混合动力汽车整车控制器开发

２００９年第３０卷第６期中北大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．６２００９（总第１２８期）﹢﹨﹪﹫﹦﹫﹨﹤﹪﹫﹢（﹢﹢﹤﹫﹦﹤﹦﹦﹥﹫﹫）（ＳｕｍＮｏ．１２８）文章编号：１６７３３１９３（２００９）０６０５３００６混合动力汽车整车控制器开发张亚明，何洪文，张晓伟（北京理工大学电动车辆国家工程实验室，北京１０００８１）摘要：以某ＩＳＧ（起动机燉发电机一体化）型混合动力汽车为对象，对车辆转矩需求、发动机工作区优化和整车控制策略进行了分析，并开发了基于ＭＣ９Ｓ１２ＤＰ２５６的整车控制器硬软件系统．进行了实车实验，实现了发动机启动、纯发动机驱动、混合驱动、驻车充电等多种工作模式，证明了该整车控制器和控制策略的有效性和可靠性．关键词：混合动力汽车；整车控制器；能量分配策略中图分类号：Ｕ４６４．１文献标识码：Ａ﹥┋━┄┅│┃┉┄━﹤┄┃┉┇┄━┃┉┄┇﹪﹦┈ＺＨＡＮＧＹａｍｉｎｇ，ＨＥＨｏｎｇｗｅｎ，ＺＨＡＮＧＸｉａｏｗｅｉ（ＮａｔｉｏｎａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）﹢┈┉┇┉：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｔｏｒｔｕｒｅｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｒ，ｅｎｇｉｎｅｏｐｅｒａｔｉｎｇａｒｅａｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙ（ＥＭＳ）ｏｆａｎｈｙｂｒｉｄｅｃｌｅｃｔｉｃｖｅｈｉｃｌｅ（ＨＥＶ），ｔｏｇｅｔｈｅｒｗｉｔｈｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ（ＶＣＵ）ｂａｓｅｄｏｎＭＣ９Ｓ１２ＤＰ２５６ｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅＩＳＧ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｒｔｅｒａｎｄＧｅｎｅｒａｔｏｒ）ＨＥＶ．Ｓｅｖｅｒａｌｗｏｒｋｉｎｇｍｏｄｅｓｓｕｃｈａｓｅｎｇｉｎｅｓｔａｒｔ，ｅｎｇｉｎｅｄｒｉｖｅ，ｈｙｂｒｉｄｄｒｉｖｅａｎｄｐａｒｋｉｎｇｃｈａｒｇｅｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｐｒｏｖｅｔｈａｔｔｈｅＶＣＵａｎｄｔｈｅＥＭＳａｒｅｖａｌｉｄａｔｅｄａｎｄｃｒｅｄｉｂｌｅ．┎┌┄┇┈：ｈｙｂｒｉｄｅｃｌｅｃｔｉｃｖｅｈｉｃｌｅ；ｖｅｈｉｃｌｅｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ；ｅｎｅｒｇｙｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｙ０引言混合动力汽车将发动机、电机和动力电池组合在一起，可发挥内燃机汽车和电动汽车的优点，是减少石油消耗和二氧化碳排放的有效技术途径之一［１］．众多的混合动力汽车方案中，ＩＳＧ型轻度混合动力汽车使用电动机取代发动机原有飞轮，直接与发动机曲轴相连，通过ＩＳＧ实现汽车发动机怠速停机、功率补偿、制动能量回收等功能，具有对原车技术继承性好、实施方便、适用范围广等优点［２］．在混合动力汽车开发中，原型车发动机ＥＣＵ的接口往往不开放，需要开发电子节气门系统实现发动机控制．能量分配策略是混合动力整车控制的核心，基于能量分配策略确定发动机和电动机各自的转矩（功率）输出需求［３］．整车控制器是混合动力汽车的关键部件，根据驾驶员的操作、加速踏板位置、车速和发动机转速、水温等参数，按照能量分配策略，使发动机和电动机输出相应的转矩（或功率），以满足驱动轮驱动力矩的要求，并实现柴油收稿日期：２００９０１２０作者简介：张亚明（１９７９），男，博士生．主要从事混合动力汽车整车控制和控制策略优化研究．机、电机、蓄电池和传动系统的优化匹配［４］．