- 混合動力控制系統(tǒng)介紹
- 動力控制策略系統(tǒng)
- 狀況監(jiān)控系統(tǒng)介紹
汽車行業(yè)的快速發(fā)展促進了汽車電子行業(yè)的發(fā)展，混合動力車型(HybridElectricVehicle，HEV)作為汽車行業(yè)的新發(fā)展方向，受到了國家的重視。從技術(shù)、節(jié)能減排效果、產(chǎn)業(yè)化能力等諸多方面考慮，混合動力具備了傳統(tǒng)內(nèi)燃機和電動機的優(yōu)勢，將在較長一段時間內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢。混合動力車輛技術(shù)避免了純電動車輛在電池技術(shù)和能源基礎(chǔ)設(shè)施上的不足，成為近期新型車輛研究開發(fā)的熱點。經(jīng)過國家“863計劃”的支持與發(fā)展，我國的混合動力車輛技術(shù)正在迅速邁向產(chǎn)業(yè)化。
1混合動力控制系統(tǒng)
實現(xiàn)混合動力車共有三個關(guān)鍵因素：能夠?qū)ζ囘\行狀態(tài)詳細監(jiān)控的系統(tǒng)；分析監(jiān)控系統(tǒng)所獲取的信息，并發(fā)出相應(yīng)的控制命令；相比一般電子系統(tǒng)，混合動力車電子控制系統(tǒng)工作在車內(nèi)非常惡劣的環(huán)境，電磁干擾、振動、灰塵等都會造成技術(shù)上的瓶頸，如圖1所示。
本文對混合動力車進行了研究，系統(tǒng)地分析了混合動力車的各個重要組成部分的核心技術(shù)，提出一種經(jīng)濟實用的混合動力車的控制系統(tǒng)的設(shè)計實例。該系統(tǒng)采用了先進的計算機技術(shù)和總線技術(shù)，集智能控制、信號采集、數(shù)據(jù)處理和通信于一體，控制實時性好，實現(xiàn)了整車控制智能化和多傳感器之間的有效融合。
2動力控制策略系統(tǒng)
混合動力電動汽車由發(fā)動機和蓄電池共同提供動力，發(fā)動機和電動機可進行不同組合得到不同的驅(qū)動方案，如：串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)。整車性能的好壞不僅與發(fā)動機和電動機等部件有關(guān)，還與其控制策略和優(yōu)化方法有關(guān)。按照能源組合的方式，混合動力電動汽車可按動力驅(qū)動方式分為串聯(lián)式混合動力電動汽車(SHEV)和并聯(lián)式混合動力電動汽車(PHEV)。
本文研究對象是SHEV。SHEV的特點適合城市行駛中頻繁起動、加速和低速運行工況，可使發(fā)動機在最佳工況點附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，通過調(diào)整蓄電池和電動機的輸出來達到調(diào)整車速的目的，從而提高在復(fù)雜工況下行駛的車輛的燃油經(jīng)濟性，同時降低排放。在電池的荷電狀態(tài)(SOC)較高時還可以關(guān)閉發(fā)動機，只利用電機進行功率輸出，使發(fā)動機避免在怠速和低速工況下運行，提高發(fā)動機的效率，減少有害物質(zhì)的排放。SHEV的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
混合動力車需根據(jù)不同的行車狀況，以及動力電池的實時參數(shù)來決定其相應(yīng)的控制策略。“動力控制策略系統(tǒng)”分析和處理來自運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，判斷此時的電動機應(yīng)該處于發(fā)動機工作模式、動力電池工作模式，或者是協(xié)同工作模式，然后發(fā)出相應(yīng)的控制命令。研究表明，好的系統(tǒng)控制策略應(yīng)是使發(fā)動機工作在其最大負荷的50％～65％，同時需要兼顧汽車的動力性。
策略控制的一個重要依據(jù)是動力電池的SOC值，當SOC值處于正常工作區(qū)(30％～75％)，動力電池放電電流處于20～65A范圍內(nèi)，如果此時駕駛員對汽車加速的要求低于30％，可采用動力電池驅(qū)動車輛。當駕駛員對加速的要求為30％～65％，可利用此時發(fā)動機釋放的多余能量給動力電池充電。當駕駛員對加速的要求為65％～80％，由發(fā)動機獨立驅(qū)動汽車，直到其最大輸出功率。當加速要求大于80％，可由發(fā)動機和動力電池同時驅(qū)動車輛。
