混合动力汽车电控系统的结构、功能及如何实现设计

混合动力汽车是一种由内燃机和电动机混合驱动的汽车，其主要特点是节能、环保。这种汽车在起步时用电动机驱动，消除了内燃机起步时由于燃烧不充分而排黑烟的现象。在汽车减速或刹车时，利用发电机把动能转化成电能，贮存到蓄电池中，实现能量回收达到节能的目的。由于这种汽车是内燃机和电动机两种动力并存，仅用传统的针对内燃机的电控系统无法实现两种动力的最佳配合，因此开发混合动力车的全新电控系统是十分必要的。本文以一种电机并联式混合动力汽车成功实现为背景，从系统角度介绍了混合动力汽车电控系统结构、功能及效果。

　　并联式混合动力驱动结构简介

　　并联式混合动力汽车的驱动系统结构见图1。发动机通过机械传动装置与驱动桥连接，电动机通过动力复合装置也与驱动桥相连，汽车可由发动机和电动机共同驱动或各自单独驱动。并联式混合动力电动汽车的结构形式更像是附加了一个电动机驱动系统的普通内燃机汽车。电动机起“调峰”作用：当汽车运行工况所需的功率超过了发动机的功率时，电动机从电池取得电能产生电磁力矩，并向驱动桥提供额外的驱动功率。有的并联式混合动力电动汽车也有发电机，但其主要作用是向电池充电，以保持电池的荷电状态（SOC）。

　　混合动力汽车电控系统的结构、功能及如何实现设计

　　图1　并联式混合驱动系统简图

　　电控系统结构设计

　　电控系统以国际业界先进的CAN总线作为通信媒介，以智能化的多能源管理单元为控制核心，以五个功能相对独立的智能化节点（前舱传感器单元、室内传感器单元、电机驱动单元、电池管理单元及显示单元）为辅助节点构成网络控制系统。系统的结构框图如图2所示。多能源通过CAN总线获得系统当前的状态信息，并根据此状态信息产生控制命令，亦通过总线将命令发送到发动机控制单元、电机驱动器使两种动力相互配合，以发挥混合动力汽车节能和环保的目的。各单元（或称节点）在本设计中的统一编号：N1为多能源控制单元；N2为电机驱动器单元；N3为前舱传感器单元；N4为室内传感器单元；N5为电池管理单元；N6为显示单元。

　　图2　电控系统结构图1

　　1）多能源管理单元

　　是整个系统的指挥中心，它由性能较高的微处理器为核心，配合大容量的程序和数据存存器及总线接口构成，由此它能对从总线上传来的系统信息进行迅速处理，大容量的数据存储器中存放了系统运行最佳状态参数，这样处理器就能及时并精确按控制策略对电机和发动机两种动力进行最佳配合。当电控系统出现故障时，它会及时对故障进行处理，保证系统的安全运行。

　　2）发动机控制单元

　　由微处理器、程序和数据存储器、D/A转换电路、开关量接口及总线接口构成。它的功能是通过总线接收多能源管理单元发出的对发动机的命令，进行判断处理后通过模拟量输出及开关量输出对发动机进行控制，其中主要包括对发动机的空然比、点火系统等在各种工况下的控制。另外，本单元还会将执行情况及其当前状况（正常状态还是故障状态）及时通过总线想多能源进行报告。

　　3）电机驱动控制单元

　　由微处理器、程序和数据存储器、D/A转换、开关量接口及电机调速控制几部分构成。它的功能是通过总线接收多能源的对电机的控制命令并及时执行，它主要控制电机的发电与电动状态的切换、电机的转速及输出力矩的控制，通过总线向多能源管理单元报告电机的状态如转速、充电电流、放电电流及故障等状态，当电机出现故障时能进行自处理以保证车辆的安全运行。

　　4）数据采集单元

　　由处理器、微处理器、程序和数据存储器、开关量接口、A/D转换、频率变换及总线接口构成。其功能是准确且及时检测车辆系统的各参数如：发动机转速、车速、节气门开度、刹车、水温、真空度、挡位、空调状态、钥匙状态、离合器状态等，并通过总线传送给多能源管理单元，多能源管理单元以此作为决策依据。另外，此数据也作为显示单元进行显示的依据，因此，此单元是整个系统的眼睛。