１混合动力汽车系统分析图１ＩＳＧ混合动力汽车结构示意图﹨．１ＤｉａｇｒａｍｏｆＩＳＧＨＥＶ所研究的混合动力汽车系统结构如图１所示，是典型的ＩＳＧ型单轴并联式结构．由电子节气门及节气门控制器构成的电子节气门系统，取代了原来的汽油机节气门，电子节气门结合发动机ＥＣＵ开关，实现对发动机的控制．整车具有“纯汽油机驱动、混合动力驱动、ＩＳＧ反拖发动机启动、再生制动、驻车充电”等工作模式．整车控制器、节气门控制器、电机控制器、电池管理系统和人机显示系统构成了一个５节点ＣＡＮ总线网络，采用基于Ｊ１９３９的ＣＡＮ２．０协议进行通信．１．１车辆转矩需求分析与传统汽车类似，驾驶员通过加速踏板反映其驱动转矩需求．驾驶员驱动需求转矩爴ｄ由式（１）计算［５］爴ｄ＝犜（爴ｅｍａｘ＋爴ｍｍａｘ），（１）式中：犜是加速踏板开度（０～１００）；爴ｅｍａｘ，爴ｍｍａｘ是发动机和电机在当前转速下的最大转矩．对于混合动力汽车而言，必须要防止动力电池组的过放，因此，要根据电池组的爳爭爞值决定是否需要对电池组进行充电．按式（２）计算电池组的充电需求电流．爤ｃｈｇ＝爤ｃｈｇｍａｘ爳爭爞∈［０，３０］，０．５－爳爭爞０．５－０．３爤ｃｈｇｍａｘ爳爭爞∈［３０，５０］，烅烄烆０爳爭爞∈［５０，１００］．（２）式中：爤ｃｈｇｍａｘ是电池组最大允许充电电流；爳爭爞是当前电池组的荷电状态，那么所需要的充电转矩爴ｃｈｇ＝９．５４９爺爤ｃｈｇ燉牕，（３）式中：爺为ＩＳＧ电机控制器直流端电压；牕为ＩＳＧ电机转速．因此总转矩需求爴ｒ＝爴ｄ＋爴ｃｈｇ．（４）图２发动机特性图﹨．２Ｅｎｇｉｎｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｍａｐ１．２发动机工作区优化从发动机的工作特性可知，发动机在低速或小负荷运行时，效率较低、油耗较高且排放较差．图２为该车用发动机的特性图，图中标出了发动机的等热效率曲线．依据此特性图，确定了①爴ｅｏｐｔｍｉｎ：最小优化工作转矩；②爴ｅｏｐｔ：最佳优化工作转矩；③爴ｅｏｐｔｍａｘ：最大优化工作转矩．最小优化工作转矩曲线和最大优化工作转矩曲线所包含的区域为发动机的优化工作区［６］．利用ＩＳＧ电机调节，尽可能使发动机工作在最佳优化工作转矩曲线附近和发动机优化工作区．当转矩需求小于最小优化转矩爴ｅｏｐｔｍｉｎ时，可以增大发动机节气门，使发动机工作于优化工作区，多余的转矩驱动ＩＳＧ１３５（总第１２８期）混合动力汽车整车控制器开发（张亚明等）电机发电，给电池充电；如果转矩需求正好介于爴ｅｏｐｔｍｉｎ和爴ｅｏｐｔｍａｘ之间，即进入发动机单独驱动模式；当需求转矩大于最大优化转矩爴ｅｏｐｔｍａｘ时，通过电机助力让发动机继续工作在优化工作区，当电机发出最大助力转矩后，仍然达不到需求转矩时，增大节气门，增加发动机转矩输出，以满足车辆的转矩需求．２整车控制器设计整车控制器采集踏板信号进行驾驶员需求解释，并根据当前节气门、动力电池、电机的状态信息，基于设计的控制策略和控制算法，对节气门的开度、电机输出转矩、电机运行模式等进行指令和调节，可靠、正确执行驾驶员意图．２．１控制器硬件设计控制器硬件包括微处理器、通信模块、调试模块、串口通信模块、电源及保护电路模块等．整车控制器结构如图３所示．图３整车控制器结构示意图﹨．３Ｄｉａｇｒａｍｏｆｖｅｈｉｃｌｅｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ图４混合动力汽车能量分配流程图﹨．４ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｅｎｅｒｇｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＨＥＶ微处理器选用了摩托罗拉公司专门为汽车电子开发的ＭＣ９Ｓ１２ＤＰ２５６，它拥有１６ｂｉｔ中央处理器，２个８通道１０ｂｉｔ的ＡＤＣ，２９个Ｉ燉Ｏ接口，５个符合ＣＡＮ２．０标准的ＣＡＮ控制器，运算速度快，内部资源与接口丰富，适合实现整车复杂的控制策略和算法．ＣＡＮ收发器选用了ＰＣＡ８２Ｃ２５０，其最高收发速率可达２３５中北大学学报（自然科学版）２００９年第６期１Ｍｂｐｓ，同时具有良好的抗干扰及保护ＣＡＮ总线能力．