基于CAN總線(xiàn)的整車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)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(jì)九十年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行了研究并相繼投入使用。電動(dòng)汽車(chē)主要分為三種:純電動(dòng)汽車(chē)，混合動(dòng)力汽車(chē)，燃料電池汽車(chē)。由于混合動(dòng)力汽車(chē)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單以及節(jié)能減排等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，因而成為研究熱點(diǎn)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)(Hybrid Electric Vehicle，HEV)根據(jù)動(dòng)力流傳遞方式的不同可分為三類(lèi):串聯(lián)式(SHEV)、并聯(lián)式(PHEV)、混聯(lián)式(PSHEV)。

整車(chē)控制器(Vehicle Control Unit，VCU)是HEV的控制平臺(tái)和指揮中心，實(shí)現(xiàn)能量管理和動(dòng)力分配，負(fù)責(zé)采集各種物理量并做出正確判斷，控制發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)等執(zhí)行器件［1－3］。

2 混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)

混合動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)采用基于CAN總線(xiàn)的控制系統(tǒng)，由整車(chē)控制器VCU、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(Engine Control Unit，ECU)、電機(jī)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(chē)行駛工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、電動(dòng)機(jī)和變速器進(jìn)行綜合控制，達(dá)到整車(chē)動(dòng)力性、油耗和排放最佳的控制目標(biāo)。

圖1 整車(chē)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 整車(chē)控制器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

整車(chē)控制器實(shí)時(shí)采集加速踏板信號(hào)、鑰匙信號(hào)和檔位信息，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)和電池管理系統(tǒng)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)接收的信息，按照既定控制策略進(jìn)行能量管理和動(dòng)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(chē)控制器安全性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的前提。

3.1 整車(chē)控制器硬件系統(tǒng)

整車(chē)控制器硬件系統(tǒng)采用Freescale公司汽車(chē)級(jí)高性能的16位HCS12X處理器芯片，該芯片最高時(shí)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(jì)思路，將VCU硬件電路劃分為電源模塊、信號(hào)處理模塊、驅(qū)動(dòng)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(dòng)芯片TLE6240對(duì)繼電器、指示燈和電磁閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng);模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和頻率經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后送入單片機(jī)進(jìn)行采集。

圖2 整車(chē)控制器硬件框圖

3.2 整車(chē)控制器軟件設(shè)計(jì)

整車(chē)控制器的軟件環(huán)境為CodeWarrior 2.10，使用BDM下載器或Bootloader進(jìn)行引導(dǎo)程序下載，BDM可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)調(diào)試和編程，適合于樣件開(kāi)發(fā)階段;Bootloader進(jìn)行程序下載，具有程序更新和在線(xiàn)更新功能，方便程序升級(jí)和維護(hù)。

3.3 整車(chē)控制器策略設(shè)計(jì)

整車(chē)控制器主要實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖識(shí)別與能量管理和動(dòng)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(jìn)行策略設(shè)計(jì)和仿真分析［5］。

電力輔助控制策略是混合動(dòng)力汽車(chē)較為常用的一種控制策略。其主要思想是:將發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車(chē)的主動(dòng)力源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為輔助動(dòng)力源，當(dāng)所需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大扭矩時(shí)，ISG工作在電機(jī)狀態(tài)，輸出輔助轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，將蓄電池的荷電狀態(tài)SOC保持在一定范圍內(nèi)，混合動(dòng)力汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)分類(lèi)如表1所示。

表1 混合動(dòng)力汽車(chē)狀態(tài)分類(lèi)

表中純電動(dòng)和功率輔助狀態(tài)下，由電機(jī)工作或輔助發(fā)動(dòng)機(jī)工作;低速或者怠速行駛時(shí)，汽車(chē)僅由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了充電模式、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式和混合驅(qū)動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換，發(fā)動(dòng)機(jī)承擔(dān)了主動(dòng)力源，電機(jī)作為輔助動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)能量回收利用;根據(jù)加速踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩需求，轉(zhuǎn)矩需求在發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)二者之間進(jìn)行合理分配，實(shí)現(xiàn)了能量管理和動(dòng)力分配。

4 標(biāo)定監(jiān)控軟件

利用USB－CAN提供的API函數(shù)，利用C++編寫(xiě)上位機(jī)監(jiān)控軟件，該上位機(jī)監(jiān)控軟件具有如下功能:存儲(chǔ)和顯示CAN總線(xiàn)上的數(shù)據(jù);對(duì)整車(chē)控制器進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)dSPACE對(duì)整車(chē)系統(tǒng)進(jìn)行在環(huán)仿真，進(jìn)行輸入輸出信號(hào)測(cè)試、CAN通信測(cè)試、驅(qū)動(dòng)能力測(cè)試和控制器邏輯測(cè)試。系統(tǒng)能夠與Matlab/Simulink進(jìn)行無(wú)縫連接［6］，利用仿真軟件ADVISOR對(duì)整車(chē)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)時(shí)模擬和真實(shí)的CAN總線(xiàn)來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)，通過(guò)上位機(jī)和USBCAN監(jiān)測(cè)整車(chē)試驗(yàn)工況下的性能和CAN的收發(fā)數(shù)據(jù)情況。發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)監(jiān)控顯示CAN通信正常，CAN總線(xiàn)工作穩(wěn)定、可靠，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，完全滿(mǎn)足混合動(dòng)力汽車(chē)的實(shí)時(shí)控制要求。

圖3 硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)

圖4 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩

5 結(jié)束語(yǔ)

提出了一種基于CAN總線(xiàn)的混合動(dòng)力整車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了整車(chē)控制器硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。采用電力輔助控制策略對(duì)該整車(chē)控制器進(jìn)行了硬件在環(huán)仿真，仿真結(jié)果表明:基于CAN總線(xiàn)的混合動(dòng)力汽車(chē)控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性，可以通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)能量管理和動(dòng)力分配，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和安全性要求。

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