混合動力電控系統(tǒng)設(shè)計與測試分析

宋曉雯

（雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625000）

近年來，各國對環(huán)境保護的重視程度日益加深，人們的節(jié)能環(huán)保意識也不斷提升?；旌蟿恿ζ嚥粌H可以減少燃燒消耗，降低污染，還具有傳統(tǒng)燃油車的技術(shù)優(yōu)勢，適用性較強。混合動力汽車可在發(fā)動機、電動機等主要部件之間的實現(xiàn)能量的合理分配，有效提高了整車的運行效率。電控系統(tǒng)是混合動力汽車的關(guān)鍵，是整車性能的基本保證。

與其他類型的混合動力汽車相比，并聯(lián)式混合動力汽車可以實現(xiàn)電動機和發(fā)電機獨立驅(qū)動，也可采用油電混合動力進行驅(qū)動。借助混合動力電動系統(tǒng)，在燃油車上容易實現(xiàn)混合動力驅(qū)動，可以在驅(qū)動橋上直接加裝驅(qū)動電機。在車速不高，且車速變化不大時采用發(fā)動機驅(qū)動，在高速行駛或加速狀態(tài)下，采油混合動力驅(qū)動，增大扭矩。

1 混合動力電控系統(tǒng)功能需求

電控系統(tǒng)是混合動力汽車控制的關(guān)鍵，電控系統(tǒng)的運行狀態(tài)直接決定混合動力汽車系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。在進行混合動力電控系統(tǒng)設(shè)計時，必須滿足以下功能需求。

（1）電子控制單元通過傳感器控制加速踏板、制動踏板、離合器，接收傳感器傳輸?shù)男盘柌⑦M行計算和處理，操作車輛行駛。在進行電路設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)傳感器的類型進行區(qū)別配置，并根據(jù)性能要求做好芯片和引腳的配置。

（2）能夠按照要求完成混合動力系統(tǒng)各組成部分電路的構(gòu)建。

（3）換向閥的管控是通過液壓混合動力和電液比例放大器之間的通訊關(guān)聯(lián)，控制和調(diào)整位移電液比實現(xiàn)的。

（4）建立總線通訊，實時收集發(fā)動機的各項運行數(shù)據(jù)，分析處理后對系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整。如根據(jù)發(fā)動機工況，對發(fā)動機扭矩進行調(diào)整，使車輛能適應(yīng)各類路況。

2 混合動力電控系統(tǒng)設(shè)計

混合動力汽車電控系統(tǒng)設(shè)計包括驅(qū)動電路、主控電路、輔助電路和系統(tǒng)保護電路等，總體設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 混合動力電控系統(tǒng)硬件總體設(shè)計示意圖

2.1 電控系統(tǒng)單片機選型

為了確保混合動力電控系統(tǒng)平穩(wěn)運行，本系統(tǒng)主控芯片選用飛思卡爾MC9S 12XDP512。電控單片機最小系統(tǒng)包括時鐘電路、上電復(fù)位電路、背景調(diào)試模式（Background Debug Mode, BDM）接口電路和單片機電源引腳抗干擾電路，每一部分控制系統(tǒng)部分功能，綜合發(fā)揮系統(tǒng)的整體功能。時鐘電路采用16 MHz石英晶體振蕩器，在工作過程中可通過輸出引腳晶振復(fù)位所有設(shè)備的時鐘輸入頻率。上電復(fù)位電路通過單片機輸出的復(fù)位信號，對電子控制單位進行控制。BDM接口電路可以將控制程序下載到微控制器，單片機電源引腳抗干擾電路可有效去除電源干擾信號，提高電控系統(tǒng)輸入和輸出信號的準(zhǔn)確性。

2.2 電源電路設(shè)計

可靠穩(wěn)定的電源電路，是混合動力電控系統(tǒng)各部件功能正常發(fā)揮的基本保證。研究中選用轉(zhuǎn)向電源芯片，其工作溫度閡值區(qū)間較大，輸入電壓和輸出電流值不僅可滿足系統(tǒng)要求，還可最大限度地降低浪涌電壓系統(tǒng)電源的影響，有效提高了系統(tǒng)硬件的抗干擾性。

發(fā)電機工作過程中，電壓的變化會對電控系統(tǒng)工作產(chǎn)生影響，進而降低控制進度。電源電壓的變化幅度較大，最高可達到30 V，已經(jīng)超出了單片機轉(zhuǎn)換過程中可以測量的電壓變化幅度。為了降低電源對系統(tǒng)工作的干擾，將電壓轉(zhuǎn)換為0 V～5 V后，然后輸入單片機接口進行進一步測試，測試電路如圖2所示。

