混合動力汽車整車控制器開發與試驗

尉 進，趙 韓，江 昊

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，合肥 230009）

不斷加深的世界能源危機以及嚴峻的環境問題促使世界各國把新能源汽車作為未來汽車工業發展的主流方向［1-2］。未來10年內，按照國家新能源汽車的相關政策和國際上技術發展的趨勢，混合動力汽車和純電動汽車將作為一種比較成熟的交通工具得到規?；膽茫?］。中國科技部也將“混合動力汽車產業化技術攻關”列為國家高技術發展計劃（863計劃）重點發展項目之一。

VCU是混合動力汽車的核心控制部件，高性能、高可靠性及成本低廉是其硬件設計需要考慮的三個重要方面。目前國內整車控制器多是針對相應車輛進行的專門設計，不同種類車輛使用的控制器硬件不能完全通用［4-6］。對VCU硬件進行通用性設計可以降低硬件設計、試驗及維護成本。本文期望通過綜合考慮多種HEV的控制需求，設計出符合通用性要求的VCU平臺，屆時僅更改其內部軟件和外部接線方式即可使其匹配至諸如ISG（起動機/發電機一體化）、串聯式、并聯式等類型的混合動力汽車上，實現整車控制功能。

本文僅以某款并聯混合動力公交車作為研究對象，對VCU的通用性設計和開發展開研究。

1 并聯混合動力汽車控制系統分析

如圖1所示，該并聯式混合動力公交車的動力來源為發動機和電動機，二者通過連接后橋的耦合器實現動力合成。VCU控制發動機、電機控制器和超級電容控制器，實現車輛各種工作模式。

VCU是混合動力汽車的核心控制單元，它采集加速踏板、制動踏板、離合踏板及其他部件信號并做出相應判斷后，控制下層的各部件和控制器的動作，驅動汽車正常行駛。作為整車的指揮管理中心，VCU對汽車的正常行駛、制動能量回收、網絡管理、故障診斷與處理、車輛的狀態與監視等功能起著關鍵的作用。

2 整車控制器設計

2.1 整車控制器硬件設計

2.1.1 硬件基本技術要求

（1）VCU能夠采集數字和模擬信號，能夠對輸入信號做出正確處理，并輸出相應控制信號。

（2）易調試、可擴展，具有可重復擦寫的存儲器，便于存儲系統參數。

（3）電壓工作范圍寬（12V～36V），溫度工作范圍確定為-40℃～85℃；要求VCU能適應車輛運行中遇到的諸如震動、噪音、潮濕、沖擊等。

（4）具有良好的電磁兼容性，滿足國家對相關行業電氣設備的電磁兼容標準。在本文研究的混合動力汽車中，其電機控制器和電機均會產生強烈的電磁干擾，所以VCU要有較強的電磁抗干擾能力［7］。

（5）VCU發生嚴重故障時能夠保證車輛具有最基本的行駛能力，這點對于城市公交車特別重要，因此VCU要在硬件上實現嚴重故障后的車輛“跛行回家”功能。

2.1.2 整車控制器元件選型

為實現可靠性要求，元件選用汽車級產品。

（1）微控制器選用：按照所處理信號數量及存儲要求，微控制器選用飛思卡爾公司的汽車級ECU芯片9S12XDT512MAA。

（2）外圍芯片選用：模數轉換芯片選用AD5623，實時時鐘芯片選用DS1390，邏輯門芯片選擇NXP公司的產品，隔離電路根據信號傳輸速度和種類不同，分別選用了普通光耦、高速光耦和線性光耦，運放采用MAXIM汽車級產品，DCDC采用了金升陽寬電壓輸入產品。

（3）分立器件選用：傳輸信號用固定電阻選用KOA的RA73H2A系列產品，微調電阻選用村田PV37WY系列產品，功率電阻采用國產碳膜電阻；貼片電容采用風華高科X7R型電容，大容量極性電容采用松下TK系列鋁電解電容，小容量的電容采用風華高科CA45型鉭電容；濾波電感選用TDK的屏蔽電感。

2.1.3 硬件電路設計

圖2描述了VCU硬件電路總體結構。VCU多輸入、多輸出、數?；旌瞎泊娴膹碗s系統，其各個功能電路相對獨立，因此可以按照模塊化思想設計硬件系統的各個模塊，主要包括：電源模塊、核心控制模塊、信號隔離模塊。

（1）核心控制模塊：圖2中“核心板”部分。負責數據的處理、邏輯運算以及控制功能的實現。MCU芯片9S12XDT512MAA運行速度快 （最高總線速度可達 40MHz），擁有大容量內存（512 KB 的 Flash、20 KB的RAM）可以滿足VCU運行狀態記錄等要求，豐富的外設（SCI、SPI、CAN、PWM、ADC 等），可以省去相關芯片。該MCU還新增了XGATE協處理器成為雙核MCU，后者可以單獨處理繁重的通信和中斷處理任務，使主核心從通信中解放出來以專門處理各種復雜的控制算法，程序運行效率得到了極大的提升。核心控制模塊還布置了實時時鐘（RTC）、模數轉換（DA）和有源濾波電路。

