錢多年

(同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院，上海200127)

伴隨著日益嚴(yán)重的大氣污染和能源危機(jī)，傳統(tǒng)交通工具—汽車的可持續(xù)發(fā)展面臨越來越嚴(yán)峻的形勢．研發(fā)電動車作為解決上述問題的有效途徑，得到了越來越廣泛的認(rèn)可[1]．

但由于目前蓄電池儲能有限，純電動汽車存在一次充電后續(xù)駛里程短的問題．筆者考慮采用在純電動汽車上加裝一個增程器的方法來增加純電動汽車的續(xù)駛里程．

增程器是為了增加純電動汽車行駛里程而加裝在純電動汽車上的一個附加儲能部件．通常用戶可以在出行時根據(jù)行駛里程需求確認(rèn)是否安裝[2]．本文設(shè)計的電動車所使用的增程器是燃料電池．

整車控制器的基本功能對駕駛員的一些操作指令及傳感器信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)車輛運行狀況，控制電機(jī)、電池、增程器及外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)安全、穩(wěn)定、科學(xué)的工作．

1 整車控制器功能定義

1．1 整車控制器功能介紹

整車控制器VMS的控制對象為整個動力系統(tǒng)，主要包括電機(jī)、動力蓄電池、增程器和儀表．并在各部件控制器(如電機(jī)控制器MC、動力蓄電池控制器BMS、增程器控制器等)的配合下完成包括能量管理、故障診斷等．

整車控制器VMS通過與其他各控制器之間的CAN網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)分布式現(xiàn)場總線控制．

圖1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)

1．2 能量管理和駕駛控制功能

能量管理和駕駛控制功能是整車控制策略的核心部分．

通過加速踏板的位置信息，識別駕駛員的駕駛意圖，并且通過整車控制器設(shè)置的驅(qū)動控制算法，輸出電機(jī)控制器調(diào)速電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速．

由于帶增程器的電動車有兩個能量源，分別是動力蓄電池和燃料電池．所以需要通過整車控制器協(xié)調(diào)兩個能量源．

圖2 不同工況不同SOC門限值下續(xù)航里程

1．3 故障診斷功能

當(dāng)動力系統(tǒng)各部件控制器(如增程器、BMS、充電機(jī)控制器等)監(jiān)測到該部件性能參數(shù)超出控制范圍，通過CAN網(wǎng)絡(luò)將該故障傳輸給整車控制器．根據(jù)實測數(shù)據(jù)偏離門限值的多少，故障分為三級．

當(dāng)一級故障發(fā)生時，整車控制器控制整車停車并切斷動力電．當(dāng)二級故障發(fā)生時，整車控制器關(guān)閉相應(yīng)部件．當(dāng)三級故障發(fā)生時，整車控制器將該故障顯示到儀表，起到警示作用．

圖3 整車控制器電氣原理圖

2 整車控制策略

本論文設(shè)計的帶增程器電動車整車控制策略包括兩部分:駕駛控制策略和能量管理策略．

2．1 駕駛控制策略

整車控制器在接受到加速踏板位置信號、檔位信號和鑰匙信號，即駕駛員駕駛意圖后，根據(jù)加速踏板從零到最大開度和電機(jī)從零到最大轉(zhuǎn)速正比的對應(yīng)關(guān)系，輸出電機(jī)控制器調(diào)速電壓，控制電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速．而通過檔位信號控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)．

同時考慮到動力蓄電池SOC余量，當(dāng)電池SOC余量低于0．25時，對電機(jī)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速要求減半．

圖4 MPC555芯片的接口定義

2．2 能量管理策略

對于擁有兩個能量源的電動車，能量管理策略是整車控制策略中最重要的一環(huán)．

目前研究較多的能量管理策略主要有三種，第一種是邏輯門限控制策略[3];第二種是自適應(yīng)控制策略[4];第三種是基于模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的只能控制策略[5]．

本文采用邏輯門限控制策略，而評價指標(biāo)包括三部分:蓄電池充放電經(jīng)濟(jì)性，動力性和能否體現(xiàn)增程器概念．當(dāng)電池SOC低于門限值后，燃料電池以恒功率2kW開始工作，起到增程器的作用．由于燃料電池工作時，一部分功率提供汽車克服行駛阻力，剩余的功率還能給動力蓄電池充電，所以在選擇啟動燃料電池對應(yīng)的動力蓄電池SOC門限值時，要考慮到電池充放電的經(jīng)濟(jì)性．使電池在充放電效率最高的區(qū)域工作．

本文使用Matlab的插件Advisor 2002，通過帶增程器的電動車在SOC門限值分別為0．3，0．4，0．5和0．8時啟動燃料電池，仿真燃料電池從開啟到氫氣耗盡行駛里程加上燃料電池充電電能提供車輛純電動行駛的里程，以此為指標(biāo)評價充放電經(jīng)濟(jì)性．

選擇較符合電動車工作的工況，包括:20km/h和30km/h的等速巡航工況，公交車工況(CYC_NewYorkBus)和城市中心工況(CYC_NYCC)．

圖2所示為在不同工況，不同SOC門限值下，電動車的續(xù)航里程．可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)動力蓄電池SOC下降到0．3－0．4時，啟動燃料電池，可以得到最好的經(jīng)濟(jì)性能．

