新能源汽車節能控制器的設計與實現

冒興峰 羅鷹 王鈺明

摘? 要： 傳統設計方法控制器功率匹配結果無法達到好的節能效果，為解決這一問題，提出新能源汽車節能控制器的設計與實現。在控制器模塊設計上，選用AT89C51單片機存放各種程序運行標志和程序數據。在控制器功能設計上，采用模塊化程序查找故障。由此，完成新能源汽車節能控制器的設計。依據實驗條件，搭建控制器實驗平臺，并給出控制器相關參數。在H模式下，分別計算傳統控制器設計方法與新能源汽車節能控制器的功率匹配結果，是否能夠達到規定的節能指標。實驗結果表明，傳統設計方法功率匹配結果為65%，低于節能指標，所提方法功率匹配結果達到90%，高于節能指標，符合設計需求。

關鍵詞： 新能源汽車; 節能控制器; 控制器設計; 參數設置; 功率匹配; 比較分析

中圖分類號： TN245?34; TP31.2? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）18?0111?03

Abstract： A design and implementation of energy?saving controller for new energy vehicles are proposed to improve the energy saving effect of the power matching result of the controller in the traditional methods. In the design of controller module， AT89C51 single chip microcomputer is selected to store various program running signs and program data. In the design of the controller function， the modular program is used to detect malfunction. Thus， the design of energy saving controller for new energy vehicles is completed. The experimental platform of the controller is built according to the experimental conditions， and the relevant parameters of the controller are given. In H mode， the power matching results of the traditional controller design method and the new energy vehicle energy saving controller is calculated， respectively， so as to determine that whether the specified energy saving index can be achieved. The experimental results show that the power matching result of the traditional design method is 65%， which is lower than the energy saving index. The power matching result of the proposed method is 90%， which is higher than the energy saving index and meets the design requirements.

Keywords： new energy vehicles; energy saving controller; controller design; character setting; power matching; comparison analysis

0? 引? 言

新能源汽車節能控制器是以反電勢來平衡外加電壓的。當轉子轉速逐漸增大時，控制器的啟動電流就會增大。電流增大會加重控制器前面的開關電器負荷，嚴重時會危害汽車的安全運行[1]。在以往的實踐中，為了解決這一問題，采用了降壓啟動技術，降低加在定子繞組的電壓，但是在使用的過程中仍然會出現以下幾個問題：

1） 一般會采用接觸器來切換電壓，以達到降壓的目的;

2） 在啟動時，存在二次沖擊電流，導致控制器堵轉;

3） 在啟動時，控制器是帶載切換的，容易導致控制器拉弧損壞。

為此，本文提出新能源汽車節能控制器的設計與實現。按照汽車節能控制器設計要求，將設計方案分成幾大模塊。為達到控制器便攜性要求，需要設計數據掉電保護電路以適應電池供電狀況。在汽車節能控制器功能設計上，采集制動踏板、油門踏板、離合器位置等模擬信號。最后，通過實驗驗證所提方法的合理性。

1? 控制器模塊設計

控制器選用AT89C51單片機，具有低功耗掉電模式，與工業標準的MCS?51指令集兼容的特點[2]?？扉W存儲器與8位CPU組合是以單個芯片的方式。芯片數據存儲器分配內容：AT89C51單片機內有256個數據存儲器單元，低區為128 B，高區為128 B，屬于特殊功能寄存器區[3]。在低區時，地址為4組工作寄存器區;在高區時，地址為2組工作寄存器區[4]。

各單元具體分配內容：20H地址單元是用于存放各種程序運行標志，包括油門踏板啟動標志和中斷程序執行標志;30H地址單元是用于存放程序數據，程序數據包括汽車速度數據和油門踏板數據;60H地址單元是作為堆棧使用[5]。

芯片存儲器接口電路地址分配內容：

1） A：芯片擴張數據8255可編程并行I/O接口片選地址為9000h～9FFFh;

2） B：芯片擴張數據8255可編程并行I/O接口片選地址為A000h～AFFFh。

8255芯片接口電路如圖1所示。

電磁閥控制是通過開關量信號輸出控制的，在電路中擴展8255芯片，該芯片是由Intel公司生產的I/O接口芯片，共有3個8位的并行I/O接口[6]。

程序存儲器選用EPROM產品，該產品具有在線擦除、改寫的特點，不需要專用電源，但不能直接用單片機系統的5 V電源。故利用選通AT89C51單片機信號，將AT89C51單片機存儲容量[7]設置為32 KB。當PSEN引腳電平有效即可以讀取AT89C51的指令碼，AT89C51接口電路見圖2。

