混合动力汽车整车控制系统 - 图文(4)

第二章 方案论证

2.1 ISG型HEV的工作原理

ISG型混合动力汽车的工作原理是：小功率ISG电机直接装在发动机的输出轴末端，构成一个先进高效紧凑的混合驱动系统。

1)当车辆起动时，传统汽车的起动机只将发动机加速至起动转速，而ISG作为电动机具有良好的启动特性，在短时间内ISG电机带动发动机快速运转到某一（比怠速高）转速后，发动机点火，高转速电起动过程不仅降低了发动机起动时的燃料消耗，还改善了排放，此时ISG电机作起动电机使用。

2)在正常行驶工况（巡航工况）下，ISG停止工作，由发动机提供汽车行驶所需的动力。

3)车辆加速或爬坡时，通常情况下发动机在此工况下的转矩输出有限，由蓄电池提供电能，ISG作为电动机为发动机提供辅助动力，形成发动机和电动机动力在发动机轴上组合的混合驱动模式。例如，当发动机以较低转速运转时，如果加速踏板的行程大于某一设定值时，ISG就开始进行功率补偿，当加速踏板达到满行程时，电机提供最大瞬时功率。

4)车辆减速、制动或蓄电池SOC状态值低于允许的最低SOC状态值时，ISG电机以发电机模式工作，回收车辆再生制动能量或者将发动机的部分动力转换为电能，储存到蓄电池中。

5)当汽车处于长期怠速的驻车工况时，动力总成控制器自动使发动机熄火，达到节能、环保的目的。

2.2 控制器CPU的选择

1)DSP

DSP(Digital Signal Processing)技术，也称为数字信号处理技术，是将一种具有特殊结构的微处理器应用于各种信号处理上，并通过各种信号处理算法，满足系统的控制要求的技术。一般来说，DSP芯片内部采用程序和数掘控制总线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛使用流水线操作，还可以应用一些特殊的指令以实现特殊的计算和控制操作。和普通的单片机系统相比，DSP系统的优势是非常明显的，由于DSP可以在一个指令周期内处理乘法和加法的运算，可以大大的缩短数据的处理时间：流水线操作的特点又可以实现多个指令的并行操作：DSP上一般带有丰富的片上资源，如RAM（Random Access Memory随机存储）模块、A/D（Analog Digital模数）模块、SCI（Serial Communicate Interface串口）模块、FLASH模块和CAN模块等，这样可以简化系统的硬件设计，并减

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少数字芯片之间的高频干扰。DSP兼有了单片机控制的强大逻辑处理功能，这为车辆混合动力控制提供了支持，其灵活的总线扩展方式可以外扩功能芯片，实现系统的多功能引用。相对于模拟处理系统，DSP系统具有很多优势：

①灵活性高，仅仅通过数字处理软件的修改可以改变应用场合和处理方法。 ②精度高，其精度仅与A/D的位数和计算机字长、算法有关，其数据的处理不受数字部分的元件精度的影响。

③可靠性和可重复性好，受环境温度、电磁场等干扰的影响比较小。 ④系统集成度高和性价比高。由于动力总成控制器要在车辆运行过程中，检测车辆运行状态并实时决策，因此对CPU的指令周期也要求很高。

2)飞思卡尔

飞思卡尔有着30多年汽车电子的领导地位，是全球领先的汽车工业半导体供应商。568000系列单芯片数字信号控制器融合了数字信号处理器功能和便利的微控制器功能，灵活外设借口配置和不同种类的封装，为点击控制、数字电源，仪器仪表，照明控制和家用电器等应用提供低成本、高性能的解决方案。

3)单片机

单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。主要特点：集成度高、处理功能强、可靠性高、系统结构简单、价格低廉、灵活性高等特点。

综上所述，与通用微处理器相比，DSP具有如下优点： ①对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部参与影响小； ②可以分时复用，共享处理器；

③方便调整处理器的系数实现自适应滤波；

④可实现模拟处理不能实现的功能：线性相位、多抽样率处理、级联、易于存储等；

⑤可用于频率非常低的信号。

根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本以及体积、功耗等方面进行综合考虑，最终决定采用DSP微处理器来实现能量总成控制器。选择TI公司的TMS320F2812【15、16】这款芯片作为能量总成控制器的CPU。

2.3 CAN总线的在混合动力汽车上的运用

CAN(Controller Area Network)控制器局域网是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种能有效的支持分布式

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控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线范畴。目前，CAN在机械工业、轨道车辆、航海船只和医疗器械等领域都有广泛的应用。在汽车领域CAN是应用最为广泛的总线。

随着CAN在各种领域的应用和推广，对其通信格式的标准化提出了要求。1991年9月Philips Semiconductors制定并发布了CAN技术规范(Version2.0)。该技术规范包括A和B两部分。2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运输工具一数据信息交换一高速通信控制器局域网(CAN)国际标准ISO 11898，为控制器局域网的标准化、规范化铺平了道路。

