混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)

蔡宗慜

摘 要：混合動(dòng)力汽車(chē)能夠有機(jī)組合發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)及動(dòng)力電池等部件，能夠?qū)?nèi)燃機(jī)汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，是降低石油消耗及減少二氧化碳排放的重要方法。整車(chē)控制器在混合動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)發(fā)中，是各類(lèi)控制措施的最終運(yùn)行載體，是滿足汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)協(xié)同工作的重要部件。為此，必須重視混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)。本文結(jié)合ISG混合動(dòng)力汽車(chē)，分析了汽車(chē)轉(zhuǎn)矩需求、發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)優(yōu)化及整車(chē)控制策略，并利用實(shí)車(chē)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了多種工作模式，表明此整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)具有可行性。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力汽車(chē)；整車(chē)控制器；實(shí)車(chē)試驗(yàn)；車(chē)輛轉(zhuǎn)矩

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，當(dāng)前世界汽車(chē)工業(yè)發(fā)展面臨著兩大挑戰(zhàn)，即能源短缺與環(huán)境污染，開(kāi)展新能源汽車(chē)研究已經(jīng)刻不容緩。相比傳統(tǒng)汽車(chē)，混合動(dòng)力汽車(chē)不僅具備內(nèi)燃機(jī)車(chē)的特征，同時(shí)還具備電動(dòng)車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)性提升與減少污染排放方面意義重大。因混合動(dòng)力汽車(chē)需要各個(gè)部位部件的相互協(xié)作，要求在一定控制措施下持續(xù)、快速地切換工作模式，因此對(duì)整車(chē)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提出了更高的要求，作為混合動(dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵性控制部件，整車(chē)控制器需按照駕駛員加速踏板位置、檔位等操作及蓄電池荷電狀態(tài)等，將運(yùn)行所需的所有參數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算出來(lái)，如發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)輸出功率等，進(jìn)而達(dá)到全部動(dòng)力部件運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，保證正常行駛電動(dòng)汽車(chē)，與此同時(shí)，還可利用行車(chē)充電、制動(dòng)能量回收等獲取更高能量效率。由此可見(jiàn)，于汽車(chē)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性而言，整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)影響巨大。

1 整車(chē)控制器設(shè)計(jì)

1、混合動(dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)分析

某混合動(dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)屬于典型單軸并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，整車(chē)工作模式包括純汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、再生制動(dòng)等。車(chē)輛運(yùn)行時(shí)，利用各種硬件線路整車(chē)控制器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)采集，如車(chē)輛狀態(tài)、駕駛員意圖等。通過(guò)極速運(yùn)行的CPU與控制端口進(jìn)行預(yù)設(shè)控制算法及管理策略的執(zhí)行，并利用CAN總線、開(kāi)關(guān)輸出端口等將指令、信息傳送給動(dòng)力系統(tǒng)執(zhí)行部件，以此實(shí)現(xiàn)有效控制。

2、車(chē)輛轉(zhuǎn)矩需求分析

相比傳統(tǒng)汽車(chē)，混合動(dòng)力汽車(chē)轉(zhuǎn)矩需求基本一致，利用加速踏板駕駛員可將其驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩需求充分反映出來(lái)。可通過(guò)公式表示駕駛員驅(qū)動(dòng)需求轉(zhuǎn)矩。

其中，加速踏板開(kāi)度可由α表示；

當(dāng)前轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩可由Temax表示；

當(dāng)前轉(zhuǎn)速下電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩可由Tmmax表示。

于混合動(dòng)力汽車(chē)來(lái)講，為避免動(dòng)力電池組過(guò)放電，必須對(duì)電池組充電，其決定因素為電池組荷電狀態(tài)系數(shù)SOC，電池組充電需求電流計(jì)算公式如下：

其中，電池組最大允許充電電流可由Ichgmax表示；

所需充電轉(zhuǎn)矩可由Tchg表示；其公式如下：

其中，ISG電機(jī)控制器直流端電壓可由U表示；

ISG電機(jī)轉(zhuǎn)速可由n表示。

則總轉(zhuǎn)矩需求可由下式表示：

3、發(fā)動(dòng)機(jī)工作區(qū)優(yōu)化

由發(fā)動(dòng)機(jī)工作特征分析，低速、小負(fù)荷狀態(tài)下，發(fā)動(dòng)機(jī)具有較低效率，及較高的燃油消耗。通過(guò)相關(guān)條件，可進(jìn)行最小、最佳及最大優(yōu)化工作轉(zhuǎn)矩的確定，則發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化工作區(qū)則位于最小、最大優(yōu)化工作轉(zhuǎn)矩曲線內(nèi)。

