基于單片機的HEV動力耦合策略仿真分析

方瑞蓮

摘要：本文針對并聯式混合動力汽車在滿足駕駛性能和車輛動力要求的前提下提高經濟性及減少排放污染，在不同工況下發揮發動機和電機的最佳工作效率區間，對HEV動力匹配參數計算及分析。建立系統模型，結合實際設定車輛各種模式動力參數匹配，根據設定目標值制定HEV動力耦合控制策略，基于單片機、Keil等軟件技術進行編寫程序并進行系統仿真分析。

關鍵詞：混合動力汽車;動力耦合;單片機;仿真

0 ?引言

當前汽車保有量的急劇增長，使得汽車尾氣導致的環境污染問題和傳統汽車對能源的大量消耗引起的能源短缺問題成為了當今社會急需解決的難題?！肮澞堋迸c“環?！背蔀楫斚聼衢T話題，新能源汽車的出現打破了傳統汽車的困境，為汽車的發展指明了新的道路?；旌蟿恿ζ嚕℉EV）兼具傳統汽車和純電動汽車的優點，根據動力傳動路徑和控制端口不一樣，可以分為串聯混合、并聯混合、串聯-并聯混合以及復雜混合四種類型。并聯式混合動力汽車發動機與電動機相互獨立又相互依存，在不同的路面上既可以共同驅動又可以單獨驅動，并且通過傳動機構發動機可以直接驅動車輪，這種裝置機械效率損耗與普通汽車相仿，因而得到比較廣泛的應用[1]。

HEV動力耦合控制系統是混合動力汽車的核心部分，本文基于單片機、Keil等相關編程軟件進行相關數據處理、計算及仿真，使車輛在不同工況下都有相應的工作模式。研究與分析汽車各工況下動力系統對汽車的動力性能、燃油經濟性能以及電池能量維持的影響，利用數據對比的方式來匹配優化，確定合理的動力耦合策略方案，使得汽車在不同工況下得到較理想的動力性能和經濟性能。

1 ?建立系統模型

1.1 動力系統

混合動力汽車的核心是動力，對于動力耦合控制系統來說，它可以綜合發動機輸入功率和電機輸出功率的不同特性使它們周期性地傳遞到耦合裝置上，而耦合裝置的動力和電源系統的輸出之間沒有干擾。

并聯式HEV動力系統包括發動機、發電機組、動力電池和機械耦合裝置，傳動效率高、可回收制動能量，發動機的驅動依靠傳統的機械傳動，發動機與電機總成之間采用耦合裝置，但其結構復雜，在大型車輛上的布置有一定的局限性僅適用于中小型車輛，可在不同類型的道路上行駛，性能接近傳統車輛[2]。并聯式驅動系統結構如圖1。

1.2 耦合目標參數分析

本文研究的動力耦合主要參數有發動機功率、電動機參數及相關傳動比。根據前面提及的控制思想，汽電驅動力與車速的關系如圖2所示。

1.2.1 發動機功率

根據動力耦合控制策略，發動機功率對于汽車的動力總成及其重要。本文研究設計的并聯式混合動力汽車采用由發動機提供汽車平均行駛功率，由電動機提供峰值功率的控制策略。其功率值的選擇主要考慮汽車勻速行駛時的功率需求，可按下式初選發動機最大功率[3]：

式（1）中，Pemax為發動機最大輸出功率;m為整車質量;V*為汽車勻速行駛車速，結合我國汽車和路況實際狀況，V*的取值應滿足：Vever≤V*<Vmax（Vever為汽車經常行駛時的平均車速，Vmax為最高車速）;f為滾動阻力系數;CD為空氣阻力系數;A為迎風面積，ηT為動力傳動系機械效率。

1.2.2 電動機參數的選擇

根據動力耦合控制策略，在并聯式混合動力汽車傳動系中，電動機主要為汽車提供峰值功率，因此其功率參數的選擇要由具體汽車的加速性能要求決定。

電動機額定轉速和最高轉速的選擇：

nmr=nmmax/β ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

Pmr=Tmrnmr/9550 ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，nmr為電動機額定轉速;nmmax為電動機最大轉速;β為電動機擴大恒功率區系數（取值4～6）;Pmr為電動機額定功率;Tmr為電動機額定轉矩。