圖2 電源測試電路

2.3 輸入信號調(diào)理電路設(shè)計

開關(guān)量信號調(diào)理電路的功能是配合電控系統(tǒng)控制各組成部分的啟動、空擋等，為了抵抗外部干擾，在應(yīng)用RC低通濾波器的基礎(chǔ)上，還可實現(xiàn)在開關(guān)環(huán)節(jié)對強脈沖干擾信號進行濾除。此外，開關(guān)量信號調(diào)理電路還通過應(yīng)用光電隔離策略降低信號干擾，通過單向傳輸?shù)姆绞?，使信號采集和調(diào)理電路分開工作，有效防止干擾信號傳入，有效提高輸入信號的質(zhì)量。

模擬量信號調(diào)理電路是對系統(tǒng)內(nèi)部的電壓和電流模擬信號進行分析和處理，對蓄能器壓力、制動和加速等信號進行控制。通過分析各類傳感器傳輸回來的模擬信號，分析系統(tǒng)各部件的工作狀態(tài)，調(diào)理后滿足混合動力汽車的起步、停車以及加速行駛要求。脈沖信號調(diào)理電路主要是對速度和電機傳感器輸入的脈沖信號進行分析和處理，濾除高頻干擾信號，經(jīng)削波測量信號處理、信號放大后脈沖信號的性能進行分析。

2.4 執(zhí)行電路設(shè)計

執(zhí)行電路是將控制信號傳輸?shù)交旌蟿恿﹄娍叵到y(tǒng)各個主要部件，控制各部分正常工作。執(zhí)行電路通過智能低壓側(cè)開關(guān)及單片機的通信接口控制系統(tǒng)各主要部件，智能低壓側(cè)開關(guān)可在短時間內(nèi)控制各部件的開關(guān)。

3 混合動力電控系統(tǒng)功能測試

3.1 測試設(shè)備

混合動力電控系統(tǒng)核心控制裝置主要包括控制器、儲能單元、控制板、電腦。電控系統(tǒng)功能測試試驗臺主要包括控制平臺、發(fā)動機控制執(zhí)行器、測量傳感器、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)等，傳感器主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器?；旌蟿恿﹄娍叵到y(tǒng)功能測試試驗主要包括發(fā)動機起動控制和再生制動控制試驗。

3.2 發(fā)動機起動控制試驗

發(fā)動機起到控制試驗分兩次進行，兩次液壓起動試驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 第一次液壓起動試驗結(jié)果

首次啟動時蓄能器還沒有儲存足夠的壓力，發(fā)動機起動主要為液壓起動，啟動后控制系統(tǒng)通過釋放蓄能器壓力驅(qū)動馬達運轉(zhuǎn)，開展試驗工作。發(fā)動機起動后，蓄能器的壓力變化是連續(xù)的，不是間斷的，蓄能器壓力經(jīng)歷了一個不斷下降的變化趨勢。

圖4 第二次液壓起動試驗結(jié)果

分析圖4所示試驗曲線，可以得出蓄能器的壓力下降呈現(xiàn)連續(xù)、均勻的趨勢，處于一個穩(wěn)定的狀態(tài)。這說明控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)精確控制，根據(jù)發(fā)動機工作需要合理控制蓄能器壓力。綜合分析上述兩次液壓起動試驗曲線變化趨勢，平均啟動時間滿足設(shè)計要求，說明混合動力電控系統(tǒng)可以及時平穩(wěn)的啟動發(fā)動機。

3.3 再生制動控制試驗

混合動力電控系統(tǒng)再生制動控制試驗開展前，首先設(shè)定測功機轉(zhuǎn)速為600 r/min，安全閥和蓄能器充氣壓力值分別為21 MPa和12 MPa。由于再生制動控制試驗過程中，發(fā)動機不會噴油，動力主要來源于測功機，驅(qū)動液壓泵工作。再生制動控制試驗也分兩次進行，兩次試驗結(jié)果如圖5和圖6所示。分析圖5和圖6試驗曲線變化情況，兩次試驗各試驗參數(shù)均滿足設(shè)計要求，說明混合動力電控系統(tǒng)可以滿足車輛動力需求。

圖5 第一次再生試驗結(jié)果

圖6 第二次再生試驗結(jié)果

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)的燃油車相比，混合動力汽車具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，而電控系統(tǒng)是車輛正常運行的基本保障?；旌蟿恿﹄娍叵到y(tǒng)首先應(yīng)做好各組成部分電路的構(gòu)建，按照要求布設(shè)傳感器，建立總線通訊，及時收集發(fā)動機和電動機運行過程中的各項數(shù)據(jù)，精確掌握車輛的運行狀態(tài)。為了保證混合動力電控系統(tǒng)高效運行，根據(jù)系統(tǒng)需要合理選配單片機，進行主控電路、執(zhí)行電路、電源電路和信號輸入電路的設(shè)計。為了準(zhǔn)確確定混合動力 電控系統(tǒng)的功能，分別在試驗臺對發(fā)動機起動控制和再生制動控制開展試驗，得出系統(tǒng)各參數(shù)均達到了設(shè)計要求，電控系統(tǒng)可以滿足混合動力汽車動力需求。