　　5）电池管理单元

　　本混合动力车采用锂电池组，此电池组由40个电池串联而成，每个电池正常工作电压为3.6V，为保证系统的安全及电池的可靠工作，对每个电池都配备一以功能较简单微处理器为核心的控制器，每个控制器对其所管理的电池的电压、容量、温度参数进行检测并通过485总线通知电池管理单元，同时控制器也对所管理的电池的充电及放电电流进行控制，防止电池过充和过放，以保证系统的安全。电池管理单元由较高级的微处理器和必要的外围电路构成，本单元通过RS485总线与各电池的控制器进行通信，收集各电池的当前状态参数（电压、容量、温度），并将这些信息进行处理后通过CAN总线通知多能源管理单元，同时也会将电池组的SOC传送到显示单元进行显示。

　　6）显示单元

　　显示单元的构成与其他单元大同小异，它的功能是接收CAN总线上的信息，对必要的信息如车速、发动机 转速、里程、电池容量、充电电流、放电电流、水温、油量及系统故障代码进行显示，在显示方式上，采用无可动部件的高精度数字显示，增加了显示信息量并提高了可靠性，同时为了满足司机习惯于看指针式模拟仪表的要求，也采用类似指针运动的发光二极管模拟旧式表的显示。

　　硬件设计

　　从N3、N4、N6三节点的功能要求来看，若按功能对硬件进行分别设计可各取所需，减小节点体积和重量，但是，这样不便于系统功能的扩展，也限制了节点的可靠性和互换性，故采取三节点硬件统一设计的方案，即三节点的硬件完全一样，各节点的硬件可互换，每个硬件包括所有三节点所需要的硬件功能，另外，由于现代电子技术的进步，统一设计和分别设计的硬件之间的体积和重量的差别很小，对系统性能的影响可以说是微乎其微，更重要的是这样的设计为后续进一步改进所需的系统扩展和冗余式可靠性设计奠定了硬件基础。

　　硬件系统（图3）以微处理器CPU为核心以及必要的外围电路构成。其中CPU为高性中央处理单元，具有丰富的功能和高速的处理能力，可快速进行大量的数学和逻辑运算，完全能满足本电控系统的设计要求。程序存储器中存放着实现各节点功能的软件用以控制各节点的功能实现。数据储存器电路用于系统内存扩展，复杂的程序控制和运算需要大量的中间变量和缓冲区，内存的扩展解决了这一问题.D/A转换电路用于将处理后的数字信号转换模拟信号输出，主要应用于输出控制和信号的远程转换，A/D转换电路用于对系统的模拟量进行采集，即将被采集的模拟信号转换为数字信号，所设计的转换电路的转换速度可达5微秒/路，分辨率为1/4096，每个节点可同时进行8路A/D转换，完全可满足任务书的技术要求。开关量输出接口用于输出节点的位控制命令，具有灵活的输出控制，可直接或间接满足各种功率输出的控制要求，在本系统中的主要位控制信号有发动机的供油、空调、大小电机启动选择等信号。

　　开关量输入电路用于采集系统的开关量，如：钥匙开关信息、离合器状态信息及空调状态信息等信号。显示接口电路用于将被显示信号实时传送到显示器，显示器采用数字化高亮度的LED显示，提高了显示的精度，同时又保留了原有仪表的模式，以便使用者有一个过渡的过程，不致产生不习惯的感觉。频率变换电路用于将系统的速度信号（发动机转速和车速）转换为统一制式的脉冲信号以便微处理器进行识别和测速。CAN总线电路由总线控制器和收发控制电路构成，它负责接收和发送总线信息，使各节点通过总线相连接，使电控系统成为灵活的网络控制系统。

　　图3　硬件系统结构框图

　　软件设计

　　前舱传感器节点（N3）的软件设计

　　N3节点所要完成的任务为：1）实时检测车速、转速、节气门、水温、真空度的参数值；2）检测本节点故障；3）按通信协议完成总线数据传输。本节点的多数任务要求有很高的实时性，因此本节点的软件策略为：1）对车速、转速及总线通讯采用中断方式处理；2）定时启动A/D转换，为满足任务要求的实时性，定时间隔为20μs，用以及时对节气门、水温、真空度的数字化测量；3）空闲时间查询系统状态，以检测系统是否正常，若有故障，对故障进行相应的处理。这样，即可以实时处理车速、转速和通讯中断又可使CPU处于多任务状态，提高了系统资源的利用率。

