電動汽車節能控制器的設計研究

詹慧貞 范珍珍

摘 ?要： 以建設資源節約型社會為目標，降低出行成本，文中設計一款電動汽車節能控制器。控制芯片采用具備節能功能的嵌入式X186單片微控制器，負責采集和處理電動汽車發動機信號，保證信號完整輸出。輸出控制電路對X186單片微控制器輸出信號進行匯總、分析，通過調整電流傳送規律，控制發動機扭矩策劃最佳節能方案。模糊PID節能控制核心是模糊推理，確定模糊PID控制器隸屬度函數后，增加調整因子求取模糊PID實際輸出，實現電動汽車節能控制。測試結果表明，控制器節能效果顯著，節能控制過程中具有穩定性強、誤差率小的性能優勢。

關鍵詞： 控制器; 節能; 電動汽車; 信號輸出; 模糊PID控制; 實驗分析

中圖分類號： TN948.2?34; TPK414.3 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）20?0099?04

Design and research of energy?saving controller for electric vehicle

ZHAN Huizhen， FAN Zhenzhen

（Jiangxi University of Technology， Nanchang 330098， China）

Abstract： An energy?saving controller for electric vehicle is designed， so as to build a resource?saving society and reduce travel costs. The embedded X186 single?chip microcontroller with energy?saving function is used as the control chip to collect and process the engine signals of electric vehicles to ensure complete signals output. The output signal of the X186 single?chip microcontroller is gathered and analysed by means of output control circuit， and the best energy?saving scheme is schemed by adjusting the law of current transmission and controlling the engine torque. The core of fuzzy?PID energy?saving control is fuzzy inference. After determining the membership function of fuzzy?PID controller， the actual output of fuzzy?PID is obtained by adding adjusting factor to realize the energy?saving control of electric vehicles. The test results show that the controller has remarkable energy?saving effect， and has the performance advantages of strong stability and low error rate in the process of energy?saving control.

Keywords： controller; resource?saving; electric vehicle; output signal; fuzzy PID control; experimental analysis

0 ?引 ?言

近年來，人們生活質量提升，汽車已成為生活必需品。隨著全球能源危機爆發、大氣污染逐年嚴重、石油能源日益枯竭，汽車節能減排逐漸成為各國汽車能源研發的重要發展方向[1]。電動汽車動力性強、響應速度快[2]，可以減少環境污染，節約石油能源，提升能量利用率，采用電動汽車代替傳統汽車是目前解決能源危機的有效途徑之一，也是未來汽車發展的必然趨勢[3]。為了降低出行成本，設計一種電動汽車節能控制器。其控制芯片采用嵌入式X186單片微控制器，進行電動汽車發動機信號開采及處理，確保信號完整輸出。嵌入式X186單片微控制器具有節能控制功能，可降低汽車能耗。其輸出信號通過輸出控制電路，進行匯總、分析，制定節能方案，進一步節約能耗，實現節能最大化[4]。最后，電動汽車節能控制器中的嵌入式X186單片微控制器基于模糊PID控制原理，實現節能，計算輸入、輸出隸屬函數，運用模糊推理、模糊規則，實現電動汽車節能控制器節能控制。

1 ?電動汽車節能控制器總體結構

電動汽車節能控制器由電流、電壓、電源采集電路、JTAG接口電源、嵌入式X186單片微控制器、輸出控制電路等部分構成。電動汽車節能控制器總體結構如圖1所示。

圖1 ?電動汽車節能控制器總體結構

1.1 ?控制器芯片設計

電動汽車節能控制器的控制芯片采用嵌入式X186單片微控制器，針對電動汽車耗能這一特性，對電動汽車發動機信號開采及處理，確保發動機信號完整輸出[5]。在電動汽車行駛過程中減速時，節能控制器確保電動汽車安全穩定行駛至關重要[6]。嵌入式X186單片微控制器控制電動汽車扭矩，電動汽車扭矩由功率、轉數、行駛指令等部分構成。嵌入式X186單片微控制器控制原理如圖2所示。

