基于MC9S12XDT256的混合動(dòng)力控制器的開(kāi)發(fā)

任鋼（南京越博動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司，江蘇 南京　210000）

基于MC9S12XDT256的混合動(dòng)力控制器的開(kāi)發(fā)

任鋼
（南京越博動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司，江蘇 南京210000）

介紹一種基于MC9S12XDT256開(kāi)發(fā)的混合動(dòng)力控制器的軟硬件系統(tǒng)。詳細(xì)描述控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖，包括抗電磁干擾設(shè)計(jì)，以及控制系統(tǒng)的軟件控制策略。并以某混聯(lián)式混合動(dòng)力公交為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、純電機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、行駛充電、停車充電、怠速起停、制動(dòng)能量回收等多種工作模式。證明該控制器的硬件及控制策略可以滿足混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制需求。

混合動(dòng)力；控制器；控制策略

混合動(dòng)力汽車是指車輛驅(qū)動(dòng)系由2個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動(dòng)系聯(lián)合組成的車輛，車輛的行駛功率依據(jù)實(shí)際的車輛行駛狀態(tài)由單個(gè)驅(qū)動(dòng)系單獨(dú)或共同提供。通常由發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、電池組構(gòu)成，它充分發(fā)揮了內(nèi)燃機(jī)車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性以及較低的排放［1］。

混合動(dòng)力控制器作為混合動(dòng)力系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件，根據(jù)駕駛員的駕駛意圖、油門踏板位置、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、行駛工況，對(duì)電機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的能源進(jìn)行合理分配，使發(fā)動(dòng)機(jī)及電機(jī)輸出相應(yīng)的扭矩，從而達(dá)到降低排放和燃油消耗的目的［2］。

混合動(dòng)力系統(tǒng)一般分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)3種。為了最優(yōu)化分配電機(jī)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的能源，本文基于混聯(lián)式混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行研究，它具備純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、純電機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、行駛充電、停車充電、怠速起停、制動(dòng)能量回收等多種工作模式［3］。

1　混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成

混聯(lián)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力通過(guò)離合器經(jīng)過(guò)ISG后，和6擋變速器組成的傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)后輪，為典型的混合式混合動(dòng)力系統(tǒng)。在該混合系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)，ISG為直流電機(jī)，動(dòng)力電池為鎳氫電池，6擋變速器為AMT自動(dòng)變速器。

圖1　混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成圖

為了減少整車線束，采用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)整車控制單元HCU、電機(jī)控制單元MCU、變速器控制單元TCU、發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元ECU、電池控制單元BCU組成。

2　混合動(dòng)力控制器硬件設(shè)計(jì)

控制硬件包括微處理器、CAN通信模塊、數(shù)字量采集模塊、模擬量采集模塊、頻率量采集模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊電源模塊等。控制器硬件框圖如圖2所示。

圖2　控制器硬件框圖

微處理器CPU采用飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12XDT256，它擁有16位的中央處理器，16路10 bit的AD轉(zhuǎn)換模塊，8路ETC輸入捕捉模塊以及8路PWM占空比輸出模塊，3個(gè)符合CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)的CAN控制器。該控制器主頻可到達(dá)40MHz，完全適合混合動(dòng)力控制的使用。

開(kāi)關(guān)量采集電路、頻率量采集電路采用RC濾波、過(guò)壓保護(hù)、滯回比較設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

模擬量采集電路采用π濾波以及過(guò)壓設(shè)計(jì)，具備較強(qiáng)的EMC能力。

CAN收發(fā)器采用TJA1050，其最高收發(fā)速率可達(dá)1Mb/s，同時(shí)具備良好的抗干擾能力。CAN收發(fā)電路具有120Ω的匹配電阻及ESD保護(hù)，可過(guò)15kV的靜電。

3　混合動(dòng)力控制器控制策略設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力控制器控制策略流程圖如圖3所示。總共分為上電自檢、系統(tǒng)調(diào)度、停車控制、換擋控制、在擋運(yùn)行、故障診斷、換擋規(guī)律、能量分配等模塊［4］。

圖3　控制策略流程圖

3.1上電自檢

上電自檢模塊用于混合動(dòng)力系統(tǒng)上電自診斷，檢查系統(tǒng)是否能符合正常啟動(dòng)的條件。檢測(cè)步驟如下。

1）檢測(cè)CAN通信網(wǎng)絡(luò)是否正常。控制器檢測(cè)能否收到ECU、BCU、MCU、TCU等發(fā)來(lái)CAN信息，從而判斷CAN網(wǎng)路系統(tǒng)狀態(tài)以及各系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2）檢測(cè)控制器能否控制離合器分離和結(jié)合，檢測(cè)離合器執(zhí)行機(jī)構(gòu)及控制器內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路是否正常。

