混合電動(dòng)車能量回饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高善銘

(哈爾濱工業(yè)資產(chǎn)經(jīng)營有限責(zé)任公司 哈爾濱 150001)

0 引言

HEV大巴采用燃油和電力兩種驅(qū)動(dòng)方式，然而，如何提高行駛能量效率，延長了續(xù)駛里程，是急需解決的一個(gè)關(guān)鍵問題。其中能量回饋是解決該問題的主要措施，能量回饋包括制動(dòng)能量回饋與滑行能量回饋兩種［1］。CAN通信在電動(dòng)車中應(yīng)用時(shí)，使用兩根信號(hào)線就能實(shí)現(xiàn)對(duì)車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度、剎車踏板、油門踏板、檔位信號(hào)的共享和各個(gè)控制系統(tǒng)之間的通信［2］。該通信方式的設(shè)計(jì)使傳輸線束簡(jiǎn)潔可靠、節(jié)約銅材、維護(hù)方便。

文中重點(diǎn)研究基于CAN總線的混合制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，將CAN總線引入到電動(dòng)車的能量回饋系統(tǒng)當(dāng)中，利用電機(jī)與逆變器的工作特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)具有ABS機(jī)械制動(dòng)和電機(jī)回饋制動(dòng)相結(jié)合的能量回饋模式。要實(shí)現(xiàn)安全、高效的回饋減速制動(dòng)，還要與傳統(tǒng)的摩擦制動(dòng)配合工作中，考慮大巴運(yùn)行狀態(tài)、剎車踏板位置、電池SOC狀態(tài)、電池充電功率、電機(jī)發(fā)電能力等因素，才能節(jié)約電動(dòng)車的電池能量［3］，減少制動(dòng)時(shí)的機(jī)械磨損。

1 整車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

隨著安全環(huán)保節(jié)能要求的不斷提高，以及車內(nèi)設(shè)施的逐漸增多，電控系統(tǒng)原有的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制方式將造成龐大的布線系統(tǒng)，加劇了粗大的線束與汽車有限空間之間的矛盾。同時(shí)導(dǎo)線的抗干擾性較差，特別是在大巴啟動(dòng)、剎車、高頻電源充電的高噪聲環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)傳輸不穩(wěn)定，甚至錯(cuò)誤。

本系統(tǒng)由八個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，包括:動(dòng)力總成控制器、電機(jī)控制器、充電機(jī)控制系統(tǒng)、AMT、ABS、EPS、電池管理系統(tǒng)、組合儀表系統(tǒng)。總線通訊速率為250 kb/S，系統(tǒng)框圖和節(jié)點(diǎn)SA地址如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)

機(jī)械制動(dòng)是由剎車氣壓系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)閘片液，以摩擦制動(dòng)片產(chǎn)生制動(dòng)力矩。ABS制動(dòng)是當(dāng)車輛的減速度達(dá)到了ABS節(jié)點(diǎn)激活的門限值的時(shí)候，ABS系統(tǒng)被激活并獨(dú)立調(diào)節(jié)車輛的剎車過程。電機(jī)的回饋制動(dòng)分為高速制動(dòng)和低速制動(dòng)。高速制動(dòng)是大巴在下坡時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過理想空載轉(zhuǎn)速，電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)控制電機(jī)發(fā)電;低速制動(dòng)是制動(dòng)時(shí)將大巴的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，產(chǎn)生制動(dòng)力矩，并將能量回饋到動(dòng)力電池組中。

在車輛制動(dòng)能量回饋工況中，保持制動(dòng)踏板的感覺及駕駛?cè)犴樞允鞘紫纫紤]的，因此根據(jù)運(yùn)行狀況分為電機(jī)能量回饋和后輪機(jī)械制動(dòng)、電機(jī)能量回饋和前后輪同時(shí)機(jī)械制動(dòng)、ABS防抱死制動(dòng)。

