帶增程器的電動車控制系統(tǒng)設(shè)計

袁守利 高 寒

（武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實驗室 武漢 430070）

0 引 言

電動車具有節(jié)約能源、污染排放少等優(yōu)點(diǎn)，其市場應(yīng)用越來越廣泛［1］.但是目前動力蓄電池的能量密度較低，制約了電動車的性能，其一次充電可實現(xiàn)的續(xù)駛里程與燃油汽車一次加油的續(xù)駛里程相比，還有一定差距.為了解決這一問題，將燃油發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)組成的發(fā)電機(jī)組作為增程器，與動力蓄電池一起構(gòu)成動力源，以增加續(xù)駛里程，是目前階段最好的一種過渡方案［2］.

現(xiàn)階段，電動車越來越多地采用以單片機(jī)和DSP為主的數(shù)字控制，并開發(fā)出了很多以它們?yōu)楹诵牡目刂葡到y(tǒng).然而，這些控制系統(tǒng)具有單片機(jī)處理任務(wù)量過大，功能分配不夠合理，PCB 板元器件較多，布線過于繁密等缺點(diǎn)，加之帶有增程器的電動車運(yùn)行工況復(fù)雜多變，給系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和電動車的安全性帶來了隱患，影響了控制系統(tǒng)的使用壽命，增加了電動車的維護(hù)成本.

為了解決這些問題，設(shè)計一種以單片機(jī)結(jié)合專用控制芯片的電動車無刷直流電機(jī)及帶增程器的整車控制系統(tǒng).這種控制系統(tǒng)具備安全性高，穩(wěn)定性好，功能完善，控制效率高等優(yōu)點(diǎn)，能很好的解決增程式電動車在使用和控制方面的上述問題.根據(jù)車輛運(yùn)行狀況，通過對駕駛員操作指令及傳感器信號數(shù)據(jù)的采集，整車控制系統(tǒng)控制增程器、電機(jī)等及各外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定高效的工作.

1 控制系統(tǒng)方案

電動車的動力系統(tǒng)主要由增程器、電機(jī)、動力蓄電池和儀表等構(gòu)成，它們是整車控制器的主要控制對象.整車控制器對接收到的車輛運(yùn)行狀況信息，蓄電池組狀況信息和駕駛員操作指令信息進(jìn)行綜合分析，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略處理計算后，將得到的控制信號傳輸給電機(jī)專用控制芯片，專用控制芯片結(jié)合來自電機(jī)位置傳感器的信號，進(jìn)行開關(guān)電路的正確導(dǎo)通，從而實現(xiàn)對電機(jī)的控制，并最終實現(xiàn)對電動車的控制.因為帶增程器的電動車具有動力蓄電池和發(fā)電機(jī)組2個動力源，所以在實際應(yīng)用中就要求整車控制器能實現(xiàn)對于2個動力源的控制，即合理的控制增程器開／關(guān)機(jī)的時刻.

該控制方案的特點(diǎn)如下：（1）單片機(jī)結(jié)合專用控制芯片的控制方式，使系統(tǒng)的智能化程度更高，結(jié)構(gòu)和編程更簡單；（2）單片機(jī)控制專用控制芯片，專用控制芯片直接控制電機(jī)，充分發(fā)揮專用控制芯片的功能，減少了獨(dú)立元器件的使用，能使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，故障率更低；（3）專用控制芯片的使用，減輕了單片機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，這樣就能讓單片機(jī)更好的實現(xiàn)控制策略和其他附加功能，提高了對電機(jī)和電動車控制的靈活性.

2 整車控制策略

2.1 電機(jī)控制策略

目前電動車車速的調(diào)控主要是通過油門裝置實現(xiàn)的，為達(dá)到改善電動車操控性的目的，把車輛行駛過程中的實際車速引入到了電機(jī)控制系統(tǒng)中，建立以車速為控制目標(biāo)的電動車無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制模型［3］.見圖1.

圖1 系統(tǒng)控制模型

電動車行駛工況復(fù)雜多變，采用傳統(tǒng)的固定參數(shù)PID 控制方式難以達(dá)到較好的效果［4］；同時為了讓車輛實際車速對駕駛員目標(biāo)車速準(zhǔn)確而快速地做出響應(yīng)，以得到更好的操控性能，控制系統(tǒng)采用基于車速偏差的增量式PI控制算法［5-6］.車速傳感器測得的實際車速與駕駛員給定的目標(biāo)車速相比較，得到速度偏差信號e，控制系統(tǒng)依據(jù)偏差信號e進(jìn)行增量式PI控制算法運(yùn)算，得出速度增量信號Δ，根據(jù)運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行脈寬調(diào)制計算后輸出PWM 波，PWM 波通過控制功率逆變電路來對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而實現(xiàn)對車速的調(diào)控，達(dá)到駕駛員的操控目的.控制策略具體實現(xiàn)原理見圖2.