3）檢測(cè)TCU工作狀態(tài)。控制器發(fā)送空擋命令給TCU，TCU執(zhí)行命令使機(jī)構(gòu)換為空擋，同時(shí)反饋執(zhí)行狀態(tài)以及TCU故障信息給控制器。

4）如果以上自檢都通過(guò)，則HCU自檢成功，同時(shí)控制器控制高壓繼電器，使高壓動(dòng)力電池供電給電機(jī)。

3.2系統(tǒng)調(diào)度

系統(tǒng)調(diào)度模塊用于判斷停車控制、換擋控制、在擋運(yùn)行模式間的切換，它根據(jù)換擋規(guī)律模塊輸出進(jìn)行判斷。當(dāng)目標(biāo)擋位與實(shí)際擋位不符合時(shí)，進(jìn)入換擋控制模塊，當(dāng)換擋控制模塊完成換擋工作，如果為空擋則進(jìn)入停車控制模塊，否則進(jìn)入在擋運(yùn)行模塊。

3.3停車控制

停車控制模塊用于進(jìn)行停車時(shí)的一些系統(tǒng)處理工作，其中包含停車等待、怠速起停、停車充電。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)為工作狀態(tài)，SOC電量低于30%則進(jìn)入停車充電模塊；當(dāng)SOC電量高于40%，而且空調(diào)AC未開(kāi)，則進(jìn)入怠速起停模塊；否則進(jìn)入停車等待模塊。

1）停車等待該模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)處于怠速狀態(tài)或停機(jī)狀態(tài)，變速器處于空擋，電機(jī)處于自由狀態(tài)。

2）怠速起停當(dāng)進(jìn)入該模式時(shí)，控制器通過(guò)CAN通信請(qǐng)求ECU將發(fā)動(dòng)機(jī)斷油熄火，同時(shí)控制器控制離合器接合。當(dāng)駕駛員控制手柄進(jìn)入行駛模式時(shí)，控制器通過(guò)CAN通信請(qǐng)求MCU將電機(jī)工作在800r/min，使電機(jī)將發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)動(dòng)起來(lái)，然后MCU控制電機(jī)進(jìn)入自由狀態(tài)。

3）停車充電當(dāng)進(jìn)入該模式時(shí)，控制器控制離合器接合，然后通過(guò)CAN通信請(qǐng)求MCU負(fù)扭矩控制，使電機(jī)給高壓電池進(jìn)行充電。當(dāng)SOC電量高于40%時(shí)MCU控制電機(jī)進(jìn)入自由狀態(tài)，同時(shí)控制器控制離合器分離。

3.4換擋控制

1）發(fā)動(dòng)機(jī)降扭矩控制器根據(jù)當(dāng)前發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際扭矩、油門開(kāi)度計(jì)算目標(biāo)扭矩，防止離合器分離時(shí)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速飛升的現(xiàn)象。

2）離合器分離控制器使離合器分離，為變速器摘擋做準(zhǔn)備。

3）請(qǐng)求TCU換擋控制器發(fā)送目標(biāo)擋位給TCU，TCU響應(yīng)目標(biāo)擋位并反饋執(zhí)行情況。

4）離合器接合控制器根據(jù)油門開(kāi)度計(jì)算離合器目標(biāo)位置。接合快慢影響車輛換擋舒適性。

5）發(fā)動(dòng)機(jī)恢復(fù)扭矩控制器根據(jù)油門開(kāi)度計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)扭矩。

3.5在擋運(yùn)行

控制器根據(jù)能量分配模塊的輸出對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)以及電機(jī)的功率進(jìn)行控制。

3.6故障診斷

控制器檢測(cè)MCU、BCU、ECU、TCU發(fā)送的故障信息進(jìn)行故障處理，例如1級(jí)故障停車；2級(jí)故障限扭30%；3級(jí)故障限扭60%；4級(jí)故障報(bào)警不作處理。

3.7換擋規(guī)律

控制采用車速、油門開(kāi)度兩參數(shù)的換擋規(guī)律實(shí)現(xiàn)目標(biāo)擋位的計(jì)算，如圖4所示。

圖4　兩參數(shù)換擋規(guī)律

3.8能量分配

能量分配模塊分為純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、純電機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、行駛充電、制動(dòng)能量回收5種工作模式［4］。

1）純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)當(dāng)SOC低于30%而且不滿足行駛充電模式或不滿足混合驅(qū)動(dòng)模式時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入純發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。在該模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)扭矩等于駕駛員請(qǐng)求扭矩。

2）純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式當(dāng)SOC大于40%而且目標(biāo)擋位低于3擋時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入純電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式。在該模式下，電機(jī)響應(yīng)扭矩等于駕駛員請(qǐng)求扭矩。

3）混合驅(qū)動(dòng)模式當(dāng)油門開(kāi)度大于95%，SOC大于40%，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 300 r/min時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入混合驅(qū)動(dòng)模式。在該條件下發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率低，整車加速性差，排放也高。在該模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)的響應(yīng)扭矩等于駕駛員請(qǐng)求扭矩，電機(jī)扭矩根據(jù)車輛加速度情況進(jìn)行扭矩分配輸出。

