混合动力汽车整车控制器开发与试验

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摘要:基思卡尔公司的双核微控制器9S12XDT512开发了一款通用的混合动力汽车(Hybrid Electrical Vehicle-HEV)整车控制器(Vehicle Control Unit-VCU),设计时考虑硬件的通用性,使之能够适用于多种混合动力汽车的整车控制。为验证VCU功能,本文以某款并联混合动力公交车为控制对象,在基于dSPACE的硬件在环仿真系统上进行了一系列仿真试验。试验结果表明:VCU能够准确地控制整车实现混合动力工作状态,进而验证了VCU硬件的有效性。

关键词:混合动力汽车;整车控制器;9S12XDT512;双核微控制器;dSPACE;硬件在环仿真

中图分类号:U469.72 文章标识码:A 文章编号:1005-2550(2012)02-0000-00

不断加深的世界能源危机以及严峻的环境问题促使世界各国把新能源汽车作为未来汽车工业发展的主流方向[1-2]。未来10年内,按照国家新能源汽车的相关政策和国际上技术发展的趋势,混合动力汽车和纯电动汽车将作为一种比较成熟的交通工具得到规模化的应用[3]。中国科技部也将“混合动力汽车产业化技术攻关”列为国家高技术发展计划(863计划)重点发展项目之一。

VCU是混合动力汽车的核心控制部件,高性能、高可靠性及成本低廉是其硬件设计需要考虑的三个重要方面。目前国内整车控制器多是针对相应车辆进行的专门设计,不同种类车辆使用的控制器硬件不能完全通用[4-6]。对VCU硬件进行通用性设计可以降低硬件设计、试验及维护成本。本文期望通过综合考虑多种HEV的控制需求,设计出符合通用性要求的VCU平台,届时仅更改其内部软件和外部接线方式即可使其匹配至诸如ISG(起动机/发电机一体化)、串联式、并联式等类型的混合动力汽车上,实现整车控制功能。

本文仅以某款并联混合动力公交车作为研究对象,对VCU的通用性设计和开发展开研究。

1并联混合动力汽车控制系统分析

如图1所示,该并联式混合动力公交车的动力来源为发动机和电动机,二者通过连接后桥的耦合器实现动力合成。VCU控制发动机、电机控制器和超级电容控制器,实现车辆各种工作模式。

VCU是混合动力汽车的核心控制单元,它采集加速踏板、制动踏板、离合踏板及其他部件信号并做出相应判断后,控制下层的各部件和控制器的动作,驱动汽车正常行驶。作为整车的指挥管理中心,VCU对汽车的正常行驶、制动能量回收、网络管理、故障诊断与处理、车辆的状态与监视等功能起着关键的作用。

2整车控制器设计

2整车控制器硬件设计

2.1.1 硬件基本技术要求

(1) VCU能够采集数字和模拟信号,能够对输入信号做出正确处理,并输出相应控制信号。

(2) 易调试、可扩展,具有可重复擦写的存储器,便于存储系统参数。

(3) 电压工作范围宽(12V~36V),温度工作范围确定为-40℃~85℃;要求VCU能适应车辆运行中遇到的诸如震动、噪音、潮湿、冲击等。

(4) 具有良好的电磁兼容性,满足国家对相关行业电气设备的电磁兼容标准。在本文研究的混合动力汽车中,其电机控制器和电机均会产生强烈的电磁干扰,所以VCU要有较强的电磁抗干扰能力[7]。

(5) VCU发生严重故障时能够保证车辆具有最基本的行驶能力,这点对于城市公交车特别重要,因此VCU要在硬件上实现严重故障后的车辆“跛行回家”功能。

2.1.2 整车控制器元件选型

为实现可靠性要求,元件选用汽车级产品。

(1)微控制器选用:按照所处理信号数量及存储要求,微控制器选用飞思卡尔公司的汽车级ECU芯片9S12XDT512MAA。

(2)芯片选用:模数转换芯片选用AD5623,实时时钟芯片选用DS1390,逻辑门芯片选择NXP公司的产品,隔离电路根据信号传输速度和种类不同,分别选用了普通光耦、高速光耦和线性光耦,运放采用MAXIM汽车级产品,DCDC采用了金升阳宽电压输入产品。

(3)分立器件选用:传输信号用固定电阻选用KOA的RA73H2A系列产品,微调电阻选用村田PV37WY系列产品,功率电阻采用国产碳膜电阻;贴片电容采用风华高科X7R型电容,大容量极性电容采用松下TK系列铝电解电容,小容量的电容采用风华高科CA45型钽电容;滤波电感选用TDK的屏蔽电感。

2.1.3 硬件电路设计

图2描述了VCU硬件电路总体结构。VCU多输入、多输出、数模混合共存的复杂系统,其各个功能电路相对独立,因此可以按照模块化思想设计硬件系统的各个模块,主要包括:电源模块、核心控制模块、信号隔离模块。

(1)核心控制模块:图2中“核心板”部分。负责数据的处理、逻辑运算以及控制功能的实现。MCU芯片9S12XDT512MAA运行速度快(最高总线速度可达40MHz),拥有大容量内存(512kB