调试模块用于实时对控制程序进行调试、修改．串口通信模块用于对控制系统的诊断和标定．电源模块进行了二级滤波的冗余设计，保证控制器在车载系统供电情况下正常工作，并具短路保护功能．２．２整车能量分配策略根据上述车辆转矩需求分析和发动机工作区优化，制定整车能量分配策略如图４所示．首先根据式（１）～（４）分别计算出当前转速下充电需求转矩值爴ｃｈｇ，驱动需求转矩爴ｄ，车辆总需求转矩爴ｒ，再根据１．２中发动机工作区间优化策略确定当前转速下的最小优化转矩值爴ｅｏｐｔｍｉｎ，最大优化转矩爴ｅｏｐｔｍａｘ和最大转矩爴ｅｍａｘ［７９］．１）爴ｒ＜爴ｅｏｐｔｍｉｎ若电池还允许充电（爳爭爞＜８０），电池还有充电能力，即使此时电池爳爭爞＞５０（按式（２），此时电池的充电需求为０），仍然调节发动机目标转矩到爴ｅｏｐｔｍｉｎ，发动机富余转矩带动电机发电，此时ＩＳＧ电机为发电模式，目标转矩值为爴ｅｏｐｔｍｉｎ－爴ｄ．若电池不允许充电（爳爭爞≥８０），则发动机目标转矩值为爴ｄ，ＩＳＧ电机为空转，目标转矩值为０．图５程序流程图﹨．５Ｐｒｏｇｒａｍｄｉａｇｒａｍ２）爴ｅｏｐｔｍｉｎ＜爴ｒ＜爴ｅｏｐｔｍａｘ发动机目标转矩值为爴ｒ，ＩＳＧ电机目标转矩值为爴ｃｈｇ，若爴ｃｈｇ＞０，则ＩＳＧ电机为发电模式，否则为电动模式．３）爴ｅｏｐｔｍａｘ＜爴ｒ＜爴ｅｍａｘ若爴ｃｈｇ＞０，则发动机目标转矩值为爴ｒ，ＩＳＧ电机为发电模式，目标转矩值为爴ｃｈｇ．否则发动机目标转矩值为爴ｅｏｐｔｍａｘ，ＩＳＧ电机为电动模式，目标转矩值为爴ｒ－爴ｅｏｐｔｍａｘ．４）爴ｒ＞爴ｅｍａｘ发动机目标转矩值为爴ｅｍａｘ．若爴ｄ＞爴ｅｍａｘ，爤爳爢电机为电动模式，目标转矩值为爴ｄ－爴ｅｍａｘ，否则，ＩＳＧ电机为发电模式，目标转矩值为爴ｃｈｇ和爴ｅｍａｘ－爴ｄ之间的较小值．２．３控制器软件开发软件系统结构按功能分为两个部分：硬件驱动与信号处理和控制策略实施．前者负责完成处理器对通信信息的处理，后者负责整车能量分配策略的实施，实现整车的控制目标．程序主循环中，不断采集踏板位置，按照式（４）中方法计算转矩需求，然后依据２．２中所述的能量分配策略，并根据部件的状态信息，计算出发动机和电机的目标转矩需求，并通过ＣＡＮ总线定时发出指令．程序流程如图５所示．３实车实验和结果分析整车控制器进行了实车实验．各部件的基本参数为：发动机最大功率为８５ｋＷ，最大转矩为１５５（Ｎ·ｍ）燉（４０００ｒ·ｍｉｎ－１）；ＩＳＧ电机为永磁无刷直流电机，额定功率为３０ｋＷ，额定转矩为１４０Ｎ·ｍ；动力电池组采用８Ａｈ的镍氢电池，额定电压为３１２Ｖ．１）发动机启动传统的起动机被取消，取而代之的是ＩＳＧ电机．当钥匙开关扭至“启动”档时，整车控制器给ＩＳＧ电机发出“调速模式”指令，目标转速为８００ｒ·ｍｉｎ－１．当发动机转速被拖至８００ｒ·ｍｉｎ－１时，整车控制器将继电器闭合，接通发动机控制器开始喷油和点火．如图６所示，从ＩＳＧ电机启动到怠速稳定约２ｓ．ＩＳＧ电机最大输出转矩达到１０１Ｎ·ｍ，启动过程中，母线电压下降至２９８Ｖ，电流输出达２５Ａ．３３５（总第１２８期）混合动力汽车整车控制器开发（张亚明等）２）发动机工作区优化如图７，图８所示的３０～５０ｓ，加速踏板开度约１０％左右，若将此开度直接赋给节气门，则发动机工作于低负荷和低效率区．整车控制器综合发动机工作区优化策略和部件状态，将节气门开度增大至４０％左右，富余转矩（最大至３０Ｎ·ｍ）用来驱动ＩＳＧ电机进行发电，为电池充电，充电电流最大达１４Ａ．３）纯发动机驱动如图７，图８所示的５０～７０ｓ，加速踏板开度为３３％左右，充电转矩需求爴ｃｈｇ为零．按式（１）计算出驾驶员驱动转矩爴ｄ，在当时的转速下，发动机节气门约开至６８左右能满足爴ｄ．根据发动机工作特性，此时发动机正处于高效工作区，车辆为纯发动机驱动模式．４）混合驱动如图７，图８所示的２０５～２１５ｓ，加速踏板开度为１００％，此时的节气门完全打开，ＩＳＧ电机同时进行助力，输出转矩约１００Ｎ·ｍ．母线电压最低下降至２５２Ｖ，母线电流达１００Ａ．５）停车充电电池爳爭爞一旦出现过低，即使在停车情况下，也可以启动发动机进行充电，此时整车控制器对加速燉