并聯式混合動力汽車的驅動力計算如下：

式中，Pe（v）為發動機輸出功率（kW）;it為變速器傳動比;im為轉矩合成裝置速比。

以某款混合動力轎車為例，其主要參數見表1。

2 ?HEV動力耦合策略

2.1 工作模式

并聯混合動力汽車有發動機和電池兩個動力源，在不同工況下均使車輛動力性、經濟性及排放等性能理想化，即存在以下幾種模式以最優動力輸出策略驅動。

①純電動模式：當汽車處于輕載、低速等工況并且電池電量充足時，發動機應停止工作，由電池（電機）單獨驅動整車。

②純發動機模式：在車輛處于中等負荷且車速較高時，由發動機單獨驅動整車。

③混合驅動模式：在急加速、爬坡等大負荷工況下，發動機及電池（電機）同時輸出。但有特殊情況，若電池電量過低，為了保護電池，只能由發動機單獨驅動。

④行車充電模式：在車輛正常行駛途中，若電池電量過低，發動機除了驅動車輛外，還要對電池充電。

⑤再生制動模式：當汽車減速、制動時，電機在保證制動安全的前提下回收制動能量，剩余的能量由機械制動系統消耗掉，大大提高了能量利用率。

⑥怠速停車模式：在怠速、停車模式中，系統通常關閉發動機和電機以降低消耗，但如果這時電池電量過低，則會保持發動機不間斷工作狀態為動力電池充電。

2.2 控制策略分析

HEV動力系統在不同工況下輸出相應的動力匹配，確保車輛動力性、經濟性及排放等性能，滿足上述各種模式。這種控制策略極大的發揮了發動機和電機的最佳工作效率區間，當車速較高有助于發動機有效工作時，發動機的啟動可避免純電動高速行駛時電池的快速放電損失。控制策略是由汽車的不同反饋信號來控制的，主要信號包括電池的SOC值、汽車的行駛速度、驅動輪的扭矩、溫度傳感器等等，通過整合傳感信號實現動力的耦合輸出?？刂撇呗匀鐖D3。

本文是基于以速度、扭矩為主要參數的單片機控制策略，它利用車輛速度、扭矩的大小來實現混合動力汽車各種工作模式的切換。功率、扭矩、車速轉化公式如下：

式（7）中P為汽車輸出功率;F為沿速度正方向的作用力;V為車速。

式（8）中M為扭矩;L為力臂。

由上式可知汽車在路況良好工作穩定的工況下動力系統輸出扭矩M不變，車速V隨動力系統輸出功率P的變化而呈一定比例變化。如果汽車在急加速、爬坡等惡劣工況下工作時車速V不隨功率P呈一定比例變化，此時扭矩M便會增大以平衡等式。

仿真設定扭矩M的優先級高于速度V很好的解決了速度與扭矩之間的矛盾。故在設定控制參數時，首先設定一個額定速度N、扭矩M。當扭矩低于M時，此時速度低于N時模擬驅動電機的直流電機驅動，當速度高于N時模擬發動機的直流電機驅動，并且當N=0這一特殊情況（怠速）下電機均不驅動。當扭矩高于M時，模擬發動機和電機的直流電機均驅動。由于扭矩不易在模型中實現，故用按鍵代替扭矩的變化。當按鍵電路接通時代表汽車所需要的扭矩大于M，反之則代表汽車所需要的扭矩小于M。

2.3 HEV動力耦合控制流程

程序控制流程對于一個系統來說至關重要，其決定了系統對于能量利用率、行車舒適度的上限，控制流程詳見圖4。

①發動機故障切換至純電機工作模式;②電機故障切換至純發動機工作、蓄電池充電模式;③動力電池電量偏低切換至發動機工作、行車充電模式;④檢測到爬坡、急加速等，切換至雙動力工作模式;⑤車速為零切換至怠速模式;⑥車速小于45km/h大于零切換至純電機工作模式;⑦車速大于等于45km/h切換至純發動機工作模式、蓄電池充電模式。

