基于單片機(jī)的HEV動(dòng)力耦合策略仿真分析

方瑞蓮

摘要：本文針對(duì)并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車在滿足駕駛性能和車輛動(dòng)力要求的前提下提高經(jīng)濟(jì)性及減少排放污染，在不同工況下發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的最佳工作效率區(qū)間，對(duì)HEV動(dòng)力匹配參數(shù)計(jì)算及分析。建立系統(tǒng)模型，結(jié)合實(shí)際設(shè)定車輛各種模式動(dòng)力參數(shù)匹配，根據(jù)設(shè)定目標(biāo)值制定HEV動(dòng)力耦合控制策略，基于單片機(jī)、Keil等軟件技術(shù)進(jìn)行編寫程序并進(jìn)行系統(tǒng)仿真分析。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車;動(dòng)力耦合;單片機(jī);仿真

0 ?引言

當(dāng)前汽車保有量的急劇增長(zhǎng)，使得汽車尾氣導(dǎo)致的環(huán)境污染問(wèn)題和傳統(tǒng)汽車對(duì)能源的大量消耗引起的能源短缺問(wèn)題成為了當(dāng)今社會(huì)急需解決的難題?！肮?jié)能”與“環(huán)保”成為當(dāng)下熱門話題，新能源汽車的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)汽車的困境，為汽車的發(fā)展指明了新的道路?；旌蟿?dòng)力汽車（HEV）兼具傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)動(dòng)力傳動(dòng)路徑和控制端口不一樣，可以分為串聯(lián)混合、并聯(lián)混合、串聯(lián)-并聯(lián)混合以及復(fù)雜混合四種類型。并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與電動(dòng)機(jī)相互獨(dú)立又相互依存，在不同的路面上既可以共同驅(qū)動(dòng)又可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，并且通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)動(dòng)機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)車輪，這種裝置機(jī)械效率損耗與普通汽車相仿，因而得到比較廣泛的應(yīng)用[1]。

HEV動(dòng)力耦合控制系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車的核心部分，本文基于單片機(jī)、Keil等相關(guān)編程軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理、計(jì)算及仿真，使車輛在不同工況下都有相應(yīng)的工作模式。研究與分析汽車各工況下動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)汽車的動(dòng)力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性能以及電池能量維持的影響，利用數(shù)據(jù)對(duì)比的方式來(lái)匹配優(yōu)化，確定合理的動(dòng)力耦合策略方案，使得汽車在不同工況下得到較理想的動(dòng)力性能和經(jīng)濟(jì)性能。

1 ?建立系統(tǒng)模型

1.1 動(dòng)力系統(tǒng)

混合動(dòng)力汽車的核心是動(dòng)力，對(duì)于動(dòng)力耦合控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它可以綜合發(fā)動(dòng)機(jī)輸入功率和電機(jī)輸出功率的不同特性使它們周期性地傳遞到耦合裝置上，而耦合裝置的動(dòng)力和電源系統(tǒng)的輸出之間沒(méi)有干擾。

并聯(lián)式HEV動(dòng)力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)組、動(dòng)力電池和機(jī)械耦合裝置，傳動(dòng)效率高、可回收制動(dòng)能量，發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)依靠傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)總成之間采用耦合裝置，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在大型車輛上的布置有一定的局限性僅適用于中小型車輛，可在不同類型的道路上行駛，性能接近傳統(tǒng)車輛[2]。并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

1.2 耦合目標(biāo)參數(shù)分析

本文研究的動(dòng)力耦合主要參數(shù)有發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電動(dòng)機(jī)參數(shù)及相關(guān)傳動(dòng)比。根據(jù)前面提及的控制思想，汽電驅(qū)動(dòng)力與車速的關(guān)系如圖2所示。