A/D芯片與CPU連接后，具體工作過程如下：

1） CPU發出指令，A/D芯片工作[8]。

2） A/D芯片轉換需要時間，采用專門的信號輸出線才能得到轉換結果。EOC引腳是AT89C51單片機用于判斷轉換是否結束的。當A/D芯片發出結束轉換信號，CPU會在響應中斷后讀入數據。

3） AT89C51單片機有8路模擬輸入端，可以完成A/D轉換，主要作用是控制AT89C51工作步驟。考慮到新能源汽車速度數據等信號的復雜性，控制器增加了串行通信部分。當串行通信的線路連接時，集成電路芯片，用5 V電源實現TTL電平與EIA RS電平之間的轉換。其他電器參數設置：EIA RS終端一側的電容C不能超過2 500 pF。開路電壓不能超過25 V。至此，完成新能源汽車節能控制器模塊設計。

2? 控制器功能設計

新能源汽車節能控制器功能設計采用模塊化程序，這樣易于查找故障，其結構見圖3。

控制器把各個模塊的語言變量的語言值轉化為某適當論域上的模糊子集。語言變量為輸入輸出變量，當控制器穩態運行時，要先計算輸入有功功率降低電壓，再以2次輸入功率的差值為依據，判斷電壓降低等級。在保持速度不變的情況下，使控制器的輸出功率達到最小。在選取語言變量值時，要依據模糊概念，選用比7個語言變量值更多的語言變量值，根據控制器中[ΔP]的模糊語言變量，將控制器大小量化為9個等級，表達式為：

式中，[ΔP]表示語言變量。

完成語言變量值選取后，要求取控制量，計算公式為：

式中：[ΔU]為控制量;[R]為各個關系矩陣。當輸入功率的變化為正數時，會降低電壓，此時控制器會從正向搜索;當輸入功率為負數時，會抬高電壓，控制器從反向搜索;當輸入功率變化較小，電壓幅度比較平穩，保證收斂到最小功率運行點[9]。

綜上可知，由于模糊化工作量大，在矩陣運算時，要離線完成計算工作，避免系統會受實時計算的影響，而無法完成矩陣運算。為確定控制器輸入量的量化等級與輸出控制量的量化等級關系，依據模糊控制列表，求出計算機中離線的控制量[10]。求出量化等級后，采用表決方法得到模糊控制的控制表，如表1所示。

得到控制列表要先置入內存中實時查表使用，完成新能源汽車節能控制器功能設計。

3? 實驗分析

為驗證新能源汽車節能控制器設計的合理性，依據實驗條件搭建控制器實驗平臺，為避免上電時，因電流過大導致不必要的故障，設置預充電路。實驗控制器主要參數見表2。

功率模式選為H模式，控制器轉速選為2 200 r/min。按照控制器要求將控制電流設置為630 mA，主泵匹配功率設置為100%。實驗中，要分別記錄實際轉速是否會隨著控制器負荷率的變化而變化，得到的控制器匹配功率見圖4和圖5。

在H模式下，因為控制器可以根據發動機掉速情況調節泵扭矩閥，所以使用本實驗方法能夠保證實際轉速與設定轉速相同，獲得平穩、規律的曲線圖。在工作中，發動機實際轉速是不穩定的，當轉速為1 750 r/min時，電流為0.1，最大功率的主泵匹配功率為90%，高于節能指標，可以達到較好的節能效果。這是因為通過控制轉速感應，將發動機轉速自動恢復到原來的工作轉速。而使用傳統方法獲得的曲線圖波動較大，無法調節發動機掉速情況，當轉速為1 750 r/min時，電流為0，最大功率的主泵匹配功率為65%，可見傳統方法無法達到較好的節能效果。綜上所述，所構建的新能源汽車節能控制器設計方法相比傳統控制器設計方法的節能效果更好，更符合設計需求。

4? 結? 語

本文選用AT89C51單片機和8255芯片來提高新能源汽車控制器的性能。在控制器功能的設計上，采用模塊化程序查找故障，并依據模糊規則，計算模塊控制量。由此，完成新能源汽車節能控制器的設計與實現研究。在實驗中，為證實所建設計方法的合理性，搭建實驗平臺，分別測試2種設計方法的節能效果。實驗結果表明所構建設計方法更符合設計需求。

參考文獻

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