汽車電子混合電力電控系統(tǒng)設(shè)計

程勇剛

摘 要： 針對汽車電子混合電控系統(tǒng)，在結(jié)合CAN總線技術(shù)的基礎(chǔ)上提出設(shè)計混合電力系統(tǒng)的思想。依據(jù)可靠性原則，利用分布函數(shù)量化電路系統(tǒng)，通過連接器、接觸器和繼電器等重要部件組成混合電控系統(tǒng)高壓電路。利用一點接地的屏蔽方法進(jìn)行線路間耦合抗干擾處理，實現(xiàn)對低壓電路的設(shè)計。采用一條多個單元同時連接CAN總線的串行通信線路，在發(fā)送器輸出數(shù)據(jù)后確保接收器能夠在相位緩沖段接收到輸入位值，再對緩沖長度進(jìn)行控制，確保電路通信的同步性，以此實現(xiàn)對汽車電子混合電力電控系統(tǒng)的設(shè)計。實驗結(jié)果表明，結(jié)合CAN總線技術(shù)的汽車電路電控系統(tǒng)可以實現(xiàn)穩(wěn)定控制。

關(guān)鍵詞： 汽車電路； 混合電控系統(tǒng)； CAN總線通信； 系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TN99?34； U178 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0179?03

Abstract： The design thought of the hybrid power system is proposed on the basis of hybrid electronic control system and CAN bus technology. Based on the principle of reliability， the distribution function is used to quantify the circuit system. The high?voltage circuit of the hybrid electric control system is composed of connector， contactor， relay and other components. The shielding method of one?point grounding is used to resist the coupling interference among the circuit lines to realize the design of the low?voltage circuit. The serial communication circuit is adopted to ensure that the receiver can receive the input bite value at the phase buffer section after the data is sent by the transmitter， in which the multiple units are connected to the CAN bus simultaneously. The buffer length is controlled to guarantee the synchronism of circuit communication， and realize the design of the hybrid power control system of the automobile electronics. The experimental results show that the automotive circuit electronic control system based on CAN bus technology can realize the stability control.

Keywords： automotive circuit； hybrid electronic control system； CAN bus communication； system design

0 引 言

文獻(xiàn)[1]提到汽車是現(xiàn)代社會大工業(yè)化的結(jié)晶，對人類文明發(fā)展而言，其在生產(chǎn)、技術(shù)、規(guī)模、經(jīng)濟效益等各個方面現(xiàn)實意義重大。汽車產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的同時，人類也面臨著能源枯竭、環(huán)境污染、全球溫室效應(yīng)等問題的嚴(yán)峻考驗，這些難題需要得到快速解決[2?3]。如今，市場上出現(xiàn)了許多小型電動汽車與混合動力汽車，其低排放甚至零排放的優(yōu)勢已經(jīng)成為突破難題的有效方法，被廣泛關(guān)注。

文獻(xiàn)[4]中提出由導(dǎo)線連接的固定件和保護(hù)件等組成汽車電路，汽車電力與通信信號通過汽車電路進(jìn)行傳輸。類似繼電器電路、開關(guān)電路這樣的簡單電氣連接通常選用傳統(tǒng)點對點布線方式。如今具有高性能的汽車越來越多，對其電路系統(tǒng)各方面的功能要求也越來越高，電路系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的順序控制時，傳統(tǒng)電路局限性愈發(fā)明顯[5?6]。

文獻(xiàn)[7]指出相較于傳統(tǒng)汽車，混合動力汽車的特點是具有較大體積的電池組和強大的電動機，所以車載電路需要符合高電壓、大電流的要求，在一些特定的情況下，如汽車的制動能量被二次利用時，汽車的電動機會快速轉(zhuǎn)變成發(fā)電機的角色，該過程中電流瞬間換向會對回路形成巨大沖擊，因此，電路設(shè)計時必須對高壓電路各組件的可靠性進(jìn)行充分考量，然后重新進(jìn)行分析和布置。