（2）電源模塊：由于VCU的核心控制模塊與車身需要隔離，因此電源模塊要能夠為核心控制模塊提供與車身隔離的電源。電源模塊要提供的電源有供給核心板的隔離+5V、±12V和接口板需要的非隔離+5V、±12V。其中的±12V電源均用于給運放和電壓基準供電。隔離電源由DCDC隔離模塊產生，非隔離電源由LM2576產生。電源模塊單獨設計成一塊電路板，靠插接件聯接到VCU的接口板上。圖3顯示了部分電源模塊電路。

（3）信號隔離模塊：該模塊的作用是對VCU的各種信號進行調理與隔離，提高VCU整體的抗干擾能力。來自電子踏板的信號和VCU輸出至電子油門的信號等模擬信號使用線性光耦HCNR201隔離；來自車身上的開關量信號及VCU輸出至指示燈等低速數字信號使用低速光耦PC817隔離；來自轉速傳感器的信號以及VCU的PWM輸出等高速數字信號使用高速光耦隔離。隔離芯片前后需要的隔離電源由電源板產生。圖4分別是低速數字信號隔離輸入電路、低速數字信號隔離輸出及驅動電路、模擬信號輸入隔離電路。

2.1.4 電磁兼容與抗干擾設計

國標GB/T4765—1995《電磁兼容術語》對“電磁兼容”的定義是：“設備或系統在其電磁環境中能正常工作，且不對該環境中任何事物構成不能接受的電磁騷擾的能力?！睆碾姶偶嫒莸慕嵌瘸霭l，除了設備能按設計要求完成其功能外，還有兩點要求：

（1）系統本身抗電磁干擾能力要強，不易受到外界環境的干擾。

（2）系統本身不應成為一個噪聲源，產生對其他儀器、設備的電磁干擾［8］。

基于以上兩點，首先在VCU電源進入時就采用了抑制共模及差模干擾的LC濾波電路，輔以DCDC輸出的LC低通濾波電路，既保證了VCU不受汽車本身諸如火花塞、電磁閥等強干擾對電源的不良影響，也防止核心控制模塊產生的高頻噪聲干擾到車上其他電器（圖3）；其次將核心控制模塊與對外所有信號進行電氣隔離，防止耦合至線纜上的干擾影響核心控制模塊工作（圖4）。

在VCU的設計中，PCB板的布局會對電磁兼容性有很大的影響。使用多層印刷線路板設計可以提高單片機的抗電磁干擾能力，四層板能比雙層板噪聲低20dB［8］。綜合性能、成本和 VCU 體積的考慮，設計時將VCU分為電源板、核心板、接口板三塊電路板，其中核心板為四層板，電源板和接口板為雙層板。核心板與電源板通過插接件聯接到接口板上，這樣即實現了模塊化設計的要求、減小了控制器的整體大小，同時由于電源板位于系統上方，利于散熱（圖5）。

在PCB布線時，對于雙層板，特別是電源和基準部分，堅持單點接地，數字電路合理規劃鋪銅區域；對于四層板，要保持地平面的完整性，保證數字部分與模擬部分在整個電路板中只有在一處相連，注意接地的阻抗問題；MCU局部布線參照手冊要求進行布置，以實現單點接地和防止高頻串擾；對噪聲特別敏感的信號，如各種模擬信號，單獨為其劃分出布線區，遠離數字電路。

2.1.5 可靠性設計

可靠性設計要求VCU考慮車輛工作時遇到的異常情況，并作出行應處理，使車輛安全運行。例如當VCU發現電機水冷工作不正常時，VCU會停止電機工作并通過故障報警燈告知司機電機發生故障；當電容溫度過高時要產生超溫報警等。除在軟件上加以考慮，硬件上也要保證VCU故障時車輛仍可以行駛，例如“跛行回家”功能：輸入的油門踏板信號在VCU內部用繼電器進行切換，系統正常工作時繼電器通電，該信號由VCU處理后再傳送給發動機，汽車工作在混合動力模式下；當VCU失效時繼電器斷電，該信號直接連向發動機，車輛可以像傳統汽車一樣安全駛回（圖5）。

2.1.6 通用性設計

國內有多種整車控制器是基于CAN通訊網絡的分布式控制系統［4-7］，按照通用性理念設計的VCU可以方便地從一種車輛移植到另外一種。

由于CAN已經是當今汽車總線的主流，VCU設計了兩路CAN接口，一路專門用于與發動機和部分儀表進行大數據量通訊，另一路連接其他單元（圖1）。RS232接口依然保留，以適應車輛上諸如GPS、數字化儀表等單元的傳統通訊需求。

VCU需要處理眾多的數字和模擬信號，為充分適應不同車輛需求，設計了盡量多的信號接口，最終設計了15路可配置高低端低速數字輸入、4路高速捕捉數字輸入、8路低端控制低速數字輸出開關、4路高速PWM數字輸出開關、4路模擬信號輸入、2路模擬信號輸出等IO接口，超過了多數整車控制器需要的IO接口數量，方便移植。