另外，需考慮到動力電池安全性和壽命，當其SOC值變化超出了上述范圍，需及時合理地發(fā)出相應(yīng)的控制命令。當SOC大于80％時，動力電池強制放電，控制系統(tǒng)需改變此時的動力混合度的比例，提高動力電池的占總輸出功率的比例，此時不再收回發(fā)動機產(chǎn)生的富裕能量。當SOC小于20％，動力電池進入強制充電模式，此時由發(fā)動機的輸出功率的一部分要用于動力電池充電，汽車此時完全由發(fā)動機驅(qū)動。
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3運行狀況監(jiān)控系統(tǒng)
“運行狀況的監(jiān)控系統(tǒng)”具備采集動力電池的電流、電壓、溫度，以及車輛的剎車信號、離合器壓力信號、行車速度等，準確地獲取這些信號是實現(xiàn)混合動力驅(qū)動汽車的關(guān)鍵所在。圖3是“運行裝況監(jiān)控系統(tǒng)”的一個結(jié)構(gòu)框圖。該系統(tǒng)采用兩片TLE4275和一片LM2577作為系統(tǒng)的供電模塊，輸入電壓為6～18V，可滿足車輛啟動和特殊情況下導致的蓄電池輸出電壓不穩(wěn)定而導致的監(jiān)控系統(tǒng)癱瘓。
3．1信號通道
處理器系統(tǒng)將采集到的各種信號進行處理后，送至上層的動力策略控制系統(tǒng)，并且上層的控制信號也要傳送至底層。本系統(tǒng)采用兩路CAN收發(fā)器完成這一任務(wù)。采用CAN總線技術(shù)，不僅組網(wǎng)自由，擴展性強，實時性好，可靠性高，而且具有自診斷和監(jiān)控能力，它是一種十分有效的通信方式。
CAN總線具有以下特點：
(1)無破壞性地基于優(yōu)先權(quán)競爭的總線仲裁；
(2)可借助接收濾波的多地址幀傳送；
(3)具有錯誤檢測與出錯幀自動重發(fā)送功能；
(4)數(shù)據(jù)傳送方式可分為數(shù)據(jù)廣播式和遠程數(shù)據(jù)請求式。
另外，系統(tǒng)還具有一路RS232收發(fā)器，主要用于設(shè)計過程中的調(diào)試和產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢查。
3．2電池電壓和溫度的測量
動力電池電壓的測量方式取決于動力電池的具體情況，本系統(tǒng)采用鎳氫電池，可分為12組電池，每一組電池包括10節(jié)小電池，每節(jié)電池電壓1．2V，所以每組電壓為12V，總電壓為144V。為確保測量系統(tǒng)適用于不同的工作狀況，尤其是考慮到充電時電池電壓會適當上升，特殊情況時電壓可能達到20V，因此設(shè)計的測量范圍應(yīng)為0～20V。
溫度的測量采用數(shù)字溫度傳感器DS1860，這種傳感器可以采用多路傳感器，共一條數(shù)據(jù)線和一條電源線以及一條地線，具備操作簡單，占用輸入口少的優(yōu)點。
3．3充放電電流測量
動力電池充放電的大電流的測量可采用兩種方式，最常見的就是采用霍爾傳感器。因此選擇合適的霍爾傳感器是精確測量電路的關(guān)鍵。霍爾傳感器的磁場靈敏度或者稱磁場的開起點要與電機型號和結(jié)構(gòu)相匹配。不同的電機型號和不同的電機設(shè)計結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁場有不同的磁場分布和磁場分布漲落。如果霍爾傳感器的磁靈敏度太高或者太低，由于轉(zhuǎn)子磁鋼和磁鋼縫隙磁場分布的不規(guī)則漲落，會導致位置傳感器給出錯誤的信號。
此外，還要考慮霍爾傳感器芯片的抗靜電能力，霍爾傳感器芯片的抗浪涌電壓或抗浪涌電流能力。本文研究的系統(tǒng)采用型號為UGN3503UA的霍爾傳感器。在測量電路的設(shè)計中需注意的是該傳感器的輸出為毫安級電流，因此必須選擇合適的輸入電阻將其轉(zhuǎn)化為電壓信號，并采用精度較高的放大、采樣電路。表1是本系統(tǒng)的一次實驗結(jié)果。
燃油成本的提高和人們環(huán)保意識的增強，使混合動力不再是高成本的代名詞。目前國內(nèi)尚無自主產(chǎn)權(quán)的混合動力車型上市，因此本文對混合動力車的研究不僅為國內(nèi)同行的研究工作提供了一些經(jīng)驗，還具有打破國外技術(shù)壟斷的作用，且混合動力車因具備經(jīng)濟實用的特點，相信混合動力的使用市場將會越來越大，應(yīng)用前景也會越來越廣闊。