3 ?仿真及分析

3.1 仿真系統編程

HEV動力耦合控制策略，即對電池容量、發動機功率、電機功率進行選擇與匹配，基于單片機、Keil軟件技術對各種模式的數據數理及分析匹配最佳動力輸出，根據預期目標制動相應的控制策略進行編寫程序[4]。

單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的功能集成到一個體積較小，同時功能比較完善的微型計算機中，以此來實現數據的快速處理[5]。仿真系統由AT89c52單片機、復位電路、晶振電路構成了單片機的最小系統，有數碼管、LCD等顯示模塊，由紅外測速模塊及按鍵模塊等組成。其中最小系統晶振電路由12MHz晶振X1和兩個22pF的電容C1、C2共同構成，晶振分別接單片機的XTAL1、XTAL2管腳。復位電路由1k電阻R2、10uF電容C3和開關組成，其中C1一端連接在單片機9管腳RST上，電容的另一端接電源正極VCC，最后兩個電路之間要串聯一個4.7k的保護電阻。單片機最小系統電路如圖5。

仿真系統以AT89c52單片機為控制中心，由Keil軟件生成程序代碼。創建過程中需要嚴格遵守程序流程，完成后如果編譯程序錯誤可修改后重新編譯，Keil的界面圖由菜單欄、項目窗口和文檔編輯窗口組成[5]。Keil操作界面如圖6。

控制程序（截取main.c一部分）

#include <reg52.h>//此文件中定義了單片機的一些特殊功能寄存器

#include "lcd.h" //LCD1602頭文件

typedef unsigned char u8;//對數據類型進行聲明定義

sbit m1 = P1^4;//電機控制引腳

sbit m2 = P1^5;

sbit red = P1^0;//發動機故障信號輸入sbit green = P1^1;//電機故障信號輸入 sbit mm = P1^3;//強扭矩控制

sbit nn = P1^2;//行車充電

//--定義lcd1602顯示英文--//

u8 code Disp0[]="welcome to cars！";//歡迎使用

u8 code Disp1[]="all going well！ ";//一切正常

u8 code Disp2[]="engine failure！ ";//發動機故障

u8 code Disp3[]="the motor work！ ";//電機工作

u8 code Disp4[]="motor failure！ ?";//電機故障

u8 code Disp5[]="the engine work！";//發動機故障

u8 code Disp6[]="out of power！ ? ";//電量過低

u8 code Disp7[]="be charging！ ? ?";//行車充電

u8 code Disp8[]="increase torque！";//增扭

u8 code Disp9[]="all work！ ? ? ? ";//（發動機、電機）均工作

//--定義全局變量--//

unsigned long ? Freq;

unsigned long TimeCount;

u8 speed;

u8 s;

u8 ww;

/*******************************************

*函數名 ：dianji

*功 ?能 ：在不同工況下，控制電機的啟停 *******************************************/

void dianji（）

{

if（red == 0）

{

m1 = 1;

m2 = 0;

}

else

if（green == 0）

{

m1 = 0;

m2 = 1;

}

else

if（mm == 0）

{

m1 = 0;

m2 = 0;

}

else

if（nn == 0）

{

m1 = 0;

m2 = 1;

}

else

{

if（speed <= 3）

{

m1 = 1;

m2 = 1;

}

else

if（speed <= 45）

{

m1 = 1;

m2 = 0;

}

else

{

m1 = 0;

m2 = 1;

}

}

}

3.2 仿真與測試

模塊化設計把復雜的算法或程序分解成獨立的、可供其他程序調用的模塊，由順序、選擇、循環三種基本結構組成，可以獨立地對每個模塊進行分析、設計、編碼、調試、修改和擴充不影響其他模塊或整個程序結構[6]?；谀K設計原則，當仿真出錯或仿真現象與設計不符，可根據錯誤提示或仿真現象修改源程序或原理圖直至符合要求。系統正常運轉時，LCD數碼管動態刷新數據實時顯示紅外傳感器測得的車速。