圖2 控制策略實現(xiàn)原理

在電動車運(yùn)行過程中，駕駛員通過油門裝置給控制系統(tǒng)的是一個與實際車速成比例關(guān)系的電壓信號，以此電壓信號為控制量，增量式PI控制算法的表達(dá)式為

式中：u（k），u（k-1）分別為第k次與第k-1次采樣時刻車速信號值；e（k），e（k-1）分別為第k次與第k-1次采樣時刻車速信號偏差值；K0＝Kp＋KI，K1＝-Kp，Kp，KI分別為比例系數(shù)和積分系數(shù).

根據(jù)式（1）～（2），若設(shè)電動車通過加速裝置給出的駕駛員目標(biāo)車速信號為v0，通過車速傳感器測得的實際車速信號為vk，則在第k次采樣時的車速信號偏差為e（k）＝vk-v0（k）.同理可得e（k-1）＝vk-1-v0（k-1），且系統(tǒng)在計算e（k）之前，系統(tǒng)已先對e（k-1）進(jìn)行保存.以e（k），e（k-1）作為輸入，根據(jù)式（2）可以計算出增量Δu（k），再根據(jù)式（1）計算出此時實際車速對應(yīng)車速信號u（k）來進(jìn)行脈寬調(diào)制計算，計算程序流程見圖3.

圖3 控制算法程序流程圖

2.2 增程器能量管理策略

因為增程式電動車擁有2種不同的能量源，能量管理策略就在整車控制策略中占有最重要的地位.現(xiàn)階段對于能量管理策略的研究主要側(cè)重于3種方法：（1）邏輯門限控制策略［7］；（2）自適應(yīng)控制策略［8］；（3）基于模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的只能控制策略［9］.

在邏輯門限控制策略中，比較直接和常用的能用于增程式電動車的是定點(diǎn)能量管理策略，該策略從優(yōu)化發(fā)動機(jī)工作點(diǎn)出發(fā)，兼顧蓄電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）的平衡.增程器的開／關(guān)機(jī)根據(jù)蓄電池的SOC 而決定，即當(dāng)SOC 下降到設(shè)定的下限SOClow時，增程器起動，輸出恒定功率，SOC上升；上升至高于SOChigh后增程器關(guān)機(jī)，此時電動車以純電動行駛，排放為零，SOC 下降.因為發(fā)動機(jī)與路面負(fù)荷相脫離，再加上蓄電池的負(fù)荷均衡作用，使得發(fā)動機(jī)在燃油效率較高的工作點(diǎn)恒定工作，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，同時減少了廢氣的排放［10］.

增程器工作時輸出的功率，一部分用于克服車輛的行駛阻力，一部分用于為動力蓄電池充電，所以在選擇增程器開／關(guān)機(jī)時相對應(yīng)的蓄電池SOC門限值SOChigh和SOClow時，要考慮到電池充放電的經(jīng)濟(jì)性，使電池在充放電效率最高的區(qū)域工作，從而得到較好的經(jīng)濟(jì)性和動力性.

中國乘用車市區(qū)工況CUDC 是一種典型的循環(huán)工況.在定點(diǎn)能量管理策略下，對20 個CUDC循環(huán)工況進(jìn)行模擬仿真，得到蓄電池SOC和發(fā)動機(jī)功率隨行駛距離的變化關(guān)系，見圖4.其中，發(fā)動機(jī)恒定功率為10.8kW，蓄電池SOC 初值為1.0，增程器開／關(guān)機(jī)時蓄電池SOC 的充放電區(qū)間取0.3～0.7［11］.從圖4的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)蓄電池SOC下降到0.3時，增程器起動，發(fā)動機(jī)在預(yù)定的高效工況點(diǎn)工作，其輸出地功率一部分用于驅(qū)動車輛行駛，另一部分為蓄電池充電，使蓄電池SOC 值持續(xù)上升.當(dāng)蓄電池SOC 升高到0.7時，發(fā)動機(jī)停機(jī)，電動車純電動行駛.如此反復(fù)，直至耗盡油箱內(nèi)的燃油.由仿真可得，該能量管理策略有效可行.

圖4 20個CUDC工況下的仿真結(jié)果

3 硬件設(shè)計及軟件開發(fā)

3.1 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)電動車無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)良好的功能，其硬件電路結(jié)構(gòu)見圖5.