然后考量動力性．為保證車輛在開啟燃料電池后，電動車仍有足夠的能量保證動力性的需求，設(shè)計電動車以10km/h的車速連續(xù)爬15%坡度的工況．計算電動車在不同SOC門限值下開啟燃料電池直到動力蓄電池電能耗盡(動力蓄電池SOC低于0．2)，所行使的距離．以SOC門限值0．4為例．

首先計算爬坡所需電機(jī)功率．

表1 整車控制器(VMS)功能定義

由于爬坡所需功率大于燃料電池提供的功率，此時動力蓄電池和燃料電池同時輸出電能提供給爬坡所需的功率．已知動力蓄電池額定電壓128V，額定容量40Ah．以SOC門限值0．4為例，可以計算出從燃料電池開啟直到動力蓄電池電能耗盡爬坡的距離．

表2所示為在不同SOC門限值下從燃料電池開啟直到動力蓄電池電能耗盡爬坡的距離．隨著SOC門限值下降，電動車動力性能變?nèi)酰瑫r考慮到增程器的概念，需要在動力蓄電池電量盡量低的情況下再開啟增程器，所以選擇當(dāng)動力蓄電池SOC降到0．4時開啟燃料電池．

表2 爬坡里程

3 硬件設(shè)計及軟件開發(fā)

3．1 硬件設(shè)計

文本使用MPC555芯片作為整車控制器的硬件平臺．MPC555微控制器是一款高性能高速32位單片機(jī)，片內(nèi)含有64位的浮點單元，448KB的Flash ROM、26KB的 SRAM和6KB的 TPU專用RAM、4KB專用ROM．

整車控制器的輸入輸出數(shù)據(jù)，可以通過兩種途徑和外圍機(jī)構(gòu)聯(lián)系．一種是通過CAN通訊，另一種通過MPC555的A/D、D/A和I/O口，輸出輸入模擬量和開關(guān)量．圖3和圖4所示為整車控制器電氣原理圖和MPC555芯片的接口定義．

3．2 軟件開發(fā)

整車控制器的軟件部分主要是獲取CAN通訊及硬件接口的輸入數(shù)據(jù)后，通過能量管理、駕駛控制以及故障診斷的控制及計算，輸出開關(guān)量及模擬量給各個部件控制器．

運用Matlab/Simulink及其子模塊Stateflow建立控制模型，利用RTW首先對Simulink模塊方圖以ASCII碼的形式存儲在model．rtw的模型中間描述文件．然后由目標(biāo)語言編譯器(TLC)生成代碼:包括系統(tǒng)目標(biāo)文件、模塊目標(biāo)文件、目標(biāo)語言編譯器函數(shù)庫．生成自定義的聯(lián)編文件，即model．mk．程序創(chuàng)建過程將調(diào)用聯(lián)編實用程序，而該程序?qū)幾g器程序進(jìn)行調(diào)用，生成機(jī)器碼，通過CANape和MPC555的CAN標(biāo)定線下載到芯片．

3．3 整車調(diào)試和標(biāo)定

整車調(diào)試包括弱電調(diào)試和強電調(diào)試兩部分．弱電調(diào)試涉及整車控制器、動力蓄電池控制器、增程器控制器、電機(jī)控制器、儀表及檔位、鑰匙位置等部分．

當(dāng)整車弱電調(diào)試完畢，確定各控制器及部件能在鑰匙于1位置，整車低壓上電以后，通過CAN通信實現(xiàn)控制電路續(xù)電器和各控制器開閉．開始高壓上電，接通電機(jī)和燃料電池．同時標(biāo)定油門踏板開度和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的對應(yīng)關(guān)系，并證實整車控制器設(shè)定的能量管理控制功能，根據(jù)動力蓄電池SOC的數(shù)值自動控制燃料電池的開閉．

最后在試車場進(jìn)行路試，驗證車輛是否達(dá)到設(shè)計預(yù)期的動力性和續(xù)航里程的指標(biāo)．

4 總結(jié)

本文介紹了增程器這個在國內(nèi)比較先進(jìn)的概念，同時定義了帶增程器電動車使用的整車控制器的功能．最后介紹了整車控制器及其控制策略的設(shè)計流程．希望給電動車控制系統(tǒng)設(shè)計與控制起到一定的借鑒作用．

[1] Shimizu H，et al．J，Bland C．Advanced Concepts in Electric Vehicle Design[J]．IEEE Trans．On Industrial Electronics，1997，44(1):14－18．

[2] 尤寅，宋珂，尹東曉．帶Range－Extender純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計[J]．北京汽車，2010，21(3):70－74．

[3] Kimura A，et al．Drive Force Control of a Parallel－ series Hybrid System．JSAE Review，1999，20(3):337－341．

[4] Johnson V H，et al．HEV Control Strategy for Real－ time Optimization of Fuel Economy and Emissions．SAE Paper 2000－01－1543，2000．

[5] Baumann B M，et al．Mechatronic Design and Control of Hybrid Electric Vehicles．IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2000，5(1):58－72．