普銳斯插電式混合動力車的控制ECU

周 泉

受解決全球環境問題的措施及石油價格飛漲的影響，用戶對油耗及影響環境等因素的關心程度正在進一步加強。各國政府都在逐年加嚴排放法規，不斷地要求汽車廠家降低燃油的消耗量，減少CO2的排放。美國加利福尼亞州空氣管理署 （CARB）規定:從2012年起，各汽車廠家有義務實現所銷售的汽車達到零排放車款法案的要求。很多汽車廠家接受了這一法案，并在2009年發布了關于生產電動汽車的公告以及上市時間表。日本從2009年起就已經執行了新能源車的減稅政策。由此可見，混合動力車 （Hybrid Vehicle，以下簡稱HV）正在吸引人們的眼球，其銷售數量也在急劇增長。

雖然電動汽車 （Electric Vehicle，以下簡稱EV）在環境性能方面非常優秀，但是其電池的儲備容量、成本還有許多難題需要解決；就現狀來說，在續航距離與價格方面還無法與汽油車相媲美。因此，在短距離上可以代替EV使用的混合動力車HV中的一種——插電式混合動力車 （Plug-in Hybrid Vehicle，以下簡稱PHV）正在引起人們的重視。2010年6月1日，中國政府的財政部、科技部、工信部、國家發展改革委聯合出臺了 《關于開展私人購買新能源汽車補貼試點的通知》（以下簡稱 《通知》）?！锻ㄖ分忻鞔_提到，純電動乘用車每輛最高補貼6萬元，插電式混合動力乘用車每輛最高補貼5萬元。

1 系統構成

1.1 混合動力車HV系統構成

在說明PHV之前，首先介紹作為基型車輛的普銳斯HV的系統構成。一般說來，所謂HV是指具有2種以上的動力，根據所處的狀況利用一種或者兩種以上的動力源行駛的車輛。普銳斯HV采用汽油與電力2種動力源，由發動機或電動機供給踏板所要求的驅動力。

眾所周知，HV的特點是優秀的靜音性與低油耗；在功能上，具有代表性的特性是4點:①怠速停機；②加速時的電動機助力；③只靠電動機行車的EV行駛；④實現制動時回收電能的再生制動器。

與汽油車相比，為了實現上述功能，HV上增加了以下4個系統:①包括電動機、發電機、動力分配器的變速驅動橋；②功率控制單元 （Power Control Unit，以下簡稱PCU）；③高壓蓄電池；④控制混合系統的計算機 （混合控制ECU:HV-ECU）。普銳斯HV系統構成如圖1所示。

在HV上，由于將發電機作為發動機的起動機使用，使 “怠速停機”得以實現。高壓蓄電池的作用是驅動電動機的動力源，實施 “加速時的助力”與 “EV行駛”。進而利用電動機實現將動能變換為電能的 “再生制動”以及利用發動機驅動發電機，由此實現對高壓蓄電池的充電。上面說到的電都是由功率控制單元PCU來進行調整的，動力的分配是由動力分配機構完成的。HV-ECU則基于各種輸入信號實現對系統的整體控制。

1.2 插電式混合動力車PHV系統構成

普銳斯PHV的系統構成如圖2所示。在HV上，對高壓蓄電池的充電是在行駛過程中以及怠速過程中等行車過程中進行的。但PHV是一種在駐車時還可以用外部電源充電的HV。作為外部電源的充電，可以使用家用電源插座，這樣，利用車輛上的充電器就可以對高壓蓄電池進行充電。

PHV的特點是其具有EV與HV兩者的功能，對短距離，利用PHV已充的電力代替EV，可以減少CO2的排放以及降低燃油的成本；對于長途及高速行駛，則以本來的HV使用。由此，在沒有建立充電站的地方也可以使用這種車輛。

與普銳斯HV相比，普銳斯PHV有5個特點:①在左擋泥板的后方增設了可接入充電電纜的充電插口；②在右前座的下方，增設了將家用交流電變換為直流電、對高壓蓄電池進行充電的逆變器；③高壓蓄電池由鎳氫蓄電池改為鋰離子蓄電池，并且加大了蓄電池的容量；④伴隨著增加了充電功能，將控制混合動力系統的計算機改為插電式混合控制ECU（PHV-ECU）；⑤更改儀表的顯示、追加充電指示燈以及追加對用戶的通知功能。