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)功率

根據(jù)動(dòng)力耦合控制策略，發(fā)動(dòng)機(jī)功率對(duì)于汽車的動(dòng)力總成及其重要。本文研究設(shè)計(jì)的并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車采用由發(fā)動(dòng)機(jī)提供汽車平均行駛功率，由電動(dòng)機(jī)提供峰值功率的控制策略。其功率值的選擇主要考慮汽車勻速行駛時(shí)的功率需求，可按下式初選發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率[3]：

式（1）中，Pemax為發(fā)動(dòng)機(jī)最大輸出功率;m為整車質(zhì)量;V*為汽車勻速行駛車速，結(jié)合我國(guó)汽車和路況實(shí)際狀況，V*的取值應(yīng)滿足：Vever≤V*<Vmax（Vever為汽車經(jīng)常行駛時(shí)的平均車速，Vmax為最高車速）;f為滾動(dòng)阻力系數(shù);CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積，ηT為動(dòng)力傳動(dòng)系機(jī)械效率。

1.2.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇

根據(jù)動(dòng)力耦合控制策略，在并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車傳動(dòng)系中，電動(dòng)機(jī)主要為汽車提供峰值功率，因此其功率參數(shù)的選擇要由具體汽車的加速性能要求決定。

電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速和最高轉(zhuǎn)速的選擇：

nmr=nmmax/β ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

Pmr=Tmrnmr/9550 ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，nmr為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速;nmmax為電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速;β為電動(dòng)機(jī)擴(kuò)大恒功率區(qū)系數(shù)（取值4～6）;Pmr為電動(dòng)機(jī)額定功率;Tmr為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩。

并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算如下：

式中，Pe（v）為發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率（kW）;it為變速器傳動(dòng)比;im為轉(zhuǎn)矩合成裝置速比。

以某款混合動(dòng)力轎車為例，其主要參數(shù)見(jiàn)表1。

2 ?HEV動(dòng)力耦合策略

2.1 工作模式

并聯(lián)混合動(dòng)力汽車有發(fā)動(dòng)機(jī)和電池兩個(gè)動(dòng)力源，在不同工況下均使車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放等性能理想化，即存在以下幾種模式以最優(yōu)動(dòng)力輸出策略驅(qū)動(dòng)。

①純電動(dòng)模式：當(dāng)汽車處于輕載、低速等工況并且電池電量充足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)停止工作，由電池（電機(jī)）單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車。

②純發(fā)動(dòng)機(jī)模式：在車輛處于中等負(fù)荷且車速較高時(shí)，由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車。

③混合驅(qū)動(dòng)模式：在急加速、爬坡等大負(fù)荷工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)及電池（電機(jī)）同時(shí)輸出。但有特殊情況，若電池電量過(guò)低，為了保護(hù)電池，只能由發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。

④行車充電模式：在車輛正常行駛途中，若電池電量過(guò)低，發(fā)動(dòng)機(jī)除了驅(qū)動(dòng)車輛外，還要對(duì)電池充電。

⑤再生制動(dòng)模式：當(dāng)汽車減速、制動(dòng)時(shí)，電機(jī)在保證制動(dòng)安全的前提下回收制動(dòng)能量，剩余的能量由機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)消耗掉，大大提高了能量利用率。

⑥怠速停車模式：在怠速、停車模式中，系統(tǒng)通常關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)以降低消耗，但如果這時(shí)電池電量過(guò)低，則會(huì)保持發(fā)動(dòng)機(jī)不間斷工作狀態(tài)為動(dòng)力電池充電。

2.2 控制策略分析

HEV動(dòng)力系統(tǒng)在不同工況下輸出相應(yīng)的動(dòng)力匹配，確保車輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放等性能，滿足上述各種模式。這種控制策略極大的發(fā)揮了發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的最佳工作效率區(qū)間，當(dāng)車速較高有助于發(fā)動(dòng)機(jī)有效工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)可避免純電動(dòng)高速行駛時(shí)電池的快速放電損失。控制策略是由汽車的不同反饋信號(hào)來(lái)控制的，主要信號(hào)包括電池的SOC值、汽車的行駛速度、驅(qū)動(dòng)輪的扭矩、溫度傳感器等等，通過(guò)整合傳感信號(hào)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的耦合輸出?？刂撇呗匀鐖D3。