2.2 整車控制器軟件設計

2.2.1 控制策略分析

城市公交車工況有如下特點：車輛大部分時間處于中低速行駛；車輛運行中起停工況多；車輛制動工況頻繁［9］。超級電容具有功率密度高、充放電速度快、效率高、控制簡單、綠色環保、運行溫度范圍寬等諸多優點［10］，特別適合混合動力公交車的工況特點。

超級電容混合動力汽車的主要目標是降低油耗及提高加速性能，根據已知參數，要盡力減少發動機處于低速大扭矩狀態。查閱發動機萬有曲線 （圖6），900 r/min～1 400 r/min時輸出最高轉矩是油耗較高，因此將該轉速范圍作為進入助力模式的首要條件。當發動機進入該轉速區間時，電動機通過耦合器與發動機一起驅動汽車，以使發動機工作在經濟油耗區（如圖6粗線處）。當踩下制動踏板時，根據車速和踏板開度，VCU控制電動機轉換為發電機，整車進入制動回饋模式以給超級電容充電。在汽車處于其他運行狀態時，電動機和超級電容處于待機狀態，進入滑行模式。

在混合動力模式下，VCU控制整車在助力、制動回饋、滑行這三種模式下轉換，這三種模式的轉化不是很復雜，所以試驗時采用基于邏輯門限值的算法編制控制程序。當VCU采集到的數據經過邏輯運算符合某種模式時，VCU進入相應模式的處理子程序中（圖7）。

在助力模式下，力矩分配計算是VCU的主要任務。當駕駛員需求扭矩大于發動機在該轉速下的經濟油耗輸出扭矩時，發動機輸出經濟油耗扭矩，電動機輸出需求扭矩與經濟油耗扭矩的差值；反之，發動機輸出需求扭矩，電動機輸出為零。

在制動回饋模式下，電動機轉換為發電機，通過DCDC對超級電容充電，充電的電流大小與此時的車速和剎車踏板開度有關。

2.2.2 雙核微控制器軟件的編制

9S12XDT512具有兩個獨立的運算核心，主運算核心CPU12X內核功能豐富、接口眾多，協處理核心運算速度快。XGATE的加入有助于提高系統的實時性，減輕CPU12X的工作負荷［11］。根據MCU雙核的特點，將程序中的CAN、SPI等通訊部分和中斷處理交由XGATE處理，車輛需求扭矩計算、運行模式判斷、能量分配策略等復雜的控制算法由主核心CPU12X來處理，兩核心間的數據交換通過共享RAM實現。這樣既保證了通訊的實時性，又提高了控制算法的運行速度。

3 整車控制器功能驗證

3.1 硬件在環仿真系統的搭建

硬件在環仿真不但克服了離線仿真不能模擬實際物理信號的缺點，還克服了實車試驗成本高、周期長等缺點［12，13］。 圖 8和圖9所示硬件在環仿真控制系統包括 VCU、dSPACE（DS1005）、ControlDesk 軟件和駕駛室仿真臺等四個部分，駕駛室仿真臺負責產生三種踏板信號和擋位信號，PC機中的ControlD-esk軟件起到下載模型至dSPACE及監控dSPACE的作用，dSPACE負責產生車輛上的各種信號。

3.2 試驗結果

圖10 為硬件在環仿真的試驗結果，顯示了車速與超級電容電流和電壓、發動機轉速和扭矩、電動機轉矩及擋位信號之間的關系。

分析可知在各個擋位下，當發動機在900 r/min～1 400 r/min時車輛進入助力模式，電動機助力使發動機運行于經濟油耗區（圖10A圈處），此處形成的曲線與圖6中的最佳燃油消耗曲線很接近，此時超級電容輸出電流，超級電容電壓下降；當剎車踏板踩下時，車速較高的情況下VCU進入制動回收模式，電動機轉換為發電機輸出電流給超級電容，超級電容電壓上升；在其余狀態下，VCU進入滑行模式，電動機和超級電容待機，發動機單獨工作。

VCU能夠根據踏板及擋位信號準確地判斷出的駕駛員意圖，迅速切換到相應的工作模式，實現混合動力工作模式。

4 結論

（1）本文所述VCU考慮到了通用性的要求，可以將其方便地移植到其他種類的混合動力汽車上，從而降低了硬件開發和使用成本。

（2）在混合動力整車控制器上首次采用了雙核微控制器，它可以將中斷處理程序單獨分配給一個內核，同時另一內核專門處理復雜的邏輯運算而不受中斷影響，克服了傳統的單核微控制器由于繁雜的中斷請求導致其系統運行效率下降的缺點，提高了整個系統的實時性和運行效率。

（3）硬件在環仿真試驗的結果表明所設計的VCU完成了包括車輛需求計算、運行模式判斷、能量分配策略和數據信息交換等工作，工作穩定。根據發動機工作區優化策略而提出的邏輯門限值能量分配策略是可行的，工作時優化了發動機的工作區間。

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