本文提出針對汽車電路系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計混合電力電控系統(tǒng)。首先，根據(jù)可靠性原則，依靠分布函數(shù)對電路系統(tǒng)的可靠度完成量化，通過連接器及繼電器等重要部件組成該混合電控系統(tǒng)高壓電路，各子系統(tǒng)主要由車身控制器、發(fā)動機ECU及電機控制器等主要構(gòu)件構(gòu)成，然后通過一點接地的屏蔽方法實現(xiàn)線路間的耦合干擾控制，完成對低壓電路的設(shè)計；其次，利用CAN總線技術(shù)實現(xiàn)電路信號的傳輸，為使各節(jié)點位具備相同的速率，令一條多個單元同時連接CAN總線進(jìn)行串行通信線路，在發(fā)送器輸出數(shù)據(jù)后確保接收器可以在相位緩沖段收到輸入位值，通過控制緩沖長度保證電路通信的同步性，最終實現(xiàn)對汽車電子混合電力電控系統(tǒng)的設(shè)計。

1 汽車電子混合電力電控系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 混合電力電控系統(tǒng)電路設(shè)計

混合電力汽車在燃油經(jīng)濟性以及能量利用率方面優(yōu)勢突出，通過在動力系統(tǒng)中增添大功率驅(qū)動機，實現(xiàn)其供電的動力電池組的混合型汽車功能。驅(qū)動方式可分為三種，分別為串聯(lián)、并聯(lián)以及混聯(lián)方式。endprint

整車動力輸出單元主要由發(fā)動機和電機組成，動力通過變速箱傳遞到車輪。本文為了滿足電路需求，方案分別設(shè)計了高壓電路及低壓電路，通過高耐力的高壓導(dǎo)線連接驅(qū)動電機與動力電池組，具有高壓導(dǎo)線的電路稱為高壓電路[8]；30 V電壓以下的工作電路稱為低壓電路，汽車控制電路、各控制器的電源線路、信號線路等構(gòu)成了低壓電路。具體混合電力電路設(shè)計圖如圖1所示。

根據(jù)汽車電路系統(tǒng)設(shè)計原理，假設(shè)隨機變量[X]為系統(tǒng)的元件，[Ft]是關(guān)于[X]的分布函數(shù)，[ft]是關(guān)于[X]的密度函數(shù)。分布函數(shù)[Ft=P]（[P]為常量）。若[t]保持不變，[Ft]增大，壽命低于[t]的概率越大，則壽命高于[t]的概率就會越小。因此[Ft]越大，系統(tǒng)元件的使用期限就會越少，顯而易見，[Ft]是不信任函數(shù)。則[Rt=1-Ft]為可信任函數(shù)。元件可靠度[Rt]是最基礎(chǔ)的可靠性量化表示。

蓄電池是汽車電路系統(tǒng)的電源，當(dāng)汽車處于混合動力運行下，汽車系統(tǒng)管理器進(jìn)行監(jiān)控，電能就會從電池正極流出進(jìn)入蓄電池組，直流電通過電機控制器逆變成三相交流電再進(jìn)入電機。為實現(xiàn)能量有效回饋，對高壓電路的各部分進(jìn)行設(shè)計及分析，具體高壓線路設(shè)計如圖2所示。

設(shè)計高壓電路連接器（插接器）：約束分段之間的連接利用線束布置較方便，目前被廣泛采用的是插接式連接器，即插接器。為了解決“熱點”問題，通過與自鎖的接頭結(jié)合，使接觸面積逐漸變大，其壓降就會降低，當(dāng)大電流流過端子時，發(fā)散的熱量就會減小，從而有效減少出現(xiàn)“熱點”現(xiàn)象的概率。

設(shè)計高壓電路接觸器：作為繼電器?接觸器控制系統(tǒng)中最重要的元件之一，接觸器通過外部輸入命令控制電路的連通和斷開，開關(guān)的連通與閉合通過地磁力的作用得以實現(xiàn)。因為汽車混合電路接觸器控制的電路電流較大，容易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，因此需采用滅弧裝置，安裝自感應(yīng)抑制器線圈接觸器可有效抑制線圈自感應(yīng)電動勢，使信號干擾最小化。

設(shè)計高壓電路繼電器：繼電器也可以稱其為小型接觸器，為滿足功率，充分實現(xiàn)低壓控制與高壓輸出之間橋梁的作用，因此，本文通過結(jié)合晶閘管與繼電器實現(xiàn)控制電流經(jīng)過時的電壓。