本文是基于以速度、扭矩為主要參數(shù)的單片機(jī)控制策略，它利用車輛速度、扭矩的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力汽車各種工作模式的切換。功率、扭矩、車速轉(zhuǎn)化公式如下：

式（7）中P為汽車輸出功率;F為沿速度正方向的作用力;V為車速。

式（8）中M為扭矩;L為力臂。

由上式可知汽車在路況良好工作穩(wěn)定的工況下動(dòng)力系統(tǒng)輸出扭矩M不變，車速V隨動(dòng)力系統(tǒng)輸出功率P的變化而呈一定比例變化。如果汽車在急加速、爬坡等惡劣工況下工作時(shí)車速V不隨功率P呈一定比例變化，此時(shí)扭矩M便會(huì)增大以平衡等式。

仿真設(shè)定扭矩M的優(yōu)先級(jí)高于速度V很好的解決了速度與扭矩之間的矛盾。故在設(shè)定控制參數(shù)時(shí)，首先設(shè)定一個(gè)額定速度N、扭矩M。當(dāng)扭矩低于M時(shí)，此時(shí)速度低于N時(shí)模擬驅(qū)動(dòng)電機(jī)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)速度高于N時(shí)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且當(dāng)N=0這一特殊情況（怠速）下電機(jī)均不驅(qū)動(dòng)。當(dāng)扭矩高于M時(shí)，模擬發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)的直流電機(jī)均驅(qū)動(dòng)。由于扭矩不易在模型中實(shí)現(xiàn)，故用按鍵代替扭矩的變化。當(dāng)按鍵電路接通時(shí)代表汽車所需要的扭矩大于M，反之則代表汽車所需要的扭矩小于M。

2.3 HEV動(dòng)力耦合控制流程

程序控制流程對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，其決定了系統(tǒng)對(duì)于能量利用率、行車舒適度的上限，控制流程詳見(jiàn)圖4。

①發(fā)動(dòng)機(jī)故障切換至純電機(jī)工作模式;②電機(jī)故障切換至純發(fā)動(dòng)機(jī)工作、蓄電池充電模式;③動(dòng)力電池電量偏低切換至發(fā)動(dòng)機(jī)工作、行車充電模式;④檢測(cè)到爬坡、急加速等，切換至雙動(dòng)力工作模式;⑤車速為零切換至怠速模式;⑥車速小于45km/h大于零切換至純電機(jī)工作模式;⑦車速大于等于45km/h切換至純發(fā)動(dòng)機(jī)工作模式、蓄電池充電模式。

3 ?仿真及分析

3.1 仿真系統(tǒng)編程

HEV動(dòng)力耦合控制策略，即對(duì)電池容量、發(fā)動(dòng)機(jī)功率、電機(jī)功率進(jìn)行選擇與匹配，基于單片機(jī)、Keil軟件技術(shù)對(duì)各種模式的數(shù)據(jù)數(shù)理及分析匹配最佳動(dòng)力輸出，根據(jù)預(yù)期目標(biāo)制動(dòng)相應(yīng)的控制策略進(jìn)行編寫程序[4]。

單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的功能集成到一個(gè)體積較小，同時(shí)功能比較完善的微型計(jì)算機(jī)中，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理[5]。仿真系統(tǒng)由AT89c52單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)，有數(shù)碼管、LCD等顯示模塊，由紅外測(cè)速模塊及按鍵模塊等組成。其中最小系統(tǒng)晶振電路由12MHz晶振X1和兩個(gè)22pF的電容C1、C2共同構(gòu)成，晶振分別接單片機(jī)的XTAL1、XTAL2管腳。復(fù)位電路由1k電阻R2、10uF電容C3和開(kāi)關(guān)組成，其中C1一端連接在單片機(jī)9管腳RST上，電容的另一端接電源正極VCC，最后兩個(gè)電路之間要串聯(lián)一個(gè)4.7k的保護(hù)電阻。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖5。

