一種基于MATLAB/Simulink 的增程器控制系統

譚明作

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

在實施國VI 排放標準和新階段的油耗法規過程，國家制定了雙積分政策，負積分車企將面臨嚴厲的行政處罰。為此，各車企加速進行低能耗產品的研發，除了純電汽車的研發，混合動力汽車也是各個車企重點研發的車型。混動汽車能顯著降低整車油耗，相對于傳統燃油車，節油效果超過25%。

增程式汽車是混動汽車其中的一個重要分支，增程器用于給動力電池進行能量補充或者在加速過程中對行駛功率進行能量補充，從而使車輛具備更遠的續航里程和更強勁的動力體驗。在增程式汽車中，最具代表性的是日本日產汽車的e-POWER 增程動力，兼顧低成本和低油耗，因而被市場廣泛接受。

Simulink[1]是MATLAB 環境下的一個進行動態系統建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。Simulink 的模塊化設計通俗易懂、直觀易學，目前被廣泛用來進行汽車控制系統的模型開發。本文的增程器控制系統是基于MATLAB/Simulink 的模塊化開發，主要用于協調控制發動機和發電機，確保系統穩定運行在高效的發電工況，同時兼顧控制發動機運行狀態，確保發動機排放符合法規要求。

1 增程器控制系統架構

對于整車控制器（VCU：Vehicle Control Unit）來說，增程器控制系統架構可以分成兩大類型，一種是集中式增程器控制，另一種則是分布式增程器控制。

對于增程器集中式控制的架構，是將增程器控制單元（RECU：Range Extender Control Unit）的功能模塊集成在VCU 中，由VCU 直接對發動機控制系統（ECU：Engine Control Unit）和發電機控制器（GCU：Generator Control Unit）進行協調控制，如圖1 所示。

圖1 增程器集中式控制架構圖

VCU，Vehicle Control Unit，整車控制器；RECU，Range Extender Control Unit，增程器控制單元；GCU，Generator Control Unit，發電機控制器；MCU，Motor Control Unit，驅動電機控制器；BMS，Battery Management System，動力電池管理系統；DC/DC，高低壓直流轉換器。

對于增程器分布式控制的架構，VCU 是單純的整車控制單元，沒有將RECU 功能模塊放入其中。VCU 不直接對ECU 和GCU 進行協調控制，只需根據車輛狀態，對RECU 提出功率需求，由RECU 根據VCU 的功率需求，對GCU 和ECU 進行協調控制，如圖2 所示。

圖2 增程器分布式控制架構圖

本文的增程器系統架構采用分布式控制。采用分布式控制的增程器控制系統，能有效降低VCU 的軟件開發難度，提高了增程器產品的匹配開發效率。

2 RECU 的模型開發

RECU 模型是基于MATLAB/Simulink 的模塊化開發，由CAN_Input_Interface、Range_Extender_Control 和CAN_Output_Interface 三個大模塊構成。

2.1 CAN_Input_Interface 模塊

CAN_Input_Interface 模塊是信號輸入模塊，用于接收VCU、ECU 和GCU 相關的信息，如VCU 的充電請求、功率請求、增程器運行請求等；ECU 的發動機水溫信息、發動機轉速信息、發動機扭矩信息、發動機故障信息、發動機扭矩限值信息、發動機的噴油狀態等；GCU 的發電機溫度信息、發電機電流信息、發電機電壓信息、發電機轉速信息、發電機扭矩信息、發電機故障信息、發電機扭矩限值信息等基礎輸入信息，如圖3 所示。

圖3 CAN_Input_Interface 的VCU 信息輸入模塊

Range_Extender_Control 模塊根據這些基礎輸入信息，來對增程器系統進行協調控制。

2.2 Range_Extender_Control 模塊

Range_Extender_Control 模塊是增程器控制系統的核心模塊，用于對子部件的故障信息進行處理，對VCU的功率請求進行計算，對增程器狀態機進行控制，根據功率需求對ECU 和GCU 進行扭矩協調等。

