汽車電子混合電力電控系統設計

程勇剛

摘 要： 針對汽車電子混合電控系統，在結合CAN總線技術的基礎上提出設計混合電力系統的思想。依據可靠性原則，利用分布函數量化電路系統，通過連接器、接觸器和繼電器等重要部件組成混合電控系統高壓電路。利用一點接地的屏蔽方法進行線路間耦合抗干擾處理，實現對低壓電路的設計。采用一條多個單元同時連接CAN總線的串行通信線路，在發送器輸出數據后確保接收器能夠在相位緩沖段接收到輸入位值，再對緩沖長度進行控制，確保電路通信的同步性，以此實現對汽車電子混合電力電控系統的設計。實驗結果表明，結合CAN總線技術的汽車電路電控系統可以實現穩定控制。

關鍵詞： 汽車電路； 混合電控系統； CAN總線通信； 系統設計

中圖分類號： TN99?34； U178 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）23?0179?03

Abstract： The design thought of the hybrid power system is proposed on the basis of hybrid electronic control system and CAN bus technology. Based on the principle of reliability， the distribution function is used to quantify the circuit system. The high?voltage circuit of the hybrid electric control system is composed of connector， contactor， relay and other components. The shielding method of one?point grounding is used to resist the coupling interference among the circuit lines to realize the design of the low?voltage circuit. The serial communication circuit is adopted to ensure that the receiver can receive the input bite value at the phase buffer section after the data is sent by the transmitter， in which the multiple units are connected to the CAN bus simultaneously. The buffer length is controlled to guarantee the synchronism of circuit communication， and realize the design of the hybrid power control system of the automobile electronics. The experimental results show that the automotive circuit electronic control system based on CAN bus technology can realize the stability control.

Keywords： automotive circuit； hybrid electronic control system； CAN bus communication； system design

0 引 言

文獻[1]提到汽車是現代社會大工業化的結晶，對人類文明發展而言，其在生產、技術、規模、經濟效益等各個方面現實意義重大。汽車產業鏈發展的同時，人類也面臨著能源枯竭、環境污染、全球溫室效應等問題的嚴峻考驗，這些難題需要得到快速解決[2?3]。如今，市場上出現了許多小型電動汽車與混合動力汽車，其低排放甚至零排放的優勢已經成為突破難題的有效方法，被廣泛關注。

文獻[4]中提出由導線連接的固定件和保護件等組成汽車電路，汽車電力與通信信號通過汽車電路進行傳輸。類似繼電器電路、開關電路這樣的簡單電氣連接通常選用傳統點對點布線方式。如今具有高性能的汽車越來越多，對其電路系統各方面的功能要求也越來越高，電路系統進行復雜的順序控制時，傳統電路局限性愈發明顯[5?6]。

文獻[7]指出相較于傳統汽車，混合動力汽車的特點是具有較大體積的電池組和強大的電動機，所以車載電路需要符合高電壓、大電流的要求，在一些特定的情況下，如汽車的制動能量被二次利用時，汽車的電動機會快速轉變成發電機的角色，該過程中電流瞬間換向會對回路形成巨大沖擊，因此，電路設計時必須對高壓電路各組件的可靠性進行充分考量，然后重新進行分析和布置。

本文提出針對汽車電路系統優化設計混合電力電控系統。首先，根據可靠性原則，依靠分布函數對電路系統的可靠度完成量化，通過連接器及繼電器等重要部件組成該混合電控系統高壓電路，各子系統主要由車身控制器、發動機ECU及電機控制器等主要構件構成，然后通過一點接地的屏蔽方法實現線路間的耦合干擾控制，完成對低壓電路的設計；其次，利用CAN總線技術實現電路信號的傳輸，為使各節點位具備相同的速率，令一條多個單元同時連接CAN總線進行串行通信線路，在發送器輸出數據后確保接收器可以在相位緩沖段收到輸入位值，通過控制緩沖長度保證電路通信的同步性，最終實現對汽車電子混合電力電控系統的設計。