仿真系統(tǒng)以AT89c52單片機(jī)為控制中心，由Keil軟件生成程序代碼。創(chuàng)建過(guò)程中需要嚴(yán)格遵守程序流程，完成后如果編譯程序錯(cuò)誤可修改后重新編譯，Keil的界面圖由菜單欄、項(xiàng)目窗口和文檔編輯窗口組成[5]。Keil操作界面如圖6。

控制程序（截取main.c一部分）

#include <reg52.h>//此文件中定義了單片機(jī)的一些特殊功能寄存器

#include "lcd.h" //LCD1602頭文件

typedef unsigned char u8;//對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行聲明定義

sbit m1 = P1^4;//電機(jī)控制引腳

sbit m2 = P1^5;

sbit red = P1^0;//發(fā)動(dòng)機(jī)故障信號(hào)輸入sbit green = P1^1;//電機(jī)故障信號(hào)輸入 sbit mm = P1^3;//強(qiáng)扭矩控制

sbit nn = P1^2;//行車充電

//--定義lcd1602顯示英文--//

u8 code Disp0[]="welcome to cars！";//歡迎使用

u8 code Disp1[]="all going well！ ";//一切正常

u8 code Disp2[]="engine failure！ ";//發(fā)動(dòng)機(jī)故障

u8 code Disp3[]="the motor work！ ";//電機(jī)工作

u8 code Disp4[]="motor failure！ ?";//電機(jī)故障

u8 code Disp5[]="the engine work！";//發(fā)動(dòng)機(jī)故障

u8 code Disp6[]="out of power！ ? ";//電量過(guò)低

u8 code Disp7[]="be charging！ ? ?";//行車充電

u8 code Disp8[]="increase torque！";//增扭

u8 code Disp9[]="all work！ ? ? ? ";//（發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)）均工作

//--定義全局變量--//

unsigned long ? Freq;

unsigned long TimeCount;

u8 speed;

u8 s;

u8 ww;

/*******************************************

*函數(shù)名 ：dianji

*功 ?能 ：在不同工況下，控制電機(jī)的啟停 *******************************************/

void dianji（）

{

if（red == 0）

{

m1 = 1;

m2 = 0;

}

else

if（green == 0）

{

m1 = 0;

m2 = 1;

}

else

if（mm == 0）

{

m1 = 0;

m2 = 0;

}

else

if（nn == 0）

{

m1 = 0;

m2 = 1;

}

else

{

if（speed <= 3）

{

m1 = 1;

m2 = 1;

}

else

if（speed <= 45）

{

m1 = 1;

m2 = 0;

}

else

{

m1 = 0;

m2 = 1;

}

}

}

3.2 仿真與測(cè)試

模塊化設(shè)計(jì)把復(fù)雜的算法或程序分解成獨(dú)立的、可供其他程序調(diào)用的模塊，由順序、選擇、循環(huán)三種基本結(jié)構(gòu)組成，可以獨(dú)立地對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試、修改和擴(kuò)充不影響其他模塊或整個(gè)程序結(jié)構(gòu)[6]?；谀K設(shè)計(jì)原則，當(dāng)仿真出錯(cuò)或仿真現(xiàn)象與設(shè)計(jì)不符，可根據(jù)錯(cuò)誤提示或仿真現(xiàn)象修改源程序或原理圖直至符合要求。系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，LCD數(shù)碼管動(dòng)態(tài)刷新數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示紅外傳感器測(cè)得的車速。

