模擬量和開(kāi)關(guān)量．圖3和圖4所示為整車(chē)控制器電氣原理圖和MPC555芯片的接口定義．

3．2 軟件開(kāi)發(fā)

整車(chē)控制器的軟件部分主要是獲取CAN通訊及硬件接口的輸入數(shù)據(jù)后，通過(guò)能量管理、駕駛控制以及故障診斷的控制及計(jì)算，輸出開(kāi)關(guān)量及模擬量給各個(gè)部件控制器．

運(yùn)用Matlab/Simulink及其子模塊Stateflow建立控制模型，利用RTW首先對(duì)Simulink模塊方圖以ASCII碼的形式存儲(chǔ)在model．rtw的模型中間描述文件．然后由目標(biāo)語(yǔ)言編譯器(TLC)生成代碼:包括系統(tǒng)目標(biāo)文件、模塊目標(biāo)文件、目標(biāo)語(yǔ)言編譯器函數(shù)庫(kù)．生成自定義的聯(lián)編文件，即model．mk．程序創(chuàng)建過(guò)程將調(diào)用聯(lián)編實(shí)用程序，而該程序?qū)幾g器程序進(jìn)行調(diào)用，生成機(jī)器碼，通過(guò)CANape和MPC555的CAN標(biāo)定線(xiàn)下載到芯片．

3．3 整車(chē)調(diào)試和標(biāo)定

整車(chē)調(diào)試包括弱電調(diào)試和強(qiáng)電調(diào)試兩部分．弱電調(diào)試涉及整車(chē)控制器、動(dòng)力蓄電池控制器、增程器控制器、電機(jī)控制器、儀表及檔位、鑰匙位置等部分．

當(dāng)整車(chē)弱電調(diào)試完畢，確定各控制器及部件能在鑰匙于1位置，整車(chē)低壓上電以后，通過(guò)CAN通信實(shí)現(xiàn)控制電路續(xù)電器和各控制器開(kāi)閉．開(kāi)始高壓上電，接通電機(jī)和燃料電池．同時(shí)標(biāo)定油門(mén)踏板開(kāi)度和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并證實(shí)整車(chē)控制器設(shè)定的能量管理控制功能，根據(jù)動(dòng)力蓄電池SOC的數(shù)值自動(dòng)控制燃料電池的開(kāi)閉．

最后在試車(chē)場(chǎng)進(jìn)行路試，驗(yàn)證車(chē)輛是否達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期的動(dòng)力性和續(xù)航里程的指標(biāo)．

4 總結(jié)

本文介紹了增程器這個(gè)在國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的概念，同時(shí)定義了帶增程器電動(dòng)車(chē)使用的整車(chē)控制器的功能．最后介紹了整車(chē)控制器及其控制策略的設(shè)計(jì)流程．希望給電動(dòng)車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制起到一定的借鑒作用．

[1] Shimizu H，et al．J，Bland C．Advanced Concepts in Electric Vehicle Design[J]．IEEE Trans．On Industrial Electronics，1997，44(1):14－18．

[2] 尤寅，宋珂，尹東曉．帶Range－Extender純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．北京汽車(chē)，2010，21(3):70－74．

[3] Kimura A，et al．Drive Force Control of a Parallel－ series Hybrid System．JSAE Review，1999，20(3):337－341．

[4] Johnson V H，et al．HEV Control Strategy for Real－ time Optimization of Fuel Economy and Emissions．SAE Paper 2000－01－1543，2000．

[5] Baumann B M，et al．Mechatronic Design and Control of Hybrid Electric Vehicles．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2000，5(1):58－72．