通過這些系統的更改，與基型普銳斯HV相比，普銳斯PHV靠電動機行駛的EV使行駛距離有了大幅度提高，達到了23.4km。

一般人可能認為，要提高靠電動機行駛的EV行駛距離的話，只要在老式的EV上裝設充電器、加大蓄電池容量就可以實現PHV了，但實際上，還必須與新的控制原理及標準相適應。因此，與老式的HV-ECU相比，控制整個系統的PHV-ECU要做大量的更改。

2 ECU構成

豐田汽車公司在2009年12月開始限定銷售以普銳斯為基礎生產的PHV。在這種汽車上，設置了混合控制與外部電源充電控制的ECU，即插電式混合動力車的控制ECU，簡稱為PHV-ECU，其內部結構如圖3所示。

2.1 與老式ECU構成的不同點

如前所述，插電式混合控制ECU（PHV-ECU）是在老式的混合控制ECU（HV-ECU）上追加了插電式充電功能。由此，控制軟件容量大幅度增加，老式結構的2個CPU已經無法滿足要求，代之以3個CPU。

2.2 運用老式ECU的設計成果

從2007年開始，廠家就在探討PHV-ECU的研發，當時的計劃是大約用3年的時間實現批量生產，對此，必須采用短期開發的策略才能得以實現。由于新的系統要求比較高，以 “破舊立新”（scrap and build）的做法進行開發的可能性還是比較大的。因此，首先應用老式ECU（HV-ECU）的設計對PHVECU的結構進行研究，希望可以實現高效開發。開始只對追加功能的部分開發新的ECU（插電式ECU），與老式的ECU分別采用不同的底板，再用數據線連接起來，認為這種結構效果可能最佳。但是后來才發現，由于通信的數據量、所要求的速度等問題，整個系統的HV-ECU與插電式ECU之間的通信無法實現。為此，將追加功能這一部分添加到老式的HV-ECU處，集中到一塊底板上，如圖4所示。這樣做的目的是提高通信速度，同時可以利用HV-ECU的電路結構、底板結構，利用原來的設計資料與認證資料。通過采用主、副CPU與插電式CPU布置在同一塊底板上，使得對控制規格、失效保護功能等老式ECU思路的更改控制到最小程度。

2.3 ECU的起動與終了時的處理

在老型號產品上，是利用按鈕起動開關來接通系統電源的。但在PHV-ECU上，除了用按鈕起動開關來接通系統電源之外，還需要在用戶插入充電電纜、接通系統電源時進行充電控制。因此，在老式的按鈕起動開關的起動電路中，追加了充電電纜是否插入的檢測電路，即追加了電纜插入檢測與系統電源接通功能，如圖5所示。

在充電終了時，斷開系統的電源，又處于起動待機狀態。

3 充電控制

3.1 充電電纜

在普銳斯PHV利用家用電源充電的場合下，就要使用專用的充電電纜，如圖6所示。

普銳斯PHV的充電電纜及車輛一側接口的技術條件是按照美國汽車工程學會標準SAE1772:“電動車輛傳導充電系統”（SAE Electric Vehicle Conductive Charge Coupler）。充電電纜一側的接口裝在一個四方盒子內 （簡稱CCID盒），其具有的功能是 “與車輛的連接狀態的檢測”、“有否漏電的檢測”以及“異常時斷開車輛與家庭之間的電源”。充電電纜與車輛的連接如圖7所示。車輛側的充電罩的結構如圖8所示。

3.2 充電步驟

按SAE標準規定的充電步驟如下所述。

1）檢測車輛的連接 充電電纜內的控制單元通過監測控制導引 （Control Pilot）電路信號電壓的變化 （U1→U2），檢測出電纜已與車輛連接。

2）通知電流的額定值 充電電纜內的控制單元以發出控制導引 （Control Pilot）信號 （方波）的占空比的形式向PHV-ECU通知電源設備 （家用電源與電纜）的額定電流。如圖9所示。