2.2.1 故障信息處理

RECU 根據ECU 和GCU 上傳的故障信息，根據約定規則進行分類轉化后，分成一級故障、二級故障和三級故障。當系統處于一級故障時，RECU 需要采取停機措施，以保護安全或者保護硬件，同時上傳故障信息給VCU；當系統處于二級故障時，RECU 采取限制功率保護，同時上傳故障信息；當系統處于三級故障時，RECU只上傳故障信息給VCU，不做其他限制動作。故障信息處理模塊如圖4 所示。

圖4 故障信息處理模塊

2.2.2 增程器發電功率處理及運行轉速控制

根據VCU 向增程器發出的功率需求，RECU 需要結合當前發動機水溫狀態、機械功率補償、系統功率限值、功率增減斜率等因素，進行綜合計算處理，最終生成增程器的發電功率指令RECU_Pwr_Cmd，計算處理過程，如圖5 所示。

圖5 RECU 對VCU 需求功率的計算處理

在得到發電功率指令后，經過查表，就可以得到增程器最優的工作點，此時的工作點是在該發電功率之下系統最經濟的運行點，具備最低的燃油消耗率。在這個計算環節中，我們運用StateFlow[2]對增程器狀態進行處理，最終輸出對增程器的轉速控制指令Spd_Cmd，如圖6 所示。

圖6 RECU 根據功率計算轉速指令

2.2.3 增程器扭矩協調控制

根據前面計算處理得到的發電功率指令RECU_Pwr_Cmd 和轉速控制指令Spd_Cmd，RECU 結合ECU、GCU 相關的扭矩限制條件，以及保證增程器扭矩變化平穩過渡，使增程器運行穩定為目標，經過綜合計算處理后，得出發動機的運行扭矩指令Eng_Trq_Ref。RECU 根據發動機運行扭矩指令Eng_Trq_Ref 和轉速控制指令Spd_Cmd，通過PID 控制器，對發電機的發電扭矩進行閉環控制，從而使增程器最終實行VCU 的功率需求響應。RECU 對發動機運行扭矩的計算，如圖7 所示。

圖7 RECU 對發動機運行扭矩進行計算

2.3 CAN_Output_Interface 模塊

經過Range_Extender_Control 模塊的運算處理和協調控制后，向CAN_Output_Interface 模塊輸入基本控制信息和狀態信息。CAN_Output_Interface 模塊對這些控制信息和狀態信息進行再次處理后，分別向VCU、ECU 和GCU輸出相應的狀態信息和控制指令，從而完成對發動機與發電機的協調控制，讓增程器按照VCU 的功率需求進行發電，并使增程器運行在最經濟的工作狀態。CAN_Output_Interface 模塊的信號輸出處理，如圖8所示。

圖8 CAN_Output_Interface 的GCU 控制信號輸出模塊

3 RECU 集成與應用

基于GCU 強大的硬件資源，經過系統計算，GCU 的芯片能力和存儲空間均滿足RECU 的需求。在對GCU的BSW（Basic Software）進行相應的匹配開發后，基于MATLAB/Simulink 模型化開發的RECU 模型可以很好的移植并集成到GCU 中。經過Tasking 編譯生成的RECU 軟件代碼，能友好的刷寫入GCU，順利完成標定和調試。

該增程器控制系統運用于某新型增程車，并進行油耗和排放測試，排放結果符合國六法規要求，油耗結果為5.09 L/100 km，相對該車型的傳統燃油車油耗（6.9 L/100 km），節油率達26.2%，具有顯著的節能效果。

4 結論

成功開發的基于MATLAB/Simulink 模型化開發并集成于電機控制器的增程器控制系統具有可讀性強、移植性好、集成度高、硬件綜合成本低等優點。該系統在協調控制發動機時采用扭矩控制方式，控制精度高、控制響應快等，使增程器總成始終處于最經濟的工作狀態，有效降低燃油消耗，排放符合國VI 標準。該系統可為混動汽車的開發設計提供參考。