混合動力汽車整車控制器開發

蔡宗慜

摘 要：混合動力汽車能夠有機組合發動機、電機及動力電池等部件，能夠將內燃機汽車、電動汽車的優勢充分發揮出來，是降低石油消耗及減少二氧化碳排放的重要方法。整車控制器在混合動力汽車開發中，是各類控制措施的最終運行載體，是滿足汽車動力系統協同工作的重要部件。為此，必須重視混合動力汽車整車控制器開發。本文結合ISG混合動力汽車，分析了汽車轉矩需求、發動機工作區優化及整車控制策略，并利用實車試驗，實現了多種工作模式，表明此整車控制器開發具有可行性。

關鍵詞：混合動力汽車；整車控制器；實車試驗；車輛轉矩

在社會經濟高速發展的今天，當前世界汽車工業發展面臨著兩大挑戰，即能源短缺與環境污染，開展新能源汽車研究已經刻不容緩。相比傳統汽車，混合動力汽車不僅具備內燃機車的特征，同時還具備電動車的優點，在經濟性提升與減少污染排放方面意義重大。因混合動力汽車需要各個部位部件的相互協作，要求在一定控制措施下持續、快速地切換工作模式，因此對整車控制系統開發提出了更高的要求，作為混合動力汽車的關鍵性控制部件，整車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等，將運行所需的所有參數準確計算出來，如發動機、電動機輸出功率等，進而達到全部動力部件運動協調，保證正常行駛電動汽車，與此同時，還可利用行車充電、制動能量回收等獲取更高能量效率。由此可見，于汽車動力性、經濟性及可靠性而言，整車控制器開發影響巨大。

1 整車控制器設計

1、混合動力汽車系統分析

某混合動力汽車系統結構屬于典型單軸并聯式結構，整車工作模式包括純汽油機驅動、混合動力驅動、再生制動等。車輛運行時，利用各種硬件線路整車控制器進行相關參數采集，如車輛狀態、駕駛員意圖等。通過極速運行的CPU與控制端口進行預設控制算法及管理策略的執行，并利用CAN總線、開關輸出端口等將指令、信息傳送給動力系統執行部件，以此實現有效控制。

2、車輛轉矩需求分析

相比傳統汽車，混合動力汽車轉矩需求基本一致，利用加速踏板駕駛員可將其驅動轉矩需求充分反映出來。可通過公式表示駕駛員驅動需求轉矩。

其中，加速踏板開度可由α表示；

當前轉速下發動機最大轉矩可由Temax表示；

當前轉速下電機最大轉矩可由Tmmax表示。

于混合動力汽車來講，為避免動力電池組過放電，必須對電池組充電，其決定因素為電池組荷電狀態系數SOC，電池組充電需求電流計算公式如下：

其中，電池組最大允許充電電流可由Ichgmax表示；

所需充電轉矩可由Tchg表示；其公式如下：

其中，ISG電機控制器直流端電壓可由U表示；

ISG電機轉速可由n表示。

則總轉矩需求可由下式表示：

3、發動機工作區優化

由發動機工作特征分析，低速、小負荷狀態下，發動機具有較低效率，及較高的燃油消耗。通過相關條件，可進行最小、最佳及最大優化工作轉矩的確定，則發動機優化工作區則位于最小、最大優化工作轉矩曲線內。

通過調節ISG電機，保證在最佳優化工作轉矩曲線及發動機優化工作區控制發動機工作。如轉矩需求在最小優化工作轉矩以下，則必須將發動機節氣門開度適當加大，保證在優化工作區內控制發動機工作，ISG電機可被多余轉矩驅動發電，進行電池充電。如轉矩需求在最小、最大優化工作轉矩間，此時其模式為發動機單獨驅動模式。如需求轉矩在最大優化工作轉矩以上，發動機利用電機助力可持續在優化工作區內工作。如電機產生阻力轉矩最大值后，依舊與需求轉矩不符，則需持續將節氣門開度增大，并不斷加大發動機轉矩輸出，達到車輛轉矩需求。

4、軟、硬件設計

（1）軟件設計。Code Warrior4.6是整車控制器軟件設計環境，配置Freescale16位仿真器。實車試驗過程中，可進行試驗數據的及時采集及記錄，并能及時更新控制器內的控制策略參數。基于此，選取VisuaIC++與CAN卡所反映的驅動接口進行采集數據、在線調試軟件的開發，該軟件能夠將CAN卡內采集的相關信息全面顯示、儲存及回放，且利用車載計算機通過CAN網絡在E2ROM內寫入控制策略參數，以此更新控制策略參數。

（2）硬件設計。控制器硬件是混合動力汽車整車控制器開發的重點，具體內容如表1所示。

2 混合動力汽車整車控制器工作模式驗證

為對整車控制器及其控制策略開發進行驗證，需做好實車試驗工作，具體如下：

1、發動機起動。選取ISG電機替代傳統起動機，如START檔為鑰匙開關位置，ISG電機可接收到整車控制器調速模式指示，每分鐘目標轉速為800r。整車控制器可閉合繼電器，并將發動機控制器接通，隨后開始起動車輛，達到噴油、點火的目的。

2、行車充電。加速踏板在30—50s之間約有10%開度，如油門為此開度，此時發動機工作效率、負荷較低。如不斷增加油門開度，約40%時，則ISG電機可通過多余轉矩驅動，實現發電、電池充電功能。

3、純發動機驅動。加速踏板在50到70s之間約為33%開度，此時0為充電轉矩需求，如工作轉速不變，油門為68%開度時即可與駕駛員驅動需求轉矩相符。按照發動機工作特征，該階段發動機工作效率高。

4、混合驅動。加速踏板在205到215s之間時，其開度約為100%，此時為最大開度值。ISG電機同時助力，每米輸出轉矩為100N左右。252V為母線電壓，100A為母線電流。

5、停車充電。電池組荷電狀態系數較低的情況下，則處于停車狀態，此時可將發動機開啟進入充電階段，該過程針對加速或制動踏板整車控制器無任何反應。按照目標充電及具體充電電流之間的差異，整車控制器可進行油門開度的適當調節，形成一個閉環控制系統。該系統中電機工作模式為調速狀態，每分鐘目標轉速為1200r，保證在過低發動機轉速下仍能啟動汽車，不會出現熄火現象。

3 結束語

綜上所述，隨著社會經濟的快速發展，我國能源消耗愈加嚴重，為緩解能源短缺問題，必須重視新能源的開發及利用。相比傳統汽車，在保護環境、節約能源方面混合動力汽車更具優勢。為提升混合動力汽車性能，必須重視整車控制器開發，做好整車控制器設計，通過實車試驗，驗證整車控制器及其控制策略開發的合理性、正確性，確保其更快更好地發展。

參考文獻

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