混合動(dòng)力電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試分析

宋曉雯

（雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 雅安 625000）

近年來(lái)，各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度日益加深，人們的節(jié)能環(huán)保意識(shí)也不斷提升。混合動(dòng)力汽車(chē)不僅可以減少燃燒消耗，降低污染，還具有傳統(tǒng)燃油車(chē)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，適用性較強(qiáng)。混合動(dòng)力汽車(chē)可在發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)等主要部件之間的實(shí)現(xiàn)能量的合理分配，有效提高了整車(chē)的運(yùn)行效率。電控系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車(chē)的關(guān)鍵，是整車(chē)性能的基本保證。

與其他類(lèi)型的混合動(dòng)力汽車(chē)相比，并聯(lián)式混合動(dòng)力汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，也可采用油電混合動(dòng)力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。借助混合動(dòng)力電動(dòng)系統(tǒng)，在燃油車(chē)上容易實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，可以在驅(qū)動(dòng)橋上直接加裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在車(chē)速不高，且車(chē)速變化不大時(shí)采用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在高速行駛或加速狀態(tài)下，采油混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，增大扭矩。

1 混合動(dòng)力電控系統(tǒng)功能需求

電控系統(tǒng)是混合動(dòng)力汽車(chē)控制的關(guān)鍵，電控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接決定混合動(dòng)力汽車(chē)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在進(jìn)行混合動(dòng)力電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須滿足以下功能需求。

（1）電子控制單元通過(guò)傳感器控制加速踏板、制動(dòng)踏板、離合器，接收傳感器傳輸?shù)男盘?hào)并進(jìn)行計(jì)算和處理，操作車(chē)輛行駛。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)傳感器的類(lèi)型進(jìn)行區(qū)別配置，并根據(jù)性能要求做好芯片和引腳的配置。

（2）能夠按照要求完成混合動(dòng)力系統(tǒng)各組成部分電路的構(gòu)建。

（3）換向閥的管控是通過(guò)液壓混合動(dòng)力和電液比例放大器之間的通訊關(guān)聯(lián)，控制和調(diào)整位移電液比實(shí)現(xiàn)的。

（4）建立總線通訊，實(shí)時(shí)收集發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析處理后對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。如根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩進(jìn)行調(diào)整，使車(chē)輛能適應(yīng)各類(lèi)路況。

2 混合動(dòng)力電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混合動(dòng)力汽車(chē)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)電路、主控電路、輔助電路和系統(tǒng)保護(hù)電路等，總體設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 混合動(dòng)力電控系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)示意圖

2.1 電控系統(tǒng)單片機(jī)選型

為了確保混合動(dòng)力電控系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，本系統(tǒng)主控芯片選用飛思卡爾MC9S 12XDP512。電控單片機(jī)最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路、上電復(fù)位電路、背景調(diào)試模式（Background Debug Mode, BDM）接口電路和單片機(jī)電源引腳抗干擾電路，每一部分控制系統(tǒng)部分功能，綜合發(fā)揮系統(tǒng)的整體功能。時(shí)鐘電路采用16 MHz石英晶體振蕩器，在工作過(guò)程中可通過(guò)輸出引腳晶振復(fù)位所有設(shè)備的時(shí)鐘輸入頻率。上電復(fù)位電路通過(guò)單片機(jī)輸出的復(fù)位信號(hào)，對(duì)電子控制單位進(jìn)行控制。BDM接口電路可以將控制程序下載到微控制器，單片機(jī)電源引腳抗干擾電路可有效去除電源干擾信號(hào)，提高電控系統(tǒng)輸入和輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

可靠穩(wěn)定的電源電路，是混合動(dòng)力電控系統(tǒng)各部件功能正常發(fā)揮的基本保證。研究中選用轉(zhuǎn)向電源芯片，其工作溫度閡值區(qū)間較大，輸入電壓和輸出電流值不僅可滿足系統(tǒng)要求，還可最大限度地降低浪涌電壓系統(tǒng)電源的影響，有效提高了系統(tǒng)硬件的抗干擾性。

發(fā)電機(jī)工作過(guò)程中，電壓的變化會(huì)對(duì)電控系統(tǒng)工作產(chǎn)生影響，進(jìn)而降低控制進(jìn)度。電源電壓的變化幅度較大，最高可達(dá)到30 V，已經(jīng)超出了單片機(jī)轉(zhuǎn)換過(guò)程中可以測(cè)量的電壓變化幅度。為了降低電源對(duì)系統(tǒng)工作的干擾，將電壓轉(zhuǎn)換為0 V～5 V后，然后輸入單片機(jī)接口進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)試，測(cè)試電路如圖2所示。

圖2 電源測(cè)試電路

2.3 輸入信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)量信號(hào)調(diào)理電路的功能是配合電控系統(tǒng)控制各組成部分的啟動(dòng)、空擋等，為了抵抗外部干擾，在應(yīng)用RC低通濾波器的基礎(chǔ)上，還可實(shí)現(xiàn)在開(kāi)關(guān)環(huán)節(jié)對(duì)強(qiáng)脈沖干擾信號(hào)進(jìn)行濾除。此外，開(kāi)關(guān)量信號(hào)調(diào)理電路還通過(guò)應(yīng)用光電隔離策略降低信號(hào)干擾，通過(guò)單向傳輸?shù)姆绞剑剐盘?hào)采集和調(diào)理電路分開(kāi)工作，有效防止干擾信號(hào)傳入，有效提高輸入信號(hào)的質(zhì)量。