3）通知車輛側充電準備工作完成 利用導引（Control Pilot） 信號的電壓變化（U2→U3）， PHVECU對充電電纜內的控制單元發出通知:充電準備工作已完成。如圖10所示。

在標準中，還規定了可以通過增大電壓變化量的方法通知設備一側換氣的必要性，但普銳斯PHV沒有換氣的必要，所以，沒有采用這一條的規定。

4）電纜內觸點的閉合 充電電纜內的控制單元檢測出充電準備工作已完成的通知后，則使向車輛送電的觸頭閉合。此外，當檢測出漏電或與設備的搭鐵等狀況有異常時，充電電纜內的控制單元可以斷開觸頭。

普銳斯PHV在充電過程中，副駕駛座位前儀表板上的指示燈亮起，由此可以知道:目前正在由車外進行充電，如圖11所示。

3.3 PHV-ECU的工作原理

普銳斯PHV上設置的PHV-ECU的要件有下列各項:①家用電源停電時，PHV-ECU應處于待機狀態；②充電完成之后，PHV-ECU應處于待機狀態。

為了滿足上述要件的要求，決定了PHV-ECU的起動要取決于導引信號。導引信號處于高電平時，微機被喚醒 （Wakeup），閉合車輛一側的系統電源。對普銳斯PHV的導引信號動作進行了如下設計，如圖12所示。

從圖12可以看出，如果不是精心設計的話，在與車輛連接的時刻，導引信號電壓變為U2，充電電纜內的控制單元就會按占空比發出驅動信號。但在普銳斯PHV上，由于設計者精心設計，增加了電路，在與車輛連接的時刻，電壓變為U1。再通過PHV-ECU內的微機驅動電路，向U2轉換。通過這樣的更改，在起動時，PHV-ECU檢測到導引電壓從0V變到U1，就可以實現穩定的起動。

在深夜的等待供電或停電待機的場合下，家用電源無法向充電電纜供電，這時導引信號變為0 V；在非深夜以及恢復供電時，電源向充電電纜供電、導引信號電壓變為U1。PHV-ECU正是通過如此的變化，導引信號在0V時為待機，電壓變為U1才開始起動并進行充電控制。在充電終了之后，PHV-ECU使導引信號電壓回到U1，充電電纜內的控制單元檢測到電壓為U1時，則停止占空比驅動。由此，在充電結束后，還可以保持穩定的待機狀態。插電式混合動力車充電控制的流程如圖13所示。

3.4 車輛狀態的儀表顯示

在設計儀表顯示方案時，設想用戶駕駛車輛（操縱按鈕起動開關、充電電纜插入等）的所有場合之后，利用PHV-ECU實現危險回避控制、報警顯示，如圖14所示。

舉一個例子來說，為了防止在充電電纜插入的場合下起動車輛，造成充電設備損壞等，所以實施防止拖拽控制。具體地說，當充電電纜處在連接的狀態下，若用戶還是按下按鈕起動開關，這時則禁止過渡到可能行駛的狀態 （READY-ON狀態），并在儀表上顯示出通知用戶的信息:應拔掉充電電纜。

4 結語

從車輛的使用情況來看，在今后開發PHV-ECU時，應注意2個方面的問題。

1）上面所介紹的產品，只是適用于利用家用電源的充電。而在日本充電的話，大約需要3小時。為了縮短充電時間，以及適應今后進一步增多的EV車的需要，需要增設充電站。充電站應實現高輸出、快速充電，且與家用電源采用不同的控制方式，更加方便用戶。

2）為了降低油耗，必須使ECU實現小型、輕量。

［1］GB／T19596—2004， 電動汽車術語［S］.

［2］美國汽車工程學會標準SAE1772，電動車輛傳導充電系統［S］.

［3］Ryuichi KAMAGA， 等.Development of Plug-in Hybrid Control ECU［J］.FUJITSU TEN Technical Journal， 2010，28 （1）: 14-20.