整車控制器是實現(xiàn)汽車控制策略的重點，動力蓄電池組為動力蓄電池的一種，主要功能是為電機提供電量，并且成為整個動力電路的電源。依據(jù)駕駛員的操作即各子系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，整車控制器判定各子系統(tǒng)的運行模式，然后相應(yīng)地對其進(jìn)行能量分配和協(xié)調(diào)控制。若要低壓電路系統(tǒng)不受到信號干擾，則該電路系統(tǒng)應(yīng)做如下設(shè)計。

搭鐵線的傳導(dǎo)抗干擾設(shè)計：在汽車電路中搭鐵線的作用非常重要，汽車電路利用單線制對整個系統(tǒng)中所有的電路進(jìn)行搭鐵以形成回路。通過搭鐵線設(shè)計形成良好回路，也保證了與車架的良好連接。

1.2 基于CAN總線的混合電控系統(tǒng)設(shè)計

在汽車系統(tǒng)中，CAN總線技術(shù)應(yīng)用較廣泛且優(yōu)勢明顯，該技術(shù)的應(yīng)用可有效減少系統(tǒng)內(nèi)各零部件電線的連接，減少回路量。采用CAN技術(shù)的目標(biāo)為運用任意兩個CAN都可達(dá)到系統(tǒng)的兼容，其通信協(xié)議主要表達(dá)信息的傳遞方式。同時，CAN具備有限選擇權(quán)及仲裁權(quán)，一定數(shù)量的單片機可在CAN控制器上實現(xiàn)連接，并形成局域網(wǎng)。

CAN的連接和傳送方式設(shè)計：CAN代表中心系統(tǒng)的局域網(wǎng)，通過一連多的方法，完成連接總線的任務(wù)。在理論上，連接線的數(shù)量是沒有限制的；實際上通信信號延遲時間和總線電氣負(fù)載對單元數(shù)量產(chǎn)生了較大的影響。通過總線上的“線與”進(jìn)行操作處理，運用邏輯“0”代表可見電量；運用邏輯“1”代表不可見電量。CAN總線連接過程中，各線路節(jié)點的位速率是一致的，發(fā)送器在未完成同步時，其數(shù)據(jù)要進(jìn)行改變；接收器接收位值時恰好處于相位緩沖段。相位緩沖段的長度可任意設(shè)置，以保證穩(wěn)定運行。由于各節(jié)點存在差異，CAN總線利用時鐘同步技術(shù)確保通信同步性。

CAN總線漏洞檢測分析：CAN為了達(dá)到抗干擾和數(shù)據(jù)穩(wěn)定的目的，利用各種漏洞檢測措施，例如數(shù)據(jù)分析、刪減錯誤、排除錯誤等手段，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)某種錯誤時，接收站都會將“錯誤”以一種信號的方式傳送到終點站。

綜上所述，汽車混合電路電控系統(tǒng)通過運用可靠性設(shè)計原則，對電路系統(tǒng)分別進(jìn)行高壓電路及低壓電路設(shè)計，并采用CAN總線技術(shù)與電路系統(tǒng)實現(xiàn)耦合，有效地完成汽車混合電控系統(tǒng)的設(shè)計。

2 仿真實驗及結(jié)果分析

汽車電路系統(tǒng)是整個汽車系統(tǒng)的重要組成部分，為了更好地保證汽車的穩(wěn)定運行，電路系統(tǒng)須適應(yīng)環(huán)境變化并且可以長期有效、安全地工作。因此，本文提出根據(jù)可靠性原則對混合電力電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，通過運用電子電路仿真環(huán)境進(jìn)行實驗，驗證本文設(shè)計方案的可靠性。

實驗1：本文依據(jù)可靠性原則提出對汽車電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，仿真實驗選取一個靜態(tài)模型，對汽車混合電控系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真實驗。運用靜態(tài)模型進(jìn)行電路輸出電壓實驗，與本文可靠性原則電路設(shè)計方案的電路輸出電壓進(jìn)行結(jié)果比較，具體如圖3，圖4所示。

