以某款混合動力電動汽車為例淺談HCU控制器軟件系統(tǒng)

林香，劉高斌

（1.閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 龍巖 364021；2.福建省龍凈環(huán)保有限公司，福建 龍巖 364021）

引言

傳統(tǒng)的燃油小轎車，由于尾氣排放量大，給環(huán)境帶來嚴(yán)重的危害，混合動力汽車既能滿足人們的出行習(xí)慣，同時(shí)又能緩解尾氣排放引起的環(huán)境問題，因此大部分車企都在積極開展混合動力汽車的研究與開發(fā)。

1 系統(tǒng)簡介

本文以某款傳統(tǒng)汽油車為樣車原型，以一款P04系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的混合動力電動車的HCU控制器為對象，詳細(xì)闡述HCU軟件設(shè)計(jì)原則、軟件功能定義以及軟件的架構(gòu)設(shè)計(jì)。其中P0是指在發(fā)動機(jī)中遠(yuǎn)離飛輪端的BSG電機(jī)，它與發(fā)動機(jī)的連接是通過皮帶來完成，BSG電機(jī)具有集啟動發(fā)動機(jī)與發(fā)電功能為一體，發(fā)動機(jī)與上齒雙離合變速箱相連，變速箱與前橋連接[1]。P4位置的永磁同步電機(jī)通過主減速器與差速器和后橋相連。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 P04系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

2 HCU軟件功能定義

HCU（Unit Control Hybrid），即混合動力控制單元[2]，結(jié)合混合動力整車需求，需實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（1）低壓上電控制功能：通過IG1喚醒后，判斷PEPS的啟動狀態(tài)指令為 ON，則閉合低壓主繼電器和水泵控制繼電器。

（2）高壓上電控制功能：判斷高壓系統(tǒng)低壓自檢是否完成，控制MCU、BSG、PTC高壓繼電器閉合，發(fā)送閉合電池包主正主負(fù)指令給 BMS，BMS接收到閉合指令后開始進(jìn)行預(yù)充，待預(yù)充完成后，斷開預(yù)充繼電器的同時(shí)閉合主正。

（3）駕駛解析：結(jié)合PEPS啟動停機(jī)信號解析、制動踏板解析、加速踏板解析、檔位狀態(tài)解析、模式開關(guān)進(jìn)行綜合判斷駕駛員駕駛意圖，發(fā)送控制指令給相關(guān)執(zhí)行器系統(tǒng)。

（4）行駛模式控制功能：主要對純電動行駛模式、混合動力HEV行駛模式和混合動力四驅(qū)行駛模式進(jìn)行控制。

（5）能量回收控制功能：當(dāng)車速高于某一值時(shí)，判斷駕駛員意圖，進(jìn)行能量回收。

（6）行車充電模式控制功能：行車過程中利用EM電機(jī)對電池包進(jìn)行充電。

（7）電機(jī)控制功能：結(jié)合駕駛員意圖，發(fā)送扭矩至電機(jī)控制器，控制電機(jī)工作。

（8）BMS能量管理功能：計(jì)算整車需求功率，對電池包能量實(shí)時(shí)進(jìn)行合理分配。

（9）BSG使能控制功能：通過扭矩控制BSG電機(jī)控制器，使能輔機(jī)，用來起動發(fā)動機(jī)及發(fā)電。

（10）啟動機(jī)使能功能：在無法正常使用BSG啟動發(fā)動機(jī)時(shí)，控制啟動機(jī)啟動發(fā)動機(jī)[3]。

（11）發(fā)動機(jī)控制功能：通過BSG控制發(fā)動機(jī)啟動和停機(jī)；對發(fā)動機(jī)進(jìn)行扭矩和轉(zhuǎn)速控制[4]。

（12）DCT檔位控制：控制DCT檔位，使整車動力系統(tǒng)工作在合理工況。

（13）DCDC控制功能：控制DCDC使能，給12V鉛酸蓄電池充電。

（14）冷卻水泵控制功能：控制水泵低壓供電及轉(zhuǎn)速，冷卻電機(jī)、DCDC等系統(tǒng)。

（15）真空泵控制功能：根據(jù)真空泵壓差信號及環(huán)境大氣壓信號控制真空泵使能。

（16）模式切換控制功能：上電啟動進(jìn)入READY狀態(tài)后，默認(rèn) HEV模式，后根據(jù) EV按鈕、HEV/4WD按鈕、CHARGE按鈕及整車狀態(tài)控制駕駛模式切換。

（17）整車故障安全處理功能：劃分整車故障等級，對各等級故障分別處理，對整車進(jìn)行安全駕駛保護(hù)。并根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)故障，對各系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)。

（18）低速報(bào)警功能：當(dāng)車速低于20 km/h時(shí)，發(fā)送PWM信號控制蜂鳴器，發(fā)出低速報(bào)警提示音，以提示行人。