系統(tǒng)采用鋰動(dòng)力電池，此電池具有高倍率充電特性，可以提高回饋制動(dòng)的比例。電動(dòng)車廣泛應(yīng)用于城市公交車，在公交路線中有頻繁的制動(dòng)動(dòng)作，但只有很小部分需要很大制動(dòng)力矩。當(dāng)動(dòng)力總成節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到剎車信號(hào)時(shí)，通過CAN網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)電池管理系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)共享信息，來確定能量回饋制動(dòng)和后輪機(jī)械制動(dòng)力矩的比例;動(dòng)力總成節(jié)點(diǎn)檢測(cè)車速，如果未能滿足要求，前輪的機(jī)械制動(dòng)啟動(dòng);車速較高時(shí)，前后輪同時(shí)制動(dòng)可能出現(xiàn)抱死，車輛打滑，大巴不易控制，這時(shí)通過ABS 節(jié)點(diǎn)完成回饋制動(dòng)［4－5］。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中電機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、加速度、剎車踏板位置由電機(jī)控制節(jié)點(diǎn)和動(dòng)力總成節(jié)點(diǎn)檢測(cè)，并將運(yùn)行信息通過CAN總線實(shí)現(xiàn)共享［6］。

3.1 相關(guān)信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)

電機(jī)轉(zhuǎn)速由脈沖編碼器測(cè)量。電機(jī)每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生1 024個(gè)相位差90°的A，B路方波信號(hào)，經(jīng)74HC14施密特觸發(fā)器整形后接到TMS320LF2407的QEP單元，確定轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。用MEMS加速度計(jì)測(cè)量加速度，并通過I2C方式送入動(dòng)力總成節(jié)點(diǎn)μPDF70F3239控制器中。

剎車信號(hào)是由安裝在剎車總泵中的閥門開度傳感器檢測(cè)。閥門開度傳感器與踏板位置有線性關(guān)系，且送出電壓信號(hào)，送入到動(dòng)力總成節(jié)點(diǎn)μPDF70F3239控制器12位A/D轉(zhuǎn)換器。

3.2 CAN 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心是CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。以電機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)為例，詳細(xì)介紹網(wǎng)絡(luò)接口的硬件設(shè)計(jì)。

在電機(jī)控制器節(jié)點(diǎn)中，選用TI公司推出的帶有片上CAN口的TMS320LF2407，其核心采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，利用其可編程帶死區(qū)PWM實(shí)現(xiàn)電機(jī)的矢量控制。選用低功耗SN65HVD230為控制器和物理總線之間的驅(qū)動(dòng)芯片，提高在過壓、高溫、高共膜等惡劣環(huán)境中總線的差動(dòng)發(fā)送能力和CAN控制器的差動(dòng)接收能力。

增強(qiáng)電機(jī)控制器的抗干擾能力，TMS320LF2407通過高速光耦HCPL600與SN65HVD230相連，實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離，光耦兩側(cè)獨(dú)立供電，實(shí)現(xiàn)完全隔離。

原理圖如圖2。SN65HVD230的 CANH和CANL引腳各自通過一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，起到限流的作用，免受過流的沖擊。CANH和CANL之間與地并聯(lián)二個(gè)30PF的小電容，起到濾除總線上高頻干擾和一定電磁輻射的能力。CANH和CANL與地之間分別反接一個(gè)保護(hù)二極管，當(dāng)CAN總線上有較高的復(fù)電壓時(shí)能夠起到一 定的過壓保護(hù)的作用。

3.3 動(dòng)力總成節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的中心處理器采用汽車級(jí)別32位控制器μPDF70F3239，帶有4路CAN口，是控制系統(tǒng)的樞紐—網(wǎng)關(guān)。通過CAN通信和直通方式接收來自不同ECU的信號(hào)并按照預(yù)設(shè)的控制策略發(fā)送控制信號(hào)，以完成HEV大巴不同工作狀態(tài)的切換和切換過程的協(xié)調(diào)控制。