通過運用本文的可靠性原則對汽車混合電力電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，獲取電路電壓輸出曲線圖如圖3所示。從圖3中可觀察出在汽車啟動初期電壓值輸出較大，隨著系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定后，電路電壓輸出趨于平緩。圖4則是利用靜態(tài)模型模擬電路獲取的電壓輸出曲線圖，由圖4能夠看出電路輸出的模擬結(jié)果與本文可靠性原則設(shè)計方案的電壓輸出結(jié)果基本一致，且曲線方向及起伏狀態(tài)也吻合，表明本文設(shè)計方案與仿真實驗結(jié)果一致。

根據(jù)實驗環(huán)境設(shè)定，現(xiàn)對本文可靠性設(shè)計方案及靜態(tài)模型實驗法進(jìn)行電壓輸出仿真實驗，對混合電控系統(tǒng)進(jìn)行60次實驗，以每10次實驗結(jié)果為一組進(jìn)行統(tǒng)計，獲取電壓輸出值，觀察并比較輸出結(jié)果。具體如表1所示。

表1數(shù)據(jù)顯示，運用本文設(shè)計方案對汽車混合電力電控系統(tǒng)電路輸出電壓進(jìn)行統(tǒng)計，與靜態(tài)模型實驗電路輸出電壓統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行比較后，可看出輸出電壓值結(jié)果誤差非常小，表明本文設(shè)計方案與實驗結(jié)果一致，該設(shè)計方案為有效可行的設(shè)計方法。endprint

實驗2：由于汽車電力系統(tǒng)是一個復(fù)雜不穩(wěn)定的電路系統(tǒng)，因此，本文利用CAN總線技術(shù)對電路系統(tǒng)中出現(xiàn)的通信故障進(jìn)行檢測，與汽車局域網(wǎng)檢測技術(shù)的檢測結(jié)果進(jìn)行比較，驗證兩種方法檢測汽車電路通信故障的準(zhǔn)確性。實驗預(yù)先提供5組數(shù)據(jù)，5組數(shù)據(jù)中2組數(shù)據(jù)為故障數(shù)據(jù)（故障為N，無故障為Y），利用兩種方法對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行故障檢測，具體檢測結(jié)果如表2所示。

通過數(shù)據(jù)對比可看出，利用本文CAN總線技術(shù)對電路通信故障數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，其檢測通信故障數(shù)據(jù)的正確率為100%，表明汽車混合電控系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，利用本文CAN總線技術(shù)即可立即檢查出來；而利用汽車局域網(wǎng)檢測技術(shù)的正確率未能達(dá)到100%，因此，利用該技術(shù)會影響整個汽車的安全性能。

3 結(jié) 論

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車成為人們不可缺少的交通工具，在整個汽車系統(tǒng)內(nèi)電力電控系統(tǒng)成為汽車電路的重要構(gòu)成部分，于是本文以汽車電子混合電控系統(tǒng)為研究對象，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以確保汽車系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。首先，根據(jù)可靠性原則采用分布函數(shù)對汽車電路系統(tǒng)進(jìn)行量化處理，并對電路實現(xiàn)高、低壓電路設(shè)計，且同時對易受干擾的低壓電路進(jìn)行抗干擾設(shè)計；其次，采用CAN總線技術(shù)對汽車混合電控系統(tǒng)中的電路通信故障進(jìn)行實時檢測，從而實現(xiàn)汽車電子混合電力電控系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭彬.基于空燃比的汽車燃油消耗快速檢測方法[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2016，49（2）：290?296.

[2] 唐葆君，劉江鵬.中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望[J].北京理工大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2015，17（2）：1?6.

[3] 梅杰，高賜威.交通特性在電動汽車并網(wǎng)研究中的考慮[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（12）：3549?3555.

[4] 劉文超，陳國迎，宗長富，等.分布式電動汽車四輪輪轂電機驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（8）：99?106.

[5] 周成敏.汽車電路的電壓降要求及其控制方法[J].時代農(nóng)機，2016，43（1）：34?35.

[6] 周美麗，白宗文.雙軸加速度計的汽車側(cè)翻預(yù)警電路設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2015，15（8）：63?65.

[7] 錢立軍，邱利宏，辛付龍，等.插電式四驅(qū)混合動力汽車能量管理控制策略及其優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31（13）：68?76.

[8] 吳近倉.基于CAN總線的汽車檢測技術(shù)及應(yīng)用分析[J].城市建設(shè)理論研究，2015，5（27）：82.endprint