1 汽車電子混合電力電控系統設計方案

1.1 混合電力電控系統電路設計

混合電力汽車在燃油經濟性以及能量利用率方面優勢突出，通過在動力系統中增添大功率驅動機，實現其供電的動力電池組的混合型汽車功能。驅動方式可分為三種，分別為串聯、并聯以及混聯方式。endprint

整車動力輸出單元主要由發動機和電機組成，動力通過變速箱傳遞到車輪。本文為了滿足電路需求，方案分別設計了高壓電路及低壓電路，通過高耐力的高壓導線連接驅動電機與動力電池組，具有高壓導線的電路稱為高壓電路[8]；30 V電壓以下的工作電路稱為低壓電路，汽車控制電路、各控制器的電源線路、信號線路等構成了低壓電路。具體混合電力電路設計圖如圖1所示。

根據汽車電路系統設計原理，假設隨機變量[X]為系統的元件，[Ft]是關于[X]的分布函數，[ft]是關于[X]的密度函數。分布函數[Ft=P]（[P]為常量）。若[t]保持不變，[Ft]增大，壽命低于[t]的概率越大，則壽命高于[t]的概率就會越小。因此[Ft]越大，系統元件的使用期限就會越少，顯而易見，[Ft]是不信任函數。則[Rt=1-Ft]為可信任函數。元件可靠度[Rt]是最基礎的可靠性量化表示。

蓄電池是汽車電路系統的電源，當汽車處于混合動力運行下，汽車系統管理器進行監控，電能就會從電池正極流出進入蓄電池組，直流電通過電機控制器逆變成三相交流電再進入電機。為實現能量有效回饋，對高壓電路的各部分進行設計及分析，具體高壓線路設計如圖2所示。

設計高壓電路連接器（插接器）：約束分段之間的連接利用線束布置較方便，目前被廣泛采用的是插接式連接器，即插接器。為了解決“熱點”問題，通過與自鎖的接頭結合，使接觸面積逐漸變大，其壓降就會降低，當大電流流過端子時，發散的熱量就會減小，從而有效減少出現“熱點”現象的概率。

設計高壓電路接觸器：作為繼電器?接觸器控制系統中最重要的元件之一，接觸器通過外部輸入命令控制電路的連通和斷開，開關的連通與閉合通過地磁力的作用得以實現。因為汽車混合電路接觸器控制的電路電流較大，容易產生拉弧現象，因此需采用滅弧裝置，安裝自感應抑制器線圈接觸器可有效抑制線圈自感應電動勢，使信號干擾最小化。

設計高壓電路繼電器：繼電器也可以稱其為小型接觸器，為滿足功率，充分實現低壓控制與高壓輸出之間橋梁的作用，因此，本文通過結合晶閘管與繼電器實現控制電流經過時的電壓。

整車控制器是實現汽車控制策略的重點，動力蓄電池組為動力蓄電池的一種，主要功能是為電機提供電量，并且成為整個動力電路的電源。依據駕駛員的操作即各子系統當前狀態，整車控制器判定各子系統的運行模式，然后相應地對其進行能量分配和協調控制。若要低壓電路系統不受到信號干擾，則該電路系統應做如下設計。

搭鐵線的傳導抗干擾設計：在汽車電路中搭鐵線的作用非常重要，汽車電路利用單線制對整個系統中所有的電路進行搭鐵以形成回路。通過搭鐵線設計形成良好回路，也保證了與車架的良好連接。

1.2 基于CAN總線的混合電控系統設計

在汽車系統中，CAN總線技術應用較廣泛且優勢明顯，該技術的應用可有效減少系統內各零部件電線的連接，減少回路量。采用CAN技術的目標為運用任意兩個CAN都可達到系統的兼容，其通信協議主要表達信息的傳遞方式。同時，CAN具備有限選擇權及仲裁權，一定數量的單片機可在CAN控制器上實現連接，并形成局域網。

CAN的連接和傳送方式設計：CAN代表中心系統的局域網，通過一連多的方法，完成連接總線的任務。在理論上，連接線的數量是沒有限制的；實際上通信信號延遲時間和總線電氣負載對單元數量產生了較大的影響。通過總線上的“線與”進行操作處理，運用邏輯“0”代表可見電量；運用邏輯“1”代表不可見電量。CAN總線連接過程中，各線路節點的位速率是一致的，發送器在未完成同步時，其數據要進行改變；接收器接收位值時恰好處于相位緩沖段。相位緩沖段的長度可任意設置，以保證穩定運行。由于各節點存在差異，CAN總線利用時鐘同步技術確保通信同步性。