　　室内传感器节点（N4）的软件设计

　　N4节点所要完成的任务为：1）实时检测钥匙开关状态、离合器状态、空调状态及刹车的参数值；2）检测本节点故障；3）按通信协议完成总线数据传输。本节点的软件策略为：1）对钥匙开关状态、离合器状态、空调状态等开关量的检测及总线通讯采用中断方式处理；2）定时启动A/D转换，为满足任务要求的实时性，定时间隔为20μs，用以及时对刹车信号的数字化测量；3）空闲时间查询系统状态，以检测系统是否正常，若有故障，对故障进行相应的处理。

　　显示节点（N6）的软件设计

　　N6节点所要完成的任务为：1）对车速、里程、充电电流、放电电流及电池容量等参数进行实时显示；2）及时完成大小电机的启动控制和发动机的供油控制；3）检测本节点故障；4）按通信协议完成总线数据传输。本节点的软件策略为：1）对总线通讯、大小电机的启动控制和发动机的供油控制采用中断方式处理，以保证控制、通讯的及时性；2）定时刷新显示，为满足实时性，定时刷新时间间隔为20ms；3）空闲时间查询系统状态，以检测系统是否正常，若有故障，对故障进行相应的处理。

　　通信机制设计

　　本车各单元之间大量数据传送通过CAN总线来完成，这也是本混合动力电控系统的一个与众不同的特色，由于CAN总线的使用，减轻了电控系统的线束重量，降低了系统的复杂性。另外，由于CAN总线是差分传输的一种抗干扰能力很强的现场总线，从而保证了系统通信的可靠性。

　　CAN总线简介

　　CAN总线是德国Bosch公司20世纪80年代初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串行数据通信协议。CAN已成为国际标准（ISO-11898），是具有国际标准的现场总线，规范2.0A和2.0B。CAN总线可支持8/16位CPU，可与各种处理器接口或组成智能化仪器仪表；可工作于多主工作方式，任一节点任一时刻均可主动发送信息，不分主从，通讯方式灵活，可方便的构成多机容错系统;节点可分成不同优先级，满足不同的实时要求；采用非破坏性总线仲裁技术，多点同时发送时，优先级低的节点，主动停止发送，优先级高的不受影响继续发送，有效的避免了总线冲突;可采用点对点、一点对多点及全局广播等方式传送和接收数据，直接传送距离达10km/5Kbps，速率最高达1Mbps/40m，总线上的节点数据理论值达2000个，实际由于时延可达110个；采用短帧结构每一帧有效字节8个，传输时间短，受干扰概率低，重新发送快；通讯介质可采用双绞线及光纤；用户接口简单、编程方便；温度-40℃～+125℃工作；节点故障时有自动关闭总线功能，可以与总线脱离，不影响总线操作；每帧具有CRC校验和其它检测措施，保证出错率极低；具有很高的适应性;接口收发器具有瞬时电压保护，RT抑制、热保护、短路保护等。

　　通信协议

　　本系统在CAN2.0A协议基础上定义通信协议。N1节点发出命令，N2～N6节点接受后不发确认信号，N1节点收到N2～N6节点的信息后判断是否正确，如果不正确或在规定的时间内收不到N2～N6帧，则重新发命令，重发超过规定的次数为通讯故障；N2～N6帧发出信息，N1节点接受后，不发确认信息，N2～N6节点在规定的时间内收不到N1节点的命令，则为通讯故障;N6节点收到N1帧上电复位后的第一帧时在规定的时间内回答，在运行时若N6无故障，则不回答N1.节点数据帧基本结构定义如下：

　　系统中每个节点数据帧用ID区别，每个节点可定义多个不同的数据帧，用以传送不同的信息。

　　性能分析

　　表1为混合动力汽车与传统汽车性能对比，从测试参数来看混合动力汽车的动力和经济性方面均比传统汽车要优越，其排放也达到了“欧2”标准，而且通过测试可知，其尾气中因不完全燃烧而产生的CO和NOx量要比传统汽车要少。

　　结束语

　　提出了一种由智能节点和CAN总线通信网络构成的混合动力汽车的电控系统，在国内混合动力车的控制系统中以CAN总线构成网络控制系统，CAN总线良好的性能在此得到了验证。从性能角度看，在电控系统优秀控制策略的控制下，混合动力汽车的发动机能最大限度工作在高效率和低排放的状态下，同时也可将部分能量进行回收，达到了混合动力的节能和环保目的。另外，由于电机动力的加入也提高了汽车的动力性能。可以断定，随着电控系统技术的进一步发展，混合动力汽车必将成为绿色汽车产业的发展热点。