系統(tǒng)的ABS控制器采用了帶有CAN接口的32位控制器TMS320F28016。負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)制動(dòng)分泵，實(shí)施機(jī)械制動(dòng)和ABS制動(dòng)并能完成自身的故障診斷。

圖3 動(dòng)力總成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 能量制動(dòng)回饋系統(tǒng)程序架構(gòu)設(shè)計(jì)

文中系統(tǒng)是一個(gè)由多個(gè)控制器組成的大系統(tǒng)，為增強(qiáng)程序的可移植性和多個(gè)嵌入式工程師協(xié)同工作，采取模 塊結(jié)構(gòu)。整個(gè)架構(gòu)包括主程序、模擬量采樣子程序、數(shù)字量采樣子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序、數(shù)據(jù)接受子程序、節(jié)點(diǎn)自檢程序、中斷子程序等模塊［7］。

車速信號(hào)由電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)推到得到。電機(jī)控制器定時(shí)器T0定時(shí)打包車速數(shù)據(jù)幀發(fā)送到總線。節(jié)點(diǎn)自檢程序由上電時(shí)自動(dòng)檢測(cè)和定時(shí)器定時(shí)自動(dòng)檢測(cè)兩部分構(gòu)成，確保各個(gè)單元工作正常。為了程序的實(shí)時(shí)性和可靠性各個(gè)節(jié)點(diǎn)嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) μC/OS－II。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

5 節(jié)點(diǎn)電磁兼容設(shè)計(jì)

考慮到HEV大巴工作在惡劣，干擾嚴(yán)重，多種噪聲的工況中，各個(gè)節(jié)點(diǎn)除具有完善的功能外，還應(yīng)具有強(qiáng)的抗干能能力。硬件抗干技術(shù)是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中首選的抗干擾措施。

①精心挑選元器件

②混合動(dòng)力電動(dòng)汽車上電機(jī)設(shè)備中的IGBT和功率二極管工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，尤其是共模干擾較為嚴(yán)重。因此有必要在電池組與整車之間連接高頻旁路電容，抑制干擾源。

③采用光電耦合器將外部通信接口與內(nèi)部CPU電路隔離開來，可以阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

④汽車中輸入信號(hào)的頻率比較低，加低通布線盡可能的短和直，濾波器切斷高頻干擾的傳播。

⑤PCB中的高頻信號(hào)(如晶振的時(shí)鐘信號(hào))的布線盡可能的短和直。

⑥數(shù)據(jù)線地址控制線要盡量的短，減少對(duì)地電容。

⑦地址線長度盡可能的一致，以免造成各線的阻抗差異過大。使地址信號(hào)傳輸過程中到達(dá)終端的波形差異過大，形成控制信息的非同步的干擾。

⑧根據(jù)解耦電容的工作原理，芯片盡量從儲(chǔ)能電容吸收能量，減少從電源線上吸收的能量。人為增加解耦電容。

⑨采用DC/DC變換模塊，提供穩(wěn)定的隔離電源，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)分別供電，可以有效地消除電源干擾和共地產(chǎn)生的干擾。

⑩多層板能偶減小共模阻抗和感性耦合。

因?yàn)槲闹邢到y(tǒng)通信頻率較高故采用抗電磁干擾性能強(qiáng)的雙絞高溫屏蔽電纜。再加上CAN總線本身強(qiáng)有力的糾錯(cuò)能力，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

6 結(jié)論

文中系統(tǒng)是在大巴的制動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，在HEV大巴運(yùn)行階段，數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定。實(shí)際運(yùn)行所做的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠使城市HEV大巴的續(xù)使里程增加20%。能量回饋效率的優(yōu)化是個(gè)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)過程，算法非常復(fù)雜，無法通過離線試驗(yàn)得出一勞永逸的經(jīng)驗(yàn)公式，因此在動(dòng)力總成節(jié)點(diǎn)建立一個(gè)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)重要參數(shù)進(jìn)行在線辯識(shí)。

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