3.2.1 發動機故障測試

在系統正常運轉時按下模擬故障按鍵，此時系統接收發動機故障信號自動切換至電機單獨運轉，代表電動機工作的紅色LED小燈點亮，代表發動機工作的綠色LED小燈熄滅，并且LCD顯示engine failure！ the motor work！（發動機故障！電機工作?。?，系統自動進入程序設定的應對策略。

3.2.2 電動機故障測試

在系統正常運轉時按下模擬電機故障按鍵，此時系統接收電機故障信號自動切換至發動機單獨運轉，紅色LED小燈熄滅綠色LED小燈點亮，此時LCD顯示motor failure！ the engine work?。姍C故障！發動機工作！），系統自動進入程序設定的應對策略。

3.2.3 行車充電仿真測試

在系統正常運行時按下模擬電池電量低（低于設定值）按鍵，此時系統接收動力電池電量過低信號自動切換至發動機工作，系統進入行車充電狀態紅色LED小燈熄滅綠色LED小燈點亮，此時LCD顯示out of power！ be charging?。娏窟^低！正在充電！）系統自動進入程序設定的應對策略——行車充電模式。

3.2.4 爬坡、加速性能仿真測試

在系統正常運行的情況下按下模擬爬坡/加速按鍵，此時系統判定汽車正處于爬坡、加速工況自動切換至發動機、電機共同工作模式紅色、綠色小燈均點亮，為汽車的行駛提供大扭矩的輸出，此時LCD顯示increase torque！all work！（增加扭矩！均工作?。?，系統自動進入程序設定的應對策略——增扭工作模式。

3.2.5 動力切換模式

在系統正常運轉的情況下，當車速V等于0時汽車處于怠速模式雙動力均不工作，紅色、綠色LED小燈均熄滅，LCD會顯示welcome to cars！ all going well?。g迎使用，一切正常?。┐硐到y正常運行，系統自動進入程序設定的應對策略——怠速模式。

當車速大于0小于45km/h時，汽車處于純電動工作模式紅色LED小燈點亮、綠色LED小燈熄滅。LCD會顯示welcome to cars！ all going well?。g迎使用，一切正常！）代表系統正常運行，系統自動進入程序設定的應對策略——純電動模式。

當車速大于等于45km/h時，汽車處于發動機巡航模式紅色LED小燈熄滅、綠色LED小燈點亮。LCD會顯示welcome to cars！ all going well?。g迎使用，一切正常！）代表系統正常運行，系統自動進入程序設定的應對策略——巡航模式。

仿真結果測試可以按照設定程序進行，達到預期目標。

4 ?小結

HEV動力耦合匹配，直接影響汽車動力性能，本文基于單片機編程軟件對并聯式HEV的動力耦合模擬仿真，仿真分析結果對HEV動力耦合控制策略及汽車性能優化有一定的參考價值。欲對汽車的動力系統優化還需考慮更多因素，如汽車的經濟性能、排放性、電池壽命、能源環保以及配件可靠、成本等各因素，并針對汽車各部件的特性進行綜合控制。

參考文獻：

[1]徐建華.雙無級變速混合動力傳動系統及具有其的車輛[A].中國教育發展戰略學會教育教學創新專業委員會論文集卷三--專題研討[C].2018：2.

[2]高龍飛.插電式同軸并聯混合動力系統參數匹配與控制策略研究[D].太原理工大學，2019.

[3]付向艷，房露青，張楠，楊點.淺析單片機應用系統設計與開發[J].計算機產品與流通，2020（01）：160.

[4]蔚亞.混合動力汽車能量管理問題優化[J].時代汽車，2019（08）：59-60.

[5]張毅剛，趙光權，張京超等.單片機原理及應用-C51編程+Proteus仿真[D].第二版.高等教育出版社，2016.

[6]劉雯.C語言程序設計[J].通訊世界，2020，27（04）：114-115.