4）行駛充電控制器根據(jù)駕駛員需求扭矩Tt以及發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)特性圖進(jìn)行優(yōu)化。首先計(jì)算在當(dāng)前轉(zhuǎn)速下的發(fā)動(dòng)機(jī)效率最高時(shí)的扭矩Ti。當(dāng)Ti＞Tt時(shí)，進(jìn)入行駛充電模式；發(fā)動(dòng)機(jī)響應(yīng)扭矩等于Ti，電機(jī)響應(yīng)扭矩等于Ti-Tt。

5）制動(dòng)能量回收控制器根據(jù)制動(dòng)踏板開(kāi)度作為輸入，對(duì)電機(jī)輸出負(fù)扭矩，使系統(tǒng)進(jìn)入能量回收模式。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

控制器在某混聯(lián)式混合動(dòng)力車上進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)的整個(gè)控制流程進(jìn)行了驗(yàn)證。

1）整車起步當(dāng)操縱手柄從N擋換至D擋時(shí)，控制器控制離合器分離，同時(shí)發(fā)送指令給TCU請(qǐng)求換2擋。當(dāng)TCU完成換擋后，系統(tǒng)進(jìn)入純電動(dòng)模式，控制器發(fā)送調(diào)速指令給ECU，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持怠速650r/min。同時(shí)控制器發(fā)送扭矩指令給MCU，使MCU響應(yīng)駕駛員請(qǐng)求扭矩。為了防止驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)流或減少電機(jī)驅(qū)動(dòng)沖擊性，控制器發(fā)送給MCU的目標(biāo)扭矩需要以一定的速度緩慢增加，而不能瞬時(shí)響應(yīng)駕駛員請(qǐng)求的扭矩。具體過(guò)程如圖5所示。

圖5　整車起步

2）純電動(dòng)換擋當(dāng)車速達(dá)到一定速度，達(dá)到目標(biāo)擋位為3擋的要求。控制器請(qǐng)求MCU按照一定速率進(jìn)行降扭，當(dāng)扭矩為0時(shí)，控制器發(fā)送指令給TCU請(qǐng)求換3擋。TCU完成換擋后，控制器請(qǐng)求MCU按照一定的速率恢復(fù)扭矩。具體過(guò)程如圖6所示。

3）制動(dòng)能量回收當(dāng)駕駛員松開(kāi)油門開(kāi)始滑行減速時(shí)，控制器MCU按照一定的速率進(jìn)行負(fù)扭矩增扭，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)始給高壓電池進(jìn)行充電。具體過(guò)程如圖7所示。

圖6　純電動(dòng)換擋

圖7　制動(dòng)能量回收

5　總結(jié)

1）所研發(fā)的混合動(dòng)力控制器抗電磁干擾能力強(qiáng)，能基于CAN通信實(shí)現(xiàn)與MCU、TCU、ECU、BCU四大系統(tǒng)之間的相互配合，降低了線束設(shè)計(jì)難度。

2）所研發(fā)的控制策略能很好地完成混聯(lián)式混合動(dòng)力的各個(gè)功能，包括系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)調(diào)度、能量分配、換擋規(guī)律計(jì)算、換擋等功能，工作穩(wěn)定可靠。

3）所研發(fā)的能量分配策略能很好地分配好發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)的扭矩，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性以及降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放。

［1］張亞明，何洪文，張曉偉.混合動(dòng)力汽車整車控制器開(kāi)發(fā)［J］.中北大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2009，30（6）：530-535.

［2］袁銀南，王忠，錢恒榮，等.ISG混合動(dòng)力汽車整車控制器的設(shè)計(jì)［J］.汽車工程，2009，31（7）：601-605.

［3］麻友良，陳全世.混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)展［J］.公路交通科技，2001（1）：77-80.

［4］王淵.并聯(lián)式混合動(dòng)力車整車控制單元的開(kāi)發(fā)［J］.西華大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2008，27（4）：34-37.

（編輯楊景）

Development of Hybrid Controller Based on MC9S12XDT256

REN Gang
（Nanjing YueBoo Power System Co.，Ltd.，Nanjing 210000，China）

The hardware and software system of hybrid controller based on MC9S12XDT256 is introduced.The hardware structure block diagram of the controller is described，including anti electromagnetic interference design and software control strategy.Taking a hybrid bus for example，various working modes can be realized such as pure engine driving，pure motor driving，hybrid driving，charging in driving，charging in parking，idle start and stop，braking energyrecuperation.The hardware and control strategy of this controller is proved to meet the control requirements of the hybrid system.

Hybrid；controller；control strategy

U469.72

A

1003－8639（2016）02－0016－04

2016-01-07