通過(guò)調(diào)節(jié)ISG電機(jī)，保證在最佳優(yōu)化工作轉(zhuǎn)矩曲線及發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化工作區(qū)控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作。如轉(zhuǎn)矩需求在最小優(yōu)化工作轉(zhuǎn)矩以下，則必須將發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度適當(dāng)加大，保證在優(yōu)化工作區(qū)內(nèi)控制發(fā)動(dòng)機(jī)工作，ISG電機(jī)可被多余轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)發(fā)電，進(jìn)行電池充電。如轉(zhuǎn)矩需求在最小、最大優(yōu)化工作轉(zhuǎn)矩間，此時(shí)其模式為發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式。如需求轉(zhuǎn)矩在最大優(yōu)化工作轉(zhuǎn)矩以上，發(fā)動(dòng)機(jī)利用電機(jī)助力可持續(xù)在優(yōu)化工作區(qū)內(nèi)工作。如電機(jī)產(chǎn)生阻力轉(zhuǎn)矩最大值后，依舊與需求轉(zhuǎn)矩不符，則需持續(xù)將節(jié)氣門(mén)開(kāi)度增大，并不斷加大發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩輸出，達(dá)到車(chē)輛轉(zhuǎn)矩需求。

4、軟、硬件設(shè)計(jì)

（1）軟件設(shè)計(jì)。Code Warrior4.6是整車(chē)控制器軟件設(shè)計(jì)環(huán)境，配置Freescale16位仿真器。實(shí)車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中，可進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)采集及記錄，并能及時(shí)更新控制器內(nèi)的控制策略參數(shù)?；诖?，選取VisuaIC++與CAN卡所反映的驅(qū)動(dòng)接口進(jìn)行采集數(shù)據(jù)、在線調(diào)試軟件的開(kāi)發(fā)，該軟件能夠?qū)AN卡內(nèi)采集的相關(guān)信息全面顯示、儲(chǔ)存及回放，且利用車(chē)載計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)在E2ROM內(nèi)寫(xiě)入控制策略參數(shù)，以此更新控制策略參數(shù)。

（2）硬件設(shè)計(jì)?？刂破饔布腔旌蟿?dòng)力汽車(chē)整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，具體內(nèi)容如表1所示。

2 混合動(dòng)力汽車(chē)整車(chē)控制器工作模式驗(yàn)證

為對(duì)整車(chē)控制器及其控制策略開(kāi)發(fā)進(jìn)行驗(yàn)證，需做好實(shí)車(chē)試驗(yàn)工作，具體如下：

1、發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。選取ISG電機(jī)替代傳統(tǒng)起動(dòng)機(jī)，如START檔為鑰匙開(kāi)關(guān)位置，ISG電機(jī)可接收到整車(chē)控制器調(diào)速模式指示，每分鐘目標(biāo)轉(zhuǎn)速為800r。整車(chē)控制器可閉合繼電器，并將發(fā)動(dòng)機(jī)控制器接通，隨后開(kāi)始起動(dòng)車(chē)輛，達(dá)到噴油、點(diǎn)火的目的。

2、行車(chē)充電。加速踏板在30—50s之間約有10%開(kāi)度，如油門(mén)為此開(kāi)度，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率、負(fù)荷較低。如不斷增加油門(mén)開(kāi)度，約40%時(shí)，則ISG電機(jī)可通過(guò)多余轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電、電池充電功能。

3、純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。加速踏板在50到70s之間約為33%開(kāi)度，此時(shí)0為充電轉(zhuǎn)矩需求，如工作轉(zhuǎn)速不變，油門(mén)為68%開(kāi)度時(shí)即可與駕駛員驅(qū)動(dòng)需求轉(zhuǎn)矩相符。按照發(fā)動(dòng)機(jī)工作特征，該階段發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率高。

4、混合驅(qū)動(dòng)。加速踏板在205到215s之間時(shí)，其開(kāi)度約為100%，此時(shí)為最大開(kāi)度值。ISG電機(jī)同時(shí)助力，每米輸出轉(zhuǎn)矩為100N左右。252V為母線電壓，100A為母線電流。

5、停車(chē)充電。電池組荷電狀態(tài)系數(shù)較低的情況下，則處于停車(chē)狀態(tài)，此時(shí)可將發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)啟進(jìn)入充電階段，該過(guò)程針對(duì)加速或制動(dòng)踏板整車(chē)控制器無(wú)任何反應(yīng)。按照目標(biāo)充電及具體充電電流之間的差異，整車(chē)控制器可進(jìn)行油門(mén)開(kāi)度的適當(dāng)調(diào)節(jié)，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中電機(jī)工作模式為調(diào)速狀態(tài)，每分鐘目標(biāo)轉(zhuǎn)速為1200r，保證在過(guò)低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下仍能啟動(dòng)汽車(chē)，不會(huì)出現(xiàn)熄火現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)能源消耗愈加嚴(yán)重，為緩解能源短缺問(wèn)題，必須重視新能源的開(kāi)發(fā)及利用。相比傳統(tǒng)汽車(chē)，在保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源方面混合動(dòng)力汽車(chē)更具優(yōu)勢(shì)。為提升混合動(dòng)力汽車(chē)性能，必須重視整車(chē)控制器開(kāi)發(fā)，做好整車(chē)控制器設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，驗(yàn)證整車(chē)控制器及其控制策略開(kāi)發(fā)的合理性、正確性，確保其更快更好地發(fā)展。

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