3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)故障測(cè)試

在系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)按下模擬故障按鍵，此時(shí)系統(tǒng)接收發(fā)動(dòng)機(jī)故障信號(hào)自動(dòng)切換至電機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，代表電動(dòng)機(jī)工作的紅色LED小燈點(diǎn)亮，代表發(fā)動(dòng)機(jī)工作的綠色LED小燈熄滅，并且LCD顯示engine failure！ the motor work?。òl(fā)動(dòng)機(jī)故障！電機(jī)工作！），系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入程序設(shè)定的應(yīng)對(duì)策略。

3.2.2 電動(dòng)機(jī)故障測(cè)試

在系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)按下模擬電機(jī)故障按鍵，此時(shí)系統(tǒng)接收電機(jī)故障信號(hào)自動(dòng)切換至發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)，紅色LED小燈熄滅綠色LED小燈點(diǎn)亮，此時(shí)LCD顯示motor failure！ the engine work?。姍C(jī)故障！發(fā)動(dòng)機(jī)工作！），系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入程序設(shè)定的應(yīng)對(duì)策略。

3.2.3 行車充電仿真測(cè)試

在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)按下模擬電池電量低（低于設(shè)定值）按鍵，此時(shí)系統(tǒng)接收動(dòng)力電池電量過(guò)低信號(hào)自動(dòng)切換至發(fā)動(dòng)機(jī)工作，系統(tǒng)進(jìn)入行車充電狀態(tài)紅色LED小燈熄滅綠色LED小燈點(diǎn)亮，此時(shí)LCD顯示out of power！ be charging?。娏窟^(guò)低！正在充電?。┫到y(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入程序設(shè)定的應(yīng)對(duì)策略——行車充電模式。

3.2.4 爬坡、加速性能仿真測(cè)試

在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下按下模擬爬坡/加速按鍵，此時(shí)系統(tǒng)判定汽車正處于爬坡、加速工況自動(dòng)切換至發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)共同工作模式紅色、綠色小燈均點(diǎn)亮，為汽車的行駛提供大扭矩的輸出，此時(shí)LCD顯示increase torque！all work?。ㄔ黾优ぞ?！均工作！），系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入程序設(shè)定的應(yīng)對(duì)策略——增扭工作模式。

3.2.5 動(dòng)力切換模式

在系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，當(dāng)車速V等于0時(shí)汽車處于怠速模式雙動(dòng)力均不工作，紅色、綠色LED小燈均熄滅，LCD會(huì)顯示welcome to cars！ all going well?。g迎使用，一切正常?。┐硐到y(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入程序設(shè)定的應(yīng)對(duì)策略——怠速模式。

當(dāng)車速大于0小于45km/h時(shí)，汽車處于純電動(dòng)工作模式紅色LED小燈點(diǎn)亮、綠色LED小燈熄滅。LCD會(huì)顯示welcome to cars！ all going well！（歡迎使用，一切正常！）代表系統(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入程序設(shè)定的應(yīng)對(duì)策略——純電動(dòng)模式。

當(dāng)車速大于等于45km/h時(shí)，汽車處于發(fā)動(dòng)機(jī)巡航模式紅色LED小燈熄滅、綠色LED小燈點(diǎn)亮。LCD會(huì)顯示welcome to cars！ all going well?。g迎使用，一切正常?。┐硐到y(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入程序設(shè)定的應(yīng)對(duì)策略——巡航模式。

仿真結(jié)果測(cè)試可以按照設(shè)定程序進(jìn)行，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 ?小結(jié)

HEV動(dòng)力耦合匹配，直接影響汽車動(dòng)力性能，本文基于單片機(jī)編程軟件對(duì)并聯(lián)式HEV的動(dòng)力耦合模擬仿真，仿真分析結(jié)果對(duì)HEV動(dòng)力耦合控制策略及汽車性能優(yōu)化有一定的參考價(jià)值。欲對(duì)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化還需考慮更多因素，如汽車的經(jīng)濟(jì)性能、排放性、電池壽命、能源環(huán)保以及配件可靠、成本等各因素，并針對(duì)汽車各部件的特性進(jìn)行綜合控制。

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