的Flash、20kB的RAM)可以满足VCU运行状态记录等要求,丰富的外设(SCI、SPI、CAN、PWM、

ADC等),可以省去相关芯片。该MCU还新增了XGATE协处理器成为双核MCU,后者可以单独处理繁重的通信和中断处理任务,使主核心从通信中解放出来以专门处理各种复杂的控制算法,程序运行效率得到了极大的提升。核心控制模块还布置了实时时钟(RTC)、模数转换(DA)和有源滤波电路。

(2)电源模块:由于VCU的核心控制模块与车身需要隔离,因此电源模块要能够为核心控制模块提供与车身隔离的电源。电源模块要提供的电源有供给核心板的隔离+5V、±12V和接口板需要的非隔离+5V、±12V。其中的±12V电源均用于给运放和电压基准供电。隔离电源由DCDC隔离模块产生,非隔离电源由LM2576产生。电源模块单独设计成一块电路板,靠插接件联接到VCU的接口板上。图3

显示了部分电源模块电路。

(3)信号隔离模块:该模块的作用是对VCU的各种信号进行调理及与隔离,提高VCU整体的抗干扰能力。来自电子踏板的信号和VCU输出至电子油门的信号等模拟信号使用线性光耦HCNR201隔离;来自车身上的开关量信号及VCU输出至指示灯等低速数字信号使用低速光耦PC817隔离;来自转速传感器的信号以及VCU的PWM输出等高速数字信号使用高速光耦隔离。隔离芯片前后需要的隔离电源由电源板产生。图4分别是低速数字信号隔离输入电路、低速数字信号隔离输出及驱动电路、模拟信号输入隔离电路。

2.1.4 电磁兼容与抗干扰设计

国标GB/T4765—1995《电磁兼容术语》对“电磁兼容”的定义是:“设备或系统在其电磁环境中能正常工作,且不对该环境中任何事物构成不能接受的电磁骚扰的能力。”从电磁兼容的角度出发,除了设备能按设计要求完成其功能外,还有两点要求:

(1)系统本身抗电磁干扰能力要强,不易受到外界环境的干扰。

(2)系统本身不应成为一个噪声源,产生对其他仪器、设备的电磁干扰[8]。

基于以上两点,首先在VCU电源进入时就采用了抑制共模及差模干扰的LC滤波电路,辅以DCDC输出的LC低通滤波电路,既保证了VCU不受汽车本身诸如火花塞、电磁阀等强干扰对电源的不良影响,也防止核心控制模块产生的高频噪声干扰到车上其他电器(图3);其次将核心控制模块与对外所有信号进行电气隔离,防止耦合至线缆上的干扰影响核心控制模块工作(图4)。

在VCU的设计中,PCB板的布局会对电磁兼容性有很大的影响。使用多层印刷线路板设计可以提高单片机的抗电磁干扰能力,四层板能比双层板噪声低20dB[8]。综合性能、成本和VCU体积的考虑,设计时讲VCU分为电源板、核心板、接口板三块电路板,其中核心板为四层板,电源板和接口板为双层板。核心板与电源板通过插接件联接到接口板上,这样即实现了模块化设计的要求、减小了控制器的整体大小,同时由于电源板位于系统上方,利于散热(图5)。

在PCB布线时,对于双层板,特别是电源和基准部分,坚持单点接地,数字电路合理规划铺铜区域;对于四层板,要保持地平面的完整性,保证数字部分与模拟部分在整个电路板中只有在一处相连,注意接地的阻抗问题;MCU局部布线参照手册要求进行布置,以实现单点接地和防止高频串扰;对噪声特别敏感的信号,如各种模拟信号,单独为其划分出布线区,远离数字电路。

2.1.5 可靠性设计

可靠性设计要求VCU考虑车辆工作时遇到的异常情况,并作出行应处理,使车辆安全运行。例如当VCU发现电机水冷工作不正常时,VCU会停止电机工作并通过故障告警灯告知司机电机发生故障;当电容温度过高时要产生超温告警等。除在软件上加以考虑,硬件上也要保证VCU故障时车辆仍可以行驶,例如“跛行回家”功能:输入的油门踏板信号在VCU内部用继电器进行切换,系统正常工作时继电器通电,该信号由VCU处理后再传送给发动机,汽车工作在混合动力模式下;当VCU失效时继电

器断电,该信号直接连向发动机,车辆可以像传统汽车一样安全驶回(图5)。

2.1.6 通用性设计

国内有多种整车控制器是基于CAN通讯网络的分布式控制系统[4-7],按照通用性理念设计的VCU可以方便地从一种车辆移植到另外一种。

由于CAN已经是当今汽车总线的主流, VCU设计了两路CAN接口,一路专门用于与发动机和部分仪表进行大数据量通讯,另一路连接其他单元(图1)。RS232接口依然保留,以适应车辆上诸如GPS、数字化仪表等单元的传统通讯需求。

