混合動力汽車動力總成設計構想

摘 要：文章從整車各部件匹配角度出發，介紹了高壓共軌柴油機以扭矩為輸入控制噴油的方法，永磁同步電機控制要求，并應用到配備機械式自動變速箱的混合動力汽車中，提出了將整車控制器和變速箱控制器集成設計的觀點。

關鍵詞：高壓共軌；扭矩分配；自動代碼生成

汽車動力純電動驅動是我國汽車業中長期發展目標，受制于當前電池技術和工藝影響，混合動力汽車的技術開發和積累是更為務實的選擇。發動機，電機，自動變速箱作為混合動力汽車上的主要動力部件，研究其集成技術于混合動力汽車應用有著重要意義。

1 高壓共軌柴油機電控技術簡介

高壓共軌柴油發動機采用電子控制單元（Electronic Control Unit簡稱 ECU）從傳感器（油門位置、轉速、大氣狀態、水溫、共軌壓力）獲取信息，結合約束條件，查找預先設定好的MAP，調整噴油器的主噴，預噴和后噴（可選）時長，達到控制噴入氣缸油量目的。博世高壓共軌柴油機電控系統以轉速為輸入，結合轉速、油門來控制油量和噴油時間，高壓共軌柴油系統以扭矩為輸入，控制最后的油量和噴油時間。

2 電機驅動系統控制簡述

電機驅動系統作為類似發動機功能單元的動力單元通常由電機和電機控制器組成。而電機控制器由電機控制器核心板，IGBT驅動電路，控制電源，結構和散熱系統，高壓開關控制電路組成。控制器核心板負責接收整車控制器的指令并反饋信息，檢測電機系統內傳感器信息，根據指令和傳感器信息產生逆變器開關信號；IGBT驅動電路接收CPU板開關信號并反饋信息（如各相電流），放大開關信號并驅動IGBT，提供電壓隔離和保護功能；控制電源為CPU板和驅動電路提供多路相互隔離的電源；結構和散熱系統則為電力電子模塊散熱，支撐組件安裝并提供環境保護；高壓開關控制電路負責接受信號將直流電源能量傳遞給逆變器，減少突然接通電路的大電流沖擊。

各種電機轉矩-轉速特性在加減速或速度調節情況下都服從運動學方程Te-TL=J*dn/dt（Te為電磁轉矩，TL為負載轉矩，J為轉動慣量，n為電機轉速），對于恒定負載或者突加減負載，只需要控制電機電磁轉矩即可。

以某型號永磁同步電機（額定75kw，輸出扭矩540N.m）控制為例，接收扭矩請求后將扭矩控制轉化為定子q軸電流PI調節；勵磁或弱磁控制部分轉換為定子d軸電流PI調節[2]。空載情況下在線修改整車控制器RAM指令，經過CAN總線發送給電機控制器，0-1.48秒間發命令扭矩20N.m，轉速上升斜率較小，1.48秒時刻更改為40N.m命令扭矩，轉速上升斜率變大，在低速空載情況下電機經過報文發出的扭矩和命令扭矩有差異，真實值需在測功機上測量。電控發動機和電機控制可實現CAN總線模式下轉速和扭矩控制，發動機ECU其通訊協議遵循SAE J1939，電機控制通訊協議需要自行設定。

3 整車電控技術原理和設計

基于以上對發動機和電機控制的認識，在并聯式混合動力客車中可類比傳統柴油車的控制方式，由司機加速踏板開度（即傳統車油門）和制動踏板開度，發動機及電機轉速，并結合發動機水溫等約束條件分配二者扭矩。對于串聯或者增程式混合動力客車，盡可能使得發動機轉速位于經濟區域，即主要是發動機轉速控制和發電機的扭矩控制。除了發動機和電機自帶的ECU，需要另外設計整車控制器（Vehicle Control Unit 簡稱VCU）。

3.1 整車控制原理

串混或增程式系統主要驅動力來自驅動電機，根據電機轉速和加速踏板及制動踏板查詢扭矩需求得到驅動電機的需求扭矩，再結合APU（即發動機-發電機系統所能提供的電流限制）得到電機的目標扭矩，該目標扭矩由整車控制器經過CAN報文發送給電機控制器，而電機需求扭矩轉化為能量需求并結合電池（或者超級電容）電壓以及剩余電量SOC轉化為APU電流需求，再經CAN總線實現對發動機轉速和發電機扭矩（或者勵磁PWM）需求。

對于并聯混合動力，由于發動機的轉矩響應受瞬態空燃比控制燃油補償等因素較目標扭矩遲滯，而電機的扭矩響應在毫秒級，可認為是瞬變量。若某一時刻目標扭矩是600N.m，分配給電機和發動機扭矩分別是200 N.m和400 N.m，必然導致瞬間合成扭矩和目標扭矩差異較大影響舒適性，以并聯式混合動力客車從純電動切換到發動機單獨驅動為例，電機目標扭矩瞬間變為0，此時發動機輸出扭矩尚未輸出到位將導致動力中斷，需要電機轉矩補償或者延緩電機響應。

3.2 VCU硬件結構

設計一款采用freescale S12X系列處理器的VCU，負責采集擋位，加速踏板和制動踏板信息，并根據轉速或者車速信息，發送扭矩命令給電機控制器和發動機ECU（也可用總線油門或者硬件油門信號）；對于帶有自動變速箱的車輛，需要根據擋位和位置傳感器由H橋電路控制離合器或者選檔換擋執行器；對于串聯式混合動力汽車，通常需要控制發電機勵磁或發電機扭矩需求。

發動機ECU的RAM設計為1-2MB，單片機自身RAM通常難以達到，需要另外用地址數據總線擴展，可標定數萬個浮點型變量和若干一維和二維MAP。S12X處理器RAM為64KB，在標定變量不是特別大的情況設定某個RAM地址區域用于MAP和可調整參數標定，通常使用CAN Calibration Protocol（CCP）協議。

3.3 VCU軟件結構

在codewarrior下新建工程文件project后，手工代碼完成硬件層驅動程序，如CAN，AD，PWM等功能。控制策略部分通常采用Matlab Simulink中進行上層算法建模仿真調試，其軟件結構通常分為初始化和步進執行兩部分。初始化不進入無限循環只需要執行一次，而步進執行部分分不同的周期需要在無限循環中執行，該周期需要在simulink-configue中設置且須和project中執行周期一致。然后利用Real-Time Workshop工具箱對上層算法進行自動代碼生成。最后需要在Codewarrior集成開發環境中將生成的C代碼形式的上層算法與手寫代碼進行拼接，整合與調試，編譯連接之后生成在單片機環境下運行的可執行文件，可通過串口或者CAN下載已經編寫bootloader的VCU中。

4 結束語

以扭矩為切入點分析發動機和電機控制的共性從而擴展應用到混合動力汽車研發是本文的主要脈絡。建立在Freescale S12X處理器平臺的整車控制器可實現simulink算法生成代碼，并通過扭矩命令（或者轉化為發動機油門）實現對電控發動機和電機的控制可以應用于混合動力汽車開發。

參考文獻

[1]黃海燕.汽車發動機試驗學教程[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]李華德.交流調速控制系統[M].北京：電子工業出版社，2003.