帶增程器的電動車控制系統設計

袁守利 高 寒

（武漢理工大學汽車工程學院 現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室 武漢 430070）

0 引 言

電動車具有節約能源、污染排放少等優點，其市場應用越來越廣泛［1］.但是目前動力蓄電池的能量密度較低，制約了電動車的性能，其一次充電可實現的續駛里程與燃油汽車一次加油的續駛里程相比，還有一定差距.為了解決這一問題，將燃油發動機和發電機組成的發電機組作為增程器，與動力蓄電池一起構成動力源，以增加續駛里程，是目前階段最好的一種過渡方案［2］.

現階段，電動車越來越多地采用以單片機和DSP為主的數字控制，并開發出了很多以它們為核心的控制系統.然而，這些控制系統具有單片機處理任務量過大，功能分配不夠合理，PCB 板元器件較多，布線過于繁密等缺點，加之帶有增程器的電動車運行工況復雜多變，給系統的穩定性、可靠性和電動車的安全性帶來了隱患，影響了控制系統的使用壽命，增加了電動車的維護成本.

為了解決這些問題，設計一種以單片機結合專用控制芯片的電動車無刷直流電機及帶增程器的整車控制系統.這種控制系統具備安全性高，穩定性好，功能完善，控制效率高等優點，能很好的解決增程式電動車在使用和控制方面的上述問題.根據車輛運行狀況，通過對駕駛員操作指令及傳感器信號數據的采集，整車控制系統控制增程器、電機等及各外圍執行機構穩定高效的工作.

1 控制系統方案

電動車的動力系統主要由增程器、電機、動力蓄電池和儀表等構成，它們是整車控制器的主要控制對象.整車控制器對接收到的車輛運行狀況信息，蓄電池組狀況信息和駕駛員操作指令信息進行綜合分析，并根據相應的控制策略處理計算后，將得到的控制信號傳輸給電機專用控制芯片，專用控制芯片結合來自電機位置傳感器的信號，進行開關電路的正確導通，從而實現對電機的控制，并最終實現對電動車的控制.因為帶增程器的電動車具有動力蓄電池和發電機組2個動力源，所以在實際應用中就要求整車控制器能實現對于2個動力源的控制，即合理的控制增程器開／關機的時刻.

該控制方案的特點如下：（1）單片機結合專用控制芯片的控制方式，使系統的智能化程度更高，結構和編程更簡單；（2）單片機控制專用控制芯片，專用控制芯片直接控制電機，充分發揮專用控制芯片的功能，減少了獨立元器件的使用，能使控制系統結構更簡單，故障率更低；（3）專用控制芯片的使用，減輕了單片機的工作負擔，這樣就能讓單片機更好的實現控制策略和其他附加功能，提高了對電機和電動車控制的靈活性.

2 整車控制策略

2.1 電機控制策略

目前電動車車速的調控主要是通過油門裝置實現的，為達到改善電動車操控性的目的，把車輛行駛過程中的實際車速引入到了電機控制系統中，建立以車速為控制目標的電動車無刷直流電機驅動系統控制模型［3］.見圖1.

圖1 系統控制模型

電動車行駛工況復雜多變，采用傳統的固定參數PID 控制方式難以達到較好的效果［4］；同時為了讓車輛實際車速對駕駛員目標車速準確而快速地做出響應，以得到更好的操控性能，控制系統采用基于車速偏差的增量式PI控制算法［5-6］.車速傳感器測得的實際車速與駕駛員給定的目標車速相比較，得到速度偏差信號e，控制系統依據偏差信號e進行增量式PI控制算法運算，得出速度增量信號Δ，根據運算的結果進行脈寬調制計算后輸出PWM 波，PWM 波通過控制功率逆變電路來對電機進行調速，從而實現對車速的調控，達到駕駛員的操控目的.控制策略具體實現原理見圖2.

圖2 控制策略實現原理

在電動車運行過程中，駕駛員通過油門裝置給控制系統的是一個與實際車速成比例關系的電壓信號，以此電壓信號為控制量，增量式PI控制算法的表達式為

式中：u（k），u（k-1）分別為第k次與第k-1次采樣時刻車速信號值；e（k），e（k-1）分別為第k次與第k-1次采樣時刻車速信號偏差值；K0＝Kp＋KI，K1＝-Kp，Kp，KI分別為比例系數和積分系數.

根據式（1）～（2），若設電動車通過加速裝置給出的駕駛員目標車速信號為v0，通過車速傳感器測得的實際車速信號為vk，則在第k次采樣時的車速信號偏差為e（k）＝vk-v0（k）.同理可得e（k-1）＝vk-1-v0（k-1），且系統在計算e（k）之前，系統已先對e（k-1）進行保存.以e（k），e（k-1）作為輸入，根據式（2）可以計算出增量Δu（k），再根據式（1）計算出此時實際車速對應車速信號u（k）來進行脈寬調制計算，計算程序流程見圖3.

圖3 控制算法程序流程圖

2.2 增程器能量管理策略

因為增程式電動車擁有2種不同的能量源，能量管理策略就在整車控制策略中占有最重要的地位.現階段對于能量管理策略的研究主要側重于3種方法：（1）邏輯門限控制策略［7］；（2）自適應控制策略［8］；（3）基于模糊邏輯或神經網絡的只能控制策略［9］.