3 HCU軟件基本原則和設(shè)計(jì)原則

3.1 HCU軟件基本原則

（1）整車安全性、整車部件耐久性；

（2）基本駕駛性能、整車平順性能；

（3）整車經(jīng)濟(jì)性能、整車動力性能。

3.2 HCU軟件設(shè)計(jì)原則

（1）故障分級處理及信號多重校驗(yàn)原則；

（2）降低復(fù)雜度簡化設(shè)計(jì)原則；

（3）有限狀態(tài)自動機(jī)原則；

（4）模塊化開發(fā)原則：高內(nèi)聚、低耦合；

（5）參數(shù)化、可標(biāo)定化原則。

4 HCU總體結(jié)構(gòu)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。其中，控制器硬件層是指控制器硬件本身，控制器硬件主要負(fù)責(zé)執(zhí)行程序運(yùn)算、CAN收發(fā)、硬線信號的輸入輸出；控制器軟件接口層是將 HCU軟件與控制器硬件相銜接的部分。其中包括兩路 CAN信號收發(fā)、高低邊開關(guān)輸出、開關(guān)信號輸入、模擬信號輸入、周期信號輸入的被調(diào)函數(shù)，并提供被調(diào)函數(shù)接口；軟件服務(wù)層是指與HCU軟件輸入輸出緊密相關(guān)的部分，包括CAN信號解析與編碼，硬線信號發(fā)送與接收解析、數(shù)據(jù)存儲、參數(shù)標(biāo)定、狀態(tài)監(jiān)測、功能測試、程序運(yùn)行語段管理等模塊；系統(tǒng)控制層是指整車控制策略部分，包含了駕駛解析、扭矩分配、上下電管理、故障處理等模塊。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

4.2 HCU軟件架構(gòu)

HCU軟件架構(gòu)圖如圖3。按層級可劃分為軟件服務(wù)層和系統(tǒng)控制層。

圖3 HCU軟件架構(gòu)圖

（1）軟件服務(wù)層可分為如下模塊：

1）控制器喚醒、休眠、程序運(yùn)行語段時(shí)序管理模塊：負(fù)責(zé)上下電時(shí)控制器的喚醒、休眠；程序運(yùn)行時(shí)序及周期管理。

2）數(shù)據(jù)存儲模塊：負(fù)責(zé)對需要記錄的數(shù)據(jù)下電前寫入EEPROM，上電時(shí)從EEPROM讀取。

3）狀態(tài)監(jiān)測及功能測試模塊：與CAN收發(fā)硬件及功能軟件相匹配，實(shí)時(shí)監(jiān)測核心數(shù)據(jù)，同時(shí)具備功能測試功能。

4）參數(shù)標(biāo)定模塊：集成了系統(tǒng)所有的標(biāo)定參數(shù)，同時(shí)具備CCP協(xié)議通訊功能。可以通過標(biāo)定軟件進(jìn)行標(biāo)定。

5）硬線信號輸入輸出模塊：負(fù)責(zé)硬線信號的解析，發(fā)送。

6）總線信號輸入輸出模塊，負(fù)責(zé)對兩路 CAN 信號的接收和發(fā)送。

（2）系統(tǒng)控制層模塊如下：

1）從軟件服務(wù)層輸入的信號經(jīng)過濾波、數(shù)值計(jì)算等處理，同時(shí)根據(jù)各核心零部件所報(bào)出的故障、通訊故障以及 HCU認(rèn)為的故障進(jìn)行故障統(tǒng)一編碼和分級。

2）工作模式識別部分，根據(jù)車輛狀態(tài)及駕駛員選擇，劃分為行車模式和駐車模式。其中，行車模式可分為混合動力失效模式與混合動力模式。混合動力失效模式可分為倒車模式與前進(jìn)模式。混合動力模式可分為倒車模式與前進(jìn)模式，前進(jìn)模式可分為混動運(yùn)動模式、純電模式、強(qiáng)制充電模式、混動經(jīng)濟(jì)模式；駐車模式可分為駐車上電模式、駐車下電模式、靜止駐車模式、駐車充電模式、駐車發(fā)電模式[5]。

3）扭矩控制模塊，根據(jù)駕駛員踏板深度、車速，計(jì)算出駕駛員需求扭矩，根據(jù)各動力源部件（EM電機(jī)、BSG電機(jī)、發(fā)動機(jī)）當(dāng)前狀態(tài)及電池狀態(tài)確定各部件可行工作域，根據(jù)能量最優(yōu)原則對駕駛員需求扭矩進(jìn)行分配。

4）檔位、離合、扭矩、發(fā)動機(jī)啟停動態(tài)協(xié)調(diào)模塊。根據(jù)能量最優(yōu)原則確定檔位及離合結(jié)合時(shí)機(jī)。在換擋過程及離合結(jié)合過程中，動態(tài)協(xié)調(diào)扭矩指令。

5）根據(jù)離合器狀態(tài)及整車工作模式及停機(jī)判斷條件，計(jì)算停機(jī)指令。

6）根據(jù)工作模式、故障狀態(tài)確定上下電指令。

7）根據(jù)工作模式及各附件狀態(tài)，發(fā)送各附件控制指令。

8）根據(jù)工作模式，扭矩分配指令、各部件狀態(tài)、上下電狀態(tài)，發(fā)送核心部件控制指令，核心部件包括DCT、發(fā)動機(jī)、BSG電機(jī)、EM電機(jī)。

5 結(jié)論

通過以某P04系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的混合動力電動車為對象，完成HCU軟件架構(gòu)圖設(shè)計(jì)以及軟件各功能模塊的定義，為混合動力電動車的HCU控制器的設(shè)計(jì)及開發(fā)提供參考思路。