一種基于MATLAB/Simulink 的增程器控制系統(tǒng)

譚明作

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

在實施國VI 排放標(biāo)準(zhǔn)和新階段的油耗法規(guī)過程，國家制定了雙積分政策，負積分車企將面臨嚴厲的行政處罰。為此，各車企加速進行低能耗產(chǎn)品的研發(fā)，除了純電汽車的研發(fā)，混合動力汽車也是各個車企重點研發(fā)的車型?；靹悠嚹茱@著降低整車油耗，相對于傳統(tǒng)燃油車，節(jié)油效果超過25%。

增程式汽車是混動汽車其中的一個重要分支，增程器用于給動力電池進行能量補充或者在加速過程中對行駛功率進行能量補充，從而使車輛具備更遠的續(xù)航里程和更強勁的動力體驗。在增程式汽車中，最具代表性的是日本日產(chǎn)汽車的e-POWER 增程動力，兼顧低成本和低油耗，因而被市場廣泛接受。

Simulink[1]是MATLAB 環(huán)境下的一個進行動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成軟件包。Simulink 的模塊化設(shè)計通俗易懂、直觀易學(xué)，目前被廣泛用來進行汽車控制系統(tǒng)的模型開發(fā)。本文的增程器控制系統(tǒng)是基于MATLAB/Simulink 的模塊化開發(fā)，主要用于協(xié)調(diào)控制發(fā)動機和發(fā)電機，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行在高效的發(fā)電工況，同時兼顧控制發(fā)動機運行狀態(tài)，確保發(fā)動機排放符合法規(guī)要求。

1 增程器控制系統(tǒng)架構(gòu)

對于整車控制器（VCU：Vehicle Control Unit）來說，增程器控制系統(tǒng)架構(gòu)可以分成兩大類型，一種是集中式增程器控制，另一種則是分布式增程器控制。

對于增程器集中式控制的架構(gòu)，是將增程器控制單元（RECU：Range Extender Control Unit）的功能模塊集成在VCU 中，由VCU 直接對發(fā)動機控制系統(tǒng)（ECU：Engine Control Unit）和發(fā)電機控制器（GCU：Generator Control Unit）進行協(xié)調(diào)控制，如圖1 所示。

圖1 增程器集中式控制架構(gòu)圖

VCU，Vehicle Control Unit，整車控制器；RECU，Range Extender Control Unit，增程器控制單元；GCU，Generator Control Unit，發(fā)電機控制器；MCU，Motor Control Unit，驅(qū)動電機控制器；BMS，Battery Management System，動力電池管理系統(tǒng)；DC/DC，高低壓直流轉(zhuǎn)換器。

對于增程器分布式控制的架構(gòu)，VCU 是單純的整車控制單元，沒有將RECU 功能模塊放入其中。VCU 不直接對ECU 和GCU 進行協(xié)調(diào)控制，只需根據(jù)車輛狀態(tài)，對RECU 提出功率需求，由RECU 根據(jù)VCU 的功率需求，對GCU 和ECU 進行協(xié)調(diào)控制，如圖2 所示。

圖2 增程器分布式控制架構(gòu)圖

本文的增程器系統(tǒng)架構(gòu)采用分布式控制。采用分布式控制的增程器控制系統(tǒng)，能有效降低VCU 的軟件開發(fā)難度，提高了增程器產(chǎn)品的匹配開發(fā)效率。

2 RECU 的模型開發(fā)

RECU 模型是基于MATLAB/Simulink 的模塊化開發(fā)，由CAN_Input_Interface、Range_Extender_Control 和CAN_Output_Interface 三個大模塊構(gòu)成。

2.1 CAN_Input_Interface 模塊

CAN_Input_Interface 模塊是信號輸入模塊，用于接收VCU、ECU 和GCU 相關(guān)的信息，如VCU 的充電請求、功率請求、增程器運行請求等；ECU 的發(fā)動機水溫信息、發(fā)動機轉(zhuǎn)速信息、發(fā)動機扭矩信息、發(fā)動機故障信息、發(fā)動機扭矩限值信息、發(fā)動機的噴油狀態(tài)等；GCU 的發(fā)電機溫度信息、發(fā)電機電流信息、發(fā)電機電壓信息、發(fā)電機轉(zhuǎn)速信息、發(fā)電機扭矩信息、發(fā)電機故障信息、發(fā)電機扭矩限值信息等基礎(chǔ)輸入信息，如圖3 所示。

圖3 CAN_Input_Interface 的VCU 信息輸入模塊

Range_Extender_Control 模塊根據(jù)這些基礎(chǔ)輸入信息，來對增程器系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)控制。

2.2 Range_Extender_Control 模塊

Range_Extender_Control 模塊是增程器控制系統(tǒng)的核心模塊，用于對子部件的故障信息進行處理，對VCU的功率請求進行計算，對增程器狀態(tài)機進行控制，根據(jù)功率需求對ECU 和GCU 進行扭矩協(xié)調(diào)等。