在邏輯門限控制策略中，比較直接和常用的能用于增程式電動車的是定點能量管理策略，該策略從優化發動機工作點出發，兼顧蓄電池荷電狀態（state of charge，SOC）的平衡.增程器的開／關機根據蓄電池的SOC 而決定，即當SOC 下降到設定的下限SOClow時，增程器起動，輸出恒定功率，SOC上升；上升至高于SOChigh后增程器關機，此時電動車以純電動行駛，排放為零，SOC 下降.因為發動機與路面負荷相脫離，再加上蓄電池的負荷均衡作用，使得發動機在燃油效率較高的工作點恒定工作，從而提高了發動機的效率，同時減少了廢氣的排放［10］.

增程器工作時輸出的功率，一部分用于克服車輛的行駛阻力，一部分用于為動力蓄電池充電，所以在選擇增程器開／關機時相對應的蓄電池SOC門限值SOChigh和SOClow時，要考慮到電池充放電的經濟性，使電池在充放電效率最高的區域工作，從而得到較好的經濟性和動力性.

中國乘用車市區工況CUDC 是一種典型的循環工況.在定點能量管理策略下，對20 個CUDC循環工況進行模擬仿真，得到蓄電池SOC和發動機功率隨行駛距離的變化關系，見圖4.其中，發動機恒定功率為10.8kW，蓄電池SOC 初值為1.0，增程器開／關機時蓄電池SOC 的充放電區間取0.3～0.7［11］.從圖4的仿真結果可以看出，當蓄電池SOC下降到0.3時，增程器起動，發動機在預定的高效工況點工作，其輸出地功率一部分用于驅動車輛行駛，另一部分為蓄電池充電，使蓄電池SOC 值持續上升.當蓄電池SOC 升高到0.7時，發動機停機，電動車純電動行駛.如此反復，直至耗盡油箱內的燃油.由仿真可得，該能量管理策略有效可行.

圖4 20個CUDC工況下的仿真結果

3 硬件設計及軟件開發

3.1 硬件結構

根據電動車無刷直流電機控制系統的設計方案，實現整個控制系統良好的功能，其硬件電路結構見圖5.

圖5 控制系統硬件電路結構框圖

3.2 硬件的選型

基于控制系統的功能要求和成本考慮，選用Microchip 公司生產的8 位RISC 結構的單片機PIC16F877.專用控制芯片選用Motorola公司的第二代無刷直流電機專用集成電路MC33033，它在外接上功率開關器件（MOSFET）后，可以用來控制三相（全波或半波）無刷直流電機，當其結合MC33039電子測速器作為F／V 轉換（系統檢測模塊），引入了測速反饋后，可以構成閉環速度調節系統.該控制系統中，專用控制芯片主要是通過接收來自單片機的控制信號對電機進行直接控制.

3.3 軟件設計流程

系統軟件進行模塊化設計，方便日后維護和系統功能完善升級.單片機是整個系統管理和控制中心，其主要包括主程序、中斷服務程序這2個部分，整個電機控制系統主程序流程框圖見圖6.

圖6 控制系統主程序流程圖

4 系統調試實驗

整車調試主要指的是弱電和強電兩種調試.弱電調試是為了確定在整車低壓上電以后，各控制器及部件能實現正常的上電和開閉.之后進行強電調試，接通電機和增程器，證實整車控制器設定的整車控制策略，驗證是否能夠根據動力蓄電池SOC的數值自動控制增程器的開閉.

無刷直流電機在帶負載情況下進行啟動，其速度響應曲線見圖7.由圖7可看出，電機帶載啟動時，電機轉速經過短暫的振蕩后很快恢復并穩定到某一指定轉速，電機速度響應快，抗干擾性較強，能較好地滿足電動車的使用性能要求.

圖7 轉速響應曲線

最后在試車場進行路試，驗證車輛是否達到預期要求的動力性和續使里程等指標.

5 結束語

根據增程式電動車的使用性能要求及特點，介紹了整車控制器及其控制策略的設計流程，設計了一種以單片機結合專用控制芯片的增程式電動車控制系統.整個控制系統實現了根據動力蓄電池SOC的數值自動控制增程器的開閉，將整車的控制和電機控制、增程器開閉控制進行了有效的結合，減少了單片機處理任務量和PCB板元器件數量，是一種有效的電動車控制方案.

［1］曹秉剛，張傳偉，白志峰，等.電動汽車技術進展和發展趨勢［J］.西安交通大學學報，2004，38（1）：1-5.

［2］李 玲.介于純電動和混合動力之間 增程式：新源客車的平衡點［J］.商用汽車新聞，2010，44（2）：55-58.

［3］李斌花.純電動汽車電機驅動系統控制策略研究［D］.長沙：湖南大學，2005.

［4］ISHIDA A.A self-tuning automotive cruise control system using the time delay controller［C］∥SAE.Technical Paper，1992，920159.

［5］HUANG Hong，CHANG Liuchen.An error-driven controller for electric vehicle propulsion systems［C］∥IEEE，CCECE，1997（6）：744-747.

［6］王俊敏，張云龍，袁大宏.汽車數字式巡航控制系統的研制［J］.汽車技術，2000（8）：4-7.

［7］KIMURA A.Drive force control of a parallel-series hybrid system［J］.JSAE Review，1999，20（3）：337-341.

［8］JOHNSON V H.HEV control strategy for real-time optimization of fuel economy and emissions［C］∥SAE Paper，2000-01-1543，2000.

［9］BAUMANN B M.Mechatronic design and control of hybrid electric vehicles［C］∥IEEE／ASME Transactions on Mechatronics，2000，5（1）：58-72.

［10］牛繼高，周 蘇.增程式電動汽車增程器開／關機時刻的優化［J］.汽車工程，2013，35（5）：418-423.

［11］張華輝，齊鉑金，龐 靜，等.動力鋰離子電池荷電狀態估計的建模與仿真［J］.哈爾濱工程大學學報，2009，30（6）：669-675.