模擬量信號(hào)調(diào)理電路是對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的電壓和電流模擬信號(hào)進(jìn)行分析和處理，對(duì)蓄能器壓力、制動(dòng)和加速等信號(hào)進(jìn)行控制。通過(guò)分析各類(lèi)傳感器傳輸回來(lái)的模擬信號(hào)，分析系統(tǒng)各部件的工作狀態(tài)，調(diào)理后滿足混合動(dòng)力汽車(chē)的起步、停車(chē)以及加速行駛要求。脈沖信號(hào)調(diào)理電路主要是對(duì)速度和電機(jī)傳感器輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行分析和處理，濾除高頻干擾信號(hào)，經(jīng)削波測(cè)量信號(hào)處理、信號(hào)放大后脈沖信號(hào)的性能進(jìn)行分析。

2.4 執(zhí)行電路設(shè)計(jì)

執(zhí)行電路是將控制信號(hào)傳輸?shù)交旌蟿?dòng)力電控系統(tǒng)各個(gè)主要部件，控制各部分正常工作。執(zhí)行電路通過(guò)智能低壓側(cè)開(kāi)關(guān)及單片機(jī)的通信接口控制系統(tǒng)各主要部件，智能低壓側(cè)開(kāi)關(guān)可在短時(shí)間內(nèi)控制各部件的開(kāi)關(guān)。

3 混合動(dòng)力電控系統(tǒng)功能測(cè)試

3.1 測(cè)試設(shè)備

混合動(dòng)力電控系統(tǒng)核心控制裝置主要包括控制器、儲(chǔ)能單元、控制板、電腦。電控系統(tǒng)功能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)主要包括控制平臺(tái)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制執(zhí)行器、測(cè)量傳感器、循環(huán)水冷卻系統(tǒng)等，傳感器主要包括溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器。混合動(dòng)力電控系統(tǒng)功能測(cè)試試驗(yàn)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制和再生制動(dòng)控制試驗(yàn)。

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)起到控制試驗(yàn)分兩次進(jìn)行，兩次液壓起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 第一次液壓起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

首次啟動(dòng)時(shí)蓄能器還沒(méi)有儲(chǔ)存足夠的壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)主要為液壓起動(dòng)，啟動(dòng)后控制系統(tǒng)通過(guò)釋放蓄能器壓力驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)展試驗(yàn)工作。發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，蓄能器的壓力變化是連續(xù)的，不是間斷的，蓄能器壓力經(jīng)歷了一個(gè)不斷下降的變化趨勢(shì)。

圖4 第二次液壓起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

分析圖4所示試驗(yàn)曲線，可以得出蓄能器的壓力下降呈現(xiàn)連續(xù)、均勻的趨勢(shì)，處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。這說(shuō)明控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精確控制，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作需要合理控制蓄能器壓力。綜合分析上述兩次液壓起動(dòng)試驗(yàn)曲線變化趨勢(shì)，平均啟動(dòng)時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明混合動(dòng)力電控系統(tǒng)可以及時(shí)平穩(wěn)的啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.3 再生制動(dòng)控制試驗(yàn)

混合動(dòng)力電控系統(tǒng)再生制動(dòng)控制試驗(yàn)開(kāi)展前，首先設(shè)定測(cè)功機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min，安全閥和蓄能器充氣壓力值分別為21 MPa和12 MPa。由于再生制動(dòng)控制試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)不會(huì)噴油，動(dòng)力主要來(lái)源于測(cè)功機(jī)，驅(qū)動(dòng)液壓泵工作。再生制動(dòng)控制試驗(yàn)也分兩次進(jìn)行，兩次試驗(yàn)結(jié)果如圖5和圖6所示。分析圖5和圖6試驗(yàn)曲線變化情況，兩次試驗(yàn)各試驗(yàn)參數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明混合動(dòng)力電控系統(tǒng)可以滿足車(chē)輛動(dòng)力需求。

圖5 第一次再生試驗(yàn)結(jié)果

圖6 第二次再生試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的燃油車(chē)相比，混合動(dòng)力汽車(chē)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而電控系統(tǒng)是車(chē)輛正常運(yùn)行的基本保障。混合動(dòng)力電控系統(tǒng)首先應(yīng)做好各組成部分電路的構(gòu)建，按照要求布設(shè)傳感器，建立總線通訊，及時(shí)收集發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，精確掌握車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)。為了保證混合動(dòng)力電控系統(tǒng)高效運(yùn)行，根據(jù)系統(tǒng)需要合理選配單片機(jī)，進(jìn)行主控電路、執(zhí)行電路、電源電路和信號(hào)輸入電路的設(shè)計(jì)。為了準(zhǔn)確確定混合動(dòng)力 電控系統(tǒng)的功能，分別在試驗(yàn)臺(tái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制和再生制動(dòng)控制開(kāi)展試驗(yàn)，得出系統(tǒng)各參數(shù)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，電控系統(tǒng)可以滿足混合動(dòng)力汽車(chē)動(dòng)力需求。