CAN總線漏洞檢測分析：CAN為了達到抗干擾和數據穩定的目的，利用各種漏洞檢測措施，例如數據分析、刪減錯誤、排除錯誤等手段，當系統發現某種錯誤時，接收站都會將“錯誤”以一種信號的方式傳送到終點站。

綜上所述，汽車混合電路電控系統通過運用可靠性設計原則，對電路系統分別進行高壓電路及低壓電路設計，并采用CAN總線技術與電路系統實現耦合，有效地完成汽車混合電控系統的設計。

2 仿真實驗及結果分析

汽車電路系統是整個汽車系統的重要組成部分，為了更好地保證汽車的穩定運行，電路系統須適應環境變化并且可以長期有效、安全地工作。因此，本文提出根據可靠性原則對混合電力電控系統進行設計，通過運用電子電路仿真環境進行實驗，驗證本文設計方案的可靠性。

實驗1：本文依據可靠性原則提出對汽車電控系統進行設計，仿真實驗選取一個靜態模型，對汽車混合電控系統電路進行仿真實驗。運用靜態模型進行電路輸出電壓實驗，與本文可靠性原則電路設計方案的電路輸出電壓進行結果比較，具體如圖3，圖4所示。

通過運用本文的可靠性原則對汽車混合電力電控系統進行設計，獲取電路電壓輸出曲線圖如圖3所示。從圖3中可觀察出在汽車啟動初期電壓值輸出較大，隨著系統逐漸穩定后，電路電壓輸出趨于平緩。圖4則是利用靜態模型模擬電路獲取的電壓輸出曲線圖，由圖4能夠看出電路輸出的模擬結果與本文可靠性原則設計方案的電壓輸出結果基本一致，且曲線方向及起伏狀態也吻合，表明本文設計方案與仿真實驗結果一致。

根據實驗環境設定，現對本文可靠性設計方案及靜態模型實驗法進行電壓輸出仿真實驗，對混合電控系統進行60次實驗，以每10次實驗結果為一組進行統計，獲取電壓輸出值，觀察并比較輸出結果。具體如表1所示。

表1數據顯示，運用本文設計方案對汽車混合電力電控系統電路輸出電壓進行統計，與靜態模型實驗電路輸出電壓統計結果進行比較后，可看出輸出電壓值結果誤差非常小，表明本文設計方案與實驗結果一致，該設計方案為有效可行的設計方法。endprint

實驗2：由于汽車電力系統是一個復雜不穩定的電路系統，因此，本文利用CAN總線技術對電路系統中出現的通信故障進行檢測，與汽車局域網檢測技術的檢測結果進行比較，驗證兩種方法檢測汽車電路通信故障的準確性。實驗預先提供5組數據，5組數據中2組數據為故障數據（故障為N，無故障為Y），利用兩種方法對以上數據進行故障檢測，具體檢測結果如表2所示。

通過數據對比可看出，利用本文CAN總線技術對電路通信故障數據進行檢測，其檢測通信故障數據的正確率為100%，表明汽車混合電控系統一旦出現故障，利用本文CAN總線技術即可立即檢查出來；而利用汽車局域網檢測技術的正確率未能達到100%，因此，利用該技術會影響整個汽車的安全性能。

3 結 論

隨著經濟的飛速發展，汽車成為人們不可缺少的交通工具，在整個汽車系統內電力電控系統成為汽車電路的重要構成部分，于是本文以汽車電子混合電控系統為研究對象，對其進行優化設計以確保汽車系統的穩定運行。首先，根據可靠性原則采用分布函數對汽車電路系統進行量化處理，并對電路實現高、低壓電路設計，且同時對易受干擾的低壓電路進行抗干擾設計；其次，采用CAN總線技術對汽車混合電控系統中的電路通信故障進行實時檢測，從而實現汽車電子混合電力電控系統的優化設計。

參考文獻

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