基于CAN總線的整車控制系統(tǒng)設(shè)計

萬禮華，董傳培，肖 穎

(重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶400030)

1 引言

上世紀九十年代，一些發(fā)達國家對電動汽車進行了研究并相繼投入使用。電動汽車主要分為三種:純電動汽車，混合動力汽車，燃料電池汽車。由于混合動力汽車結(jié)構(gòu)較簡單以及節(jié)能減排等方面具有一定優(yōu)勢，因而成為研究熱點。混合動力汽車(Hybrid Electric Vehicle，HEV)根據(jù)動力流傳遞方式的不同可分為三類:串聯(lián)式(SHEV)、并聯(lián)式(PHEV)、混聯(lián)式(PSHEV)。

整車控制器(Vehicle Control Unit，VCU)是HEV的控制平臺和指揮中心，實現(xiàn)能量管理和動力分配，負責(zé)采集各種物理量并做出正確判斷，控制發(fā)動機和電機等執(zhí)行器件［1－3］。

2 混合動力總成結(jié)構(gòu)

混合動力總成結(jié)構(gòu)采用基于CAN總線的控制系統(tǒng)，由整車控制器VCU、發(fā)動機控制器(Engine Control Unit，ECU)、電機控制器(Motor Control Unit，MCU)、ISG控制器、變速箱控制器(Transmission Control Unit，TCU)和電池管理系統(tǒng)(Battery Manage System，BMS)等組成。根據(jù)汽車行駛工況，對發(fā)動機、電池、電動機和變速器進行綜合控制，達到整車動力性、油耗和排放最佳的控制目標。

圖1 整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 整車控制器系統(tǒng)開發(fā)

整車控制器實時采集加速踏板信號、鑰匙信號和檔位信息，根據(jù)發(fā)動機、電機和電池管理系統(tǒng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)接收的信息，按照既定控制策略進行能量管理和動力分配。穩(wěn)定可靠的軟硬件和合理的控制策略是保證整車控制器安全性、動力性和經(jīng)濟性的前提。

3.1 整車控制器硬件系統(tǒng)

整車控制器硬件系統(tǒng)采用Freescale公司汽車級高性能的16位HCS12X處理器芯片，該芯片最高時鐘頻率可到40MHz，片內(nèi)資源豐富，集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，PWM模塊，兼容CAN2.0B協(xié)議的CAN模塊等。采用模塊化設(shè)計思路，將VCU硬件電路劃分為電源模塊、信號處理模塊、驅(qū)動模塊、CAN通信模塊。采用MC9S12XEQ512作為控制主芯片;采用NXP公司的TJA1050作為CAN收發(fā)器;采用Infenion公司的驅(qū)動芯片TLE6240對繼電器、指示燈和電磁閥進行驅(qū)動;模擬信號、數(shù)字信號和頻率經(jīng)過信號處理后送入單片機進行采集。

圖2 整車控制器硬件框圖

3.2 整車控制器軟件設(shè)計

整車控制器的軟件環(huán)境為CodeWarrior 2.10，使用BDM下載器或Bootloader進行引導(dǎo)程序下載，BDM可實現(xiàn)在線調(diào)試和編程，適合于樣件開發(fā)階段;Bootloader進行程序下載，具有程序更新和在線更新功能，方便程序升級和維護。

3.3 整車控制器策略設(shè)計

整車控制器主要實現(xiàn)駕駛員意圖識別與能量管理和動力分配，其控制策略主要分為三種:扭矩分離式控制策略、電力輔助控制策略以及模糊控制策略［4］。主要采用電力輔助控制策略進行策略設(shè)計和仿真分析［5］。

電力輔助控制策略是混合動力汽車較為常用的一種控制策略。其主要思想是:將發(fā)動機作為汽車的主動力源，電機驅(qū)動系統(tǒng)作為輔助動力源，當所需要的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩超過發(fā)動機的最大扭矩時，ISG工作在電機狀態(tài)，輸出輔助轉(zhuǎn)矩。同時，將蓄電池的荷電狀態(tài)SOC保持在一定范圍內(nèi)，混合動力汽車運行狀態(tài)分類如表1所示。

表1 混合動力汽車狀態(tài)分類

表中純電動和功率輔助狀態(tài)下，由電機工作或輔助發(fā)動機工作;低速或者怠速行駛時，汽車僅由電機驅(qū)動，從而降低了油耗，減少了排放。

在電力輔助控制策略的控制下，發(fā)動機和電動機實現(xiàn)了充電模式、發(fā)動機驅(qū)動模式和混合驅(qū)動模式的轉(zhuǎn)換，發(fā)動機承擔(dān)了主動力源，電機作為輔助動力源，實現(xiàn)能量回收利用;根據(jù)加速踏板信號和制動踏板信號獲得當前轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩需求，轉(zhuǎn)矩需求在發(fā)動機和電動機二者之間進行合理分配，實現(xiàn)了能量管理和動力分配。

4 標定監(jiān)控軟件

利用USB－CAN提供的API函數(shù)，利用C++編寫上位機監(jiān)控軟件，該上位機監(jiān)控軟件具有如下功能:存儲和顯示CAN總線上的數(shù)據(jù);對整車控制器進行標定，通過dSPACE對整車系統(tǒng)進行在環(huán)仿真，進行輸入輸出信號測試、CAN通信測試、驅(qū)動能力測試和控制器邏輯測試。系統(tǒng)能夠與Matlab/Simulink進行無縫連接［6］，利用仿真軟件ADVISOR對整車系統(tǒng)進行仿真，硬件在環(huán)仿真如圖3所示。

采用250kbps或者500kbps的通信波特率，結(jié)合實時模擬和真實的CAN總線來驗證系統(tǒng)，通過上位機和USBCAN監(jiān)測整車試驗工況下的性能和CAN的收發(fā)數(shù)據(jù)情況。發(fā)動機額定功率為72kW，額定轉(zhuǎn)速為6000rpm，蓄電池的額定功率為10kW。仿真結(jié)果如圖4所示。上位機監(jiān)控顯示CAN通信正常，CAN總線工作穩(wěn)定、可靠，具有較強的抗干擾能力，完全滿足混合動力汽車的實時控制要求。

圖3 硬件在環(huán)仿真實驗

圖4 電動機轉(zhuǎn)矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)矩

5 結(jié)束語

提出了一種基于CAN總線的混合動力整車系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了整車控制器硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。采用電力輔助控制策略對該整車控制器進行了硬件在環(huán)仿真，仿真結(jié)果表明:基于CAN總線的混合動力汽車控制系統(tǒng)具有良好的實時性和可靠性，可以通過發(fā)動機和電機協(xié)調(diào)控制實現(xiàn)能量管理和動力分配，達到經(jīng)濟性和安全性要求。

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［5］Delpart S，Guerra T M，Paganelli G，et al.Comtrol strategy optimization for a hybrid parallel powertrain［J］.In:Proceedings of the American Control Conference，Arilington，2001:1315 －1320.

［6］Zhang Xiao － wei，He Hong － wen Rui.Hardware in Loop Simulation for Vehicle Controller in HEV based on Dspace.2010 3rd Interational Conference on Advanced Computer Theroy and Engineering［C］.Chengdu，China，2010(2):489－492.