VCU需要处理众多的数字和模拟信号,为充分适应不同车辆需求,设计了尽量多的信号接口,

最终设计了15路可配置高低端低速数字输入、4路高速捕捉数字输入、8路低端控制低速数字输出开关、4路高速PWM数字输出开关、4路模拟信号输入、2路模拟信号输出等IO接口,超过了多数整车控制器需要的IO接口数量,方便移植。

2.2 整车控制器软件设计

2.2.1 控制策略分析

城市公交车工况有如下特点:车辆大部分时间处于中低速行驶;车辆运行中起停工况多;车辆制动工况频繁[9]。超级电容具有功率密度高、充放电速度快、效率高、控制简单、绿色环保、运行温度范围宽等诸多优点[10],特别适合混合动力公交车的工况特点。

超级电容混合动力汽车的主要目标是降低油耗及提高加速性能,根据已知参数,要尽力减少发动机处于低速大扭矩状态。查阅发动机万有曲线(图6),900r/min~1400r/min时输出最高转矩是油耗较高,因此将该转速范围作为进入助力模式的首要条件。当发动机进入该转速区间时,电动机通过耦合器与发动机一起驱动汽车,以使发动机工作在经济油耗区(如图6粗线处)。当踩下制动踏板时,根据车速和踏板开度,VCU控制电动机转换为发电机,整车进入制动回馈模式以给超级电容充电。在汽车处于其他运行状态时,电动机和超级电容处于待机状态,进入滑行模式。

图6 发动机万有曲线

在混合动力模式下,VCU控制整车在助力、制动回馈、滑行这三种模式下转换,这三种模式的转化不是很复杂,所以试验时采用基于逻辑门限值的算法编制控制程序。当VCU采集到的数据经过逻辑运算符合某种模式时,VCU进入相应模式的处理子程序中。

在助力模式下,力矩分配计算是VCU的主要任务。当驾驶员需求扭矩大于发动机在该转速下的经济油耗输出扭矩时,发动机输出经济油耗扭矩,电动机输出需求扭矩与经济油耗扭矩的差值;反之,发动机输出需求扭矩,电动机输出为零。

在制动回馈模式下,电动机转换为发电机,通过DCDC对超级电容充电,充电的电流大小与此

时的车速和刹车踏板开度有关。

2.2.2 双核微控制器软件的编制

9S12XDT512具有两个独立的运算核心,主运算核心CPU12X内核功能丰富、接口众多,协处理核心运算速度快。XGATE的加入有助于提高系统的实时性,减轻CPU12X的工作负荷[11]。根据MCU双核的特点,将程序中的CAN、SPI等通讯部分和中断处理交由XGATE处理,车辆需求扭矩计算、运行模式判断、能量分配策略等复杂的控制算法由主核心CPU12X来处理,两核心间的数据交换通过共享RAM实现。这样既保证了通讯的实时性,又提高了控制算法的运行速度。

3 整车控制器功能验证

3.1 硬件在环仿真系统的搭建

硬件在环仿真不但克服了离线仿真不能模拟实际物理信号的缺点,还克服了实车试验成本高、周期长等缺点[12,13]。图8和图9所示硬件在环仿真控制系统包括VCU、dSPACE(DS1005)、ControlDesk软件和驾驶室仿真台等四个部分,驾驶室仿真台负责产生三种踏板信号和挡位信号,PC机中的ControlDesk软件起到下载模型至dSPACE及监控dSPACE的作用,dSPACE负责产生车辆上的各种信号。

3.2 试验结果

图10为硬件在环仿真的试验结果,显示了车速与超级电容电流和电压、发动机转速和扭矩、电动机转矩及挡位信号之间的关系。

分析可知在各个挡位下,当发动机在900r/min~1 400r/min时车辆进入助力模式,电动机助力使发动机运行于经济油耗区(图10A圈处),此处形成的曲线与图6中的最佳燃油消耗曲线很接近,此时超级电容输出电流,超级电容电压下降;当刹车踏板踩下时,车速较高的情况下VCU进入制动回收模式,电动机转换为发电机输出电流给超级电容,超级电容电压上升;在其余状态下,VCU进入滑行模式,电动机和超级电容待机,发动机单独工作。

VCU能够根据踏板及挡位信号准确地判断出的驾驶员意图,迅速切换到相应的工作模式,实现混合动力工作模式。

4 结论

(1)本文所述VCU考虑到了通用性的要求,可以将其方便地移植到其他种类的混合动力汽车上,从而降低了硬件开发和使用成本。

(2)在混合动力整车控制器上首次采用了双核微控制器,它可以将中断处理程序单独分配给一个内核,同时另一内核专门处理复杂的逻辑运算而不受中断影响,克服了传统的单核微控制器由于繁杂的中断请求导致其系统运行效率下降的缺点,提高了整个系统的实时性和运行效率。

(3)硬件在环仿真试验的结果表明所设计的VCU完成了包括车辆需求计算、运行模式判断、能量分配策略和数据信息交换等工作,工作稳定。根据发动机工作区优化策略而提出的逻辑门限值能量分配策略是可行的,工作时优化了发动机的工作区间。

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