相对于点对点的线束控制方法而占，CAN控制系统强调集成模块化工作方式，可以非常有效地构成各种分布式实时测控系统，并且具有很高的灵活性和可靠性。同时，各模块能够比较独立的工作，避免了各模块间的相互干预。CAN总线中的通信节点可以是控制器、智能传感器或者是智能执行单元。该技术已经广泛应用在汽车通信系统中。比如上海大众推出的POLO轿车上，整车仅用六个通信节点就代替了繁杂的线束，轻松实现了全车数据共享。

CAN总线具有以下主要特点：

1、多主机工作方式，网络点不分主从。

2、报文帧分为不同的优先级，可满足报文帧的不同实时性要求。 3、采用非破坏性仲裁技术，总线仲裁既不破坏报文帧也不损失时间。 4、可方便的实现一对一、一对多及全局广播等多种报文帧传送方式。 5、通信距离最远10km（5Kbps以下），通信速率最大1Mbps（40m以下）。 6、总线节点数主要取决于驱动电路，目前可达110个。标准报文帧标识符11位，扩展报文帧标识符29位，报文帧数目几乎不受限制。

7、报文帧采用短帧结构，传输时问短，受干扰概率低，出错率低。 8、报文帧具有CRC校验及其它检错措施，检错效果好。 9、通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤等，选择灵活。

10、发生严重错误的CAN节点可自动关闭脱离总线，不影响其它节点的正常通信。

总之，CAN总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、灵活性高和价格低廉等特点。

混合动力汽车的结构复杂，有多种需相互作用却又相对独立的部件，并且车载环境比较恶劣，有很强的干扰，模拟信号的可靠性不高。这些特点都决定了采用基于CAN总线网络的整车控制方案必要性。

通过CAN总线网络，混合动力车辆各系统之间以节点信息的形式交流信息，

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方便各部件的匹配工作，有利于整车控制与调节。

2.4 动力总成控制系统的结构分析和选择

动力总成控制系统或者整车控制系统VSC(vehicle system controller)完成对动力驱动系统的实时控制。VSC必须实时监视车辆的运行状态，发出控制指令，实现车辆工作模式的转换，同时对部件的故障进行实时保护，因此整车控制系统

【20、21】

的设计是一项复杂却是非常重要的任务。HEV整车控制系统一般采用集

中控制或分布式控制两种系统方案。

1、集中控制系统，由系统核心处理器完成对所有信号流和能量流的处理和分配工作，控制器接受所有单元I/O的状态，根据控制策略，再发出对各单元执行机构的控制命令，集中控制系统具有处理集中，实时性强，响应快的特点。

2、分布式控制系统，有VSC通过现场总线与各部件ECU通讯，在工作过程中，各部件ECU分别采集各自控制对象的信号和动态参数，通过现场总线发给VSC，VSC利用这些信息，通过控制策略的运算来进行信号流和能量流的处理和分配工作，并通过现场总线向各部件ECU发出执行指令。各部件ECU接受执行指令，并根据控制对象的当前动态参数，再发出对控制对象的控制命令。该分布式控制系统将整个系统任务模块化，每个模块都有一个ECU来接管，这样以来就将系统可能出现的故障率下移，提高了系统的运行可靠性，不仅如此，由于分布式控制系统是面向对象设计的，从而提高了系统的可扩展性，便于建设、运行和维护。由于处理集中，实时性强，响应快的优点，选择集中控制系统。

2.5 系统硬件总体框图

由于处理集中，实时性强，响应快的优点，选择集中控制系统。

动力总成控制器【22】是整个混合电动汽车的核心，肩负着管理和控制整个车辆各个部件的重要功能，也是混合电动汽车控制思想和控制策略的实施部件。它的主要功能可分为采集、分析决策和控制三大部分。动力总成控制器首先采集整个车辆的各种信号。这些信号又分为直接采集信号和CAN总线【23】信号两大类。其中，直接采集信号包括左轮车速、右轮车速、发动机转速、电机转速、变速箱输入轴转速、加速踏板位置信号及其零位信号、刹车踏板位置信号及其零位信号、离合器状态信号、电池电量信号、充放电电流信号等等。然后，总成控制器根据这些信号分析当前车辆的状态和司机的命令需求，并通过一系列的控制策略的运算，得出满足司机需求的功率或扭矩、满足最佳效率的发动机和电机应出的力及最佳的充电功率、AMT的控制等。最后，动力总成控制器将这些结论作为控制信号发送给对应的部件。所以，动力总成控制器除了满足信号采集和控制信号输出这两大功能以外，最主要的是控制策略的实施，这是实现研发混合电动汽车最

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初意义的关键所在。

图2.1 系统硬件总体框图

2.6 稳压芯片的选择

AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。

AMS1117是一个正向低压降稳压器，在1A电流下压降为1.2V。 AMS1117有两个版本:固定输出版本和可调版本，固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%的精度；固定输出电压为1.2V的精度为2%。

AMS1117内部集成过热保护和限流电路，是电池供电和便携式计算机的最佳选择。

特点：

1）固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V和可调版本，具有 1%的精度

2）固定输出电压为 1.2V的 精度为 2% 3）低漏失电压：1A输出电流时仅为1.2V 4）限流功能 5）过热切断

6）温度范围：-40℃～125℃

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