圖5 控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件的選型

基于控制系統(tǒng)的功能要求和成本考慮，選用Microchip 公司生產(chǎn)的8 位RISC 結(jié)構(gòu)的單片機(jī)PIC16F877.專用控制芯片選用Motorola公司的第二代無刷直流電機(jī)專用集成電路MC33033，它在外接上功率開關(guān)器件（MOSFET）后，可以用來控制三相（全波或半波）無刷直流電機(jī)，當(dāng)其結(jié)合MC33039電子測速器作為F／V 轉(zhuǎn)換（系統(tǒng)檢測模塊），引入了測速反饋后，可以構(gòu)成閉環(huán)速度調(diào)節(jié)系統(tǒng).該控制系統(tǒng)中，專用控制芯片主要是通過接收來自單片機(jī)的控制信號對電機(jī)進(jìn)行直接控制.

3.3 軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計，方便日后維護(hù)和系統(tǒng)功能完善升級.單片機(jī)是整個系統(tǒng)管理和控制中心，其主要包括主程序、中斷服務(wù)程序這2個部分，整個電機(jī)控制系統(tǒng)主程序流程框圖見圖6.

圖6 控制系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試實驗

整車調(diào)試主要指的是弱電和強(qiáng)電兩種調(diào)試.弱電調(diào)試是為了確定在整車低壓上電以后，各控制器及部件能實現(xiàn)正常的上電和開閉.之后進(jìn)行強(qiáng)電調(diào)試，接通電機(jī)和增程器，證實整車控制器設(shè)定的整車控制策略，驗證是否能夠根據(jù)動力蓄電池SOC的數(shù)值自動控制增程器的開閉.

無刷直流電機(jī)在帶負(fù)載情況下進(jìn)行啟動，其速度響應(yīng)曲線見圖7.由圖7可看出，電機(jī)帶載啟動時，電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)過短暫的振蕩后很快恢復(fù)并穩(wěn)定到某一指定轉(zhuǎn)速，電機(jī)速度響應(yīng)快，抗干擾性較強(qiáng)，能較好地滿足電動車的使用性能要求.

圖7 轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

最后在試車場進(jìn)行路試，驗證車輛是否達(dá)到預(yù)期要求的動力性和續(xù)使里程等指標(biāo).

5 結(jié)束語

根據(jù)增程式電動車的使用性能要求及特點(diǎn)，介紹了整車控制器及其控制策略的設(shè)計流程，設(shè)計了一種以單片機(jī)結(jié)合專用控制芯片的增程式電動車控制系統(tǒng).整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)了根據(jù)動力蓄電池SOC的數(shù)值自動控制增程器的開閉，將整車的控制和電機(jī)控制、增程器開閉控制進(jìn)行了有效的結(jié)合，減少了單片機(jī)處理任務(wù)量和PCB板元器件數(shù)量，是一種有效的電動車控制方案.

［1］曹秉剛，張傳偉，白志峰，等.電動汽車技術(shù)進(jìn)展和發(fā)展趨勢［J］.西安交通大學(xué)學(xué)報，2004，38（1）：1-5.

［2］李 玲.介于純電動和混合動力之間 增程式：新源客車的平衡點(diǎn)［J］.商用汽車新聞，2010，44（2）：55-58.

［3］李斌花.純電動汽車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)控制策略研究［D］.長沙：湖南大學(xué)，2005.

［4］ISHIDA A.A self-tuning automotive cruise control system using the time delay controller［C］∥SAE.Technical Paper，1992，920159.

［5］HUANG Hong，CHANG Liuchen.An error-driven controller for electric vehicle propulsion systems［C］∥IEEE，CCECE，1997（6）：744-747.

［6］王俊敏，張云龍，袁大宏.汽車數(shù)字式巡航控制系統(tǒng)的研制［J］.汽車技術(shù)，2000（8）：4-7.

［7］KIMURA A.Drive force control of a parallel-series hybrid system［J］.JSAE Review，1999，20（3）：337-341.

［8］JOHNSON V H.HEV control strategy for real-time optimization of fuel economy and emissions［C］∥SAE Paper，2000-01-1543，2000.

［9］BAUMANN B M.Mechatronic design and control of hybrid electric vehicles［C］∥IEEE／ASME Transactions on Mechatronics，2000，5（1）：58-72.

［10］牛繼高，周 蘇.增程式電動汽車增程器開／關(guān)機(jī)時刻的優(yōu)化［J］.汽車工程，2013，35（5）：418-423.

［11］張華輝，齊鉑金，龐 靜，等.動力鋰離子電池荷電狀態(tài)估計的建模與仿真［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2009，30（6）：669-675.