2.2.1 故障信息處理

RECU 根據(jù)ECU 和GCU 上傳的故障信息，根據(jù)約定規(guī)則進行分類轉(zhuǎn)化后，分成一級故障、二級故障和三級故障。當(dāng)系統(tǒng)處于一級故障時，RECU 需要采取停機措施，以保護安全或者保護硬件，同時上傳故障信息給VCU；當(dāng)系統(tǒng)處于二級故障時，RECU 采取限制功率保護，同時上傳故障信息；當(dāng)系統(tǒng)處于三級故障時，RECU只上傳故障信息給VCU，不做其他限制動作。故障信息處理模塊如圖4 所示。

圖4 故障信息處理模塊

2.2.2 增程器發(fā)電功率處理及運行轉(zhuǎn)速控制

根據(jù)VCU 向增程器發(fā)出的功率需求，RECU 需要結(jié)合當(dāng)前發(fā)動機水溫狀態(tài)、機械功率補償、系統(tǒng)功率限值、功率增減斜率等因素，進行綜合計算處理，最終生成增程器的發(fā)電功率指令RECU_Pwr_Cmd，計算處理過程，如圖5 所示。

圖5 RECU 對VCU 需求功率的計算處理

在得到發(fā)電功率指令后，經(jīng)過查表，就可以得到增程器最優(yōu)的工作點，此時的工作點是在該發(fā)電功率之下系統(tǒng)最經(jīng)濟的運行點，具備最低的燃油消耗率。在這個計算環(huán)節(jié)中，我們運用StateFlow[2]對增程器狀態(tài)進行處理，最終輸出對增程器的轉(zhuǎn)速控制指令Spd_Cmd，如圖6 所示。

圖6 RECU 根據(jù)功率計算轉(zhuǎn)速指令

2.2.3 增程器扭矩協(xié)調(diào)控制

根據(jù)前面計算處理得到的發(fā)電功率指令RECU_Pwr_Cmd 和轉(zhuǎn)速控制指令Spd_Cmd，RECU 結(jié)合ECU、GCU 相關(guān)的扭矩限制條件，以及保證增程器扭矩變化平穩(wěn)過渡，使增程器運行穩(wěn)定為目標(biāo)，經(jīng)過綜合計算處理后，得出發(fā)動機的運行扭矩指令Eng_Trq_Ref。RECU 根據(jù)發(fā)動機運行扭矩指令Eng_Trq_Ref 和轉(zhuǎn)速控制指令Spd_Cmd，通過PID 控制器，對發(fā)電機的發(fā)電扭矩進行閉環(huán)控制，從而使增程器最終實行VCU 的功率需求響應(yīng)。RECU 對發(fā)動機運行扭矩的計算，如圖7 所示。

圖7 RECU 對發(fā)動機運行扭矩進行計算

2.3 CAN_Output_Interface 模塊

經(jīng)過Range_Extender_Control 模塊的運算處理和協(xié)調(diào)控制后，向CAN_Output_Interface 模塊輸入基本控制信息和狀態(tài)信息。CAN_Output_Interface 模塊對這些控制信息和狀態(tài)信息進行再次處理后，分別向VCU、ECU 和GCU輸出相應(yīng)的狀態(tài)信息和控制指令，從而完成對發(fā)動機與發(fā)電機的協(xié)調(diào)控制，讓增程器按照VCU 的功率需求進行發(fā)電，并使增程器運行在最經(jīng)濟的工作狀態(tài)。CAN_Output_Interface 模塊的信號輸出處理，如圖8所示。

圖8 CAN_Output_Interface 的GCU 控制信號輸出模塊

3 RECU 集成與應(yīng)用

基于GCU 強大的硬件資源，經(jīng)過系統(tǒng)計算，GCU 的芯片能力和存儲空間均滿足RECU 的需求。在對GCU的BSW（Basic Software）進行相應(yīng)的匹配開發(fā)后，基于MATLAB/Simulink 模型化開發(fā)的RECU 模型可以很好的移植并集成到GCU 中。經(jīng)過Tasking 編譯生成的RECU 軟件代碼，能友好的刷寫入GCU，順利完成標(biāo)定和調(diào)試。

該增程器控制系統(tǒng)運用于某新型增程車，并進行油耗和排放測試，排放結(jié)果符合國六法規(guī)要求，油耗結(jié)果為5.09 L/100 km，相對該車型的傳統(tǒng)燃油車油耗（6.9 L/100 km），節(jié)油率達26.2%，具有顯著的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

成功開發(fā)的基于MATLAB/Simulink 模型化開發(fā)并集成于電機控制器的增程器控制系統(tǒng)具有可讀性強、移植性好、集成度高、硬件綜合成本低等優(yōu)點。該系統(tǒng)在協(xié)調(diào)控制發(fā)動機時采用扭矩控制方式，控制精度高、控制響應(yīng)快等，使增程器總成始終處于最經(jīng)濟的工作狀態(tài)，有效降低燃油消耗，排放符合國VI 標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)可為混動汽車的開發(fā)設(shè)計提供參考。