圖2 ?嵌入式X186單片微控制器控制原理圖

由圖2可知，嵌入式X186單片微控制器控制原理是通過對所采集電動汽車發動機信號進行識別，識別的信號為電動汽車轉數和電動汽車所接受到行駛指令。嵌入式X186單片微控制器分步處理已被識別出的扭矩類型，無需調節的扭矩會轉入標準扭矩轉換直接輸出，需要調節的扭矩則會轉入控制模塊，通過嵌入式X186單片微控制器等比例放大扭矩，展開扭矩調節，調節過程中，嵌入式X186單片微控制器要縮小控制能量用度，提升電動汽車節能控制器的能量利用率。其中，電動汽車所接受到的行駛指令是不可控制變量，不能實施控制，將被直接輸出。

1.2 ?基于模糊PID控制的電動汽車節能實現

1.2.1 ?模糊PID控制基本原理

模糊控制是一種基于模糊集合論、模糊語言變量、模糊邏輯理論的非線性智能控制的方法。圖3為電動汽車節能模糊PID控制的工作原理。在電動汽車驅動系統中，采用模糊PID控制原理修正電動汽車行駛過程中獲取的實際車速與需求車速間的偏差，調整相關參數，實現電動汽車在不同情況下正常運行，增強模糊PID控制器的性能。

圖3 ?電動汽車節能模糊PID控制原理

1.2.2 ?電動汽車節能控制實現

模糊PID控制基本原理顯示，電動汽車節能模糊PID控制核心是依據模糊推理進行PID控制器調節，實現節能控制。在電動汽車節能模糊PID控制具體實踐過程中，計算PID控制的傳遞函數是進行模糊PID控制的基礎;通過向量法取得模糊子集特點，求取子集模糊量與實際輸出量的前提是進行誤差加權[7?8];最后為電動汽車節能控制器添加積分環節，完成節能控制器模糊PID控制。PID控制的傳遞函數為：

電動汽車節能控制器依據模糊PID控制原理計算輸入、輸出隸屬度函數，運用模糊推理和規則[9]，獲取電動汽車節能控制器模糊控制過程，實現電動汽車節能控制。

2 ?實驗分析

為驗證本文設計的電動汽車節能控制器有效性，對本文控制器、異步電機控制器和復合制動控制器控制電動汽車的使用能耗情況進行對比。實驗環境為Intel p4 2 GB，實驗平臺為Matlab 2008a，在上述環境下完成模擬實驗。

對比三種電動汽車節能控制器的節能效果，單位為J，圖4為三種控制器節能情況。

圖4 ?三種控制器節能量對比

由圖4可知，三種電動汽車節能控制器節能效果隨汽車運行時間的增長逐漸改善，本文控制器節能量增加趨勢最明顯，當電動汽車運行90 h時，本文控制器節能量為402 J，異步電機控制器與復合制動控制器的最大節能量分別為102 J，117 J，均低于本文控制器。因此，本文控制器控制下的電動汽車節能效果最優。

對比三種電動汽車節能控制器的精準性D（%）、誤差率Y（%）以及穩定性P（%）。對比結果如表1～表3所示。

分析表1～表3數據可知，本文控制器精準性D和穩定性P高于異步電機控制器和復合制動控器，本文控制器精準性D高達98.2%，穩定性P達到97.9%;誤差率Y也比另外兩種控制器小，最小誤差率為0.1%。故本文控制器控制精度高、性能優，為電動汽車節能控制開辟一種高質量的節能控制方式。

3 ?結 ?論

本文設計一種電動汽車節能控制器，芯片采用配備節能功能的嵌入式X186單片微控制器，進行汽車發動機信號采集和處理，保證發動機信號低功耗完整輸出，對輸出信號進行匯總和分析，制定節能方案。實驗結果表明，嵌入式X186單片微控制器從源頭控制發動機低功耗，實現初步節能;輸出控制電路基于嵌入式X186單片微控制器采集的發動機信號形成節能方案，進一步控制電動汽車的能量消耗與輸出。

電動汽車是未來交通領域發展的主流方向，設計節能控制器有效降低電動汽車能量消耗，為節約交通成本、建設資源節約型社會貢獻力量。

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