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1、并联同轴型混合动力客车整车控制器的方案设计余捷(福建工程学院机电系，福建 福州 350002)摘 要：在介绍并联同轴型混合动力客车的结构基础上，分析其工作原理和可实现的工作模式。最后，利用模块化设计电路思想，设计了基于PIC18F66K80的整车控制器的软硬件系统的实现方案。关键词：混合动力客车；整车控制器；方案设计中图分类号：U464.1 文献标识码：A 文章编号：1672-4801(2012)01-086-04混合动力客车将发动机、 电机两种动力源组合在一起，理论上可同时发挥内燃机客车和电动 客车的优点，是减少二氧化碳排放和油耗的有效 技术途径之一1，使客车既满足在特定条件下零 排放的要求
2、，又可以在一定程度上延长续行里程 2。因此，混合动力客车的动力系统设计目前成 为世界各国竞相开发的汽车关键技术之一。混合 动力客车大体可以分为三种类型：串联式、并联 式和混联式。其中，考虑到并联同轴型混合动力 客车对传统客车的技术继承性好、结构简单实用、 整车系统研发易于实现等特点，本文选取并联同 轴型混合动力客车作为研究对象。在分析该结构 混合动力 客车的工 作原理基 础上，基 于 PIC18F66K80 单片机设计了整车控制器硬软件系 统实现方案。/发电一体机自动变速箱驱动桥。之所以称为同轴式，在于电动发电一体机转子的一端与变速 箱的输入轴相连，另一端与自动离合器的输出轴相 连，从而两条动
3、力传输路线都经过同一根传输轴 (电机转子)，该轴可实现两动力的单独传递及耦合 需求，这就省去了并联式混合动力客车通常所采用 的行星轮结构来充当动力耦合器。离合器驱动轴图 1 同轴并联式混合动力客车动力系统简图根据图 1 的结构图，分析得出并联同轴型混 合动力客车可实现的各种工作模式，详见表 1 所 示。要想实现客车各工作模式间的顺利切换，满 足行车要求，达到节能减排的目的，不仅需要动 力传动系的每个组成部件(子系统)性能正常，同 时也需要协调各子部件间切换动作的整车控制器 有好的控制策略及稳定的性能。同轴式并联混合动力客车动力传动系1统工作原理分析并联同轴型混合动力客车的动力传动系统结 构如图
4、 1 所示，其动力传输路线有 2 条：发动机 自动离合器电动/发电一体机自动变速箱驱 动桥以及动力电池组/超级电容组逆变器电动表 1 并联同轴型混合动力客车可实现的工作模式模 式动力传递路线A：电机单独驱动B：发动机单独驱动 C：联合驱动模式 D：发电模式发动机自动离合器电动/发电一体机自动变速箱驱动桥动力电池组/超级电容组逆变器电动/发电一体机自动变速箱驱动桥 以上两种路线的耦合(A+B) 发动机自动离合器电动/发电一体机(发电模式)逆变器动力电池组/超级电容组(变速 箱挂空挡) 动力电池组/超级电容组逆变器电动/发电一体机自动变速箱驱动桥(电机采用反转电 动模式或变速箱挂倒档) 驱动桥自动
5、变速箱电动/发电一体机(发电模式)逆变器动力电池组/超级电容组 变速箱切换为空挡E：倒车模式F：制动回电模式G：滑行模式*福建工程学院青年科研基金(GY-Z09069)；福建省科技平台建设项目(2008J1002)。作者简介：余捷(1984)，男，助教，研究方向：汽车电子技术。发电/电动一 体化机发动机自动变速箱动力电池组/ 超级电容组逆变器第 1 期余捷：并联同轴型混合动力客车整车控制器的方案设计87器保护器(ADM)、离合器控制器(CCU)和人机智能显示系统(IP)构成了一个 8 节点 CAN 总线网 络。HCU 是整车的关键部件，负责整车两个能量 源之间的能量分配管理以及对各个子系统控制
6、单 元进行实时监测和控制。为实现整车如表 1 所示 的各种工作模式，需要先确定整车能量分配策略。 整车能量分配策略是混合动力整车控制的核心， 主要用于确定满足驱动轮驱动力矩的要求所需的 发动机和电动机各自的转矩，并实现发动机、动 力电池组/超级电容组、电机和传动系统的优化匹 配3。因此，整车控制器的设计必须结合整车能 量分配策略，文献 4 提出了三种可用于本研究所 采用的并联混合动力客车：电动助力、实时控制、 模糊逻辑。经文献上的分析，以模糊逻辑控制策 略较为适用。2整车控制器设计整车控制器根据所采集的踏板信号来解释驾 驶员行车意图，并采集电机、发动机及动力电池 组/超级电容组等动力系统主要构
7、件的状态信息 来了解行车状态，最后根据所设计的控制策略和 控制算法，对变速箱挡位变换、离合器工作状态 控制、电机运行模式、电机输出转矩等进行控制， 以便可靠、正确地执行驾驶员行车意图。图 1 为所研究的动力总成系统的简图，图 2 为其对应的电控系统结构示意图。为了减少整车 线束，采用 CAN 总线技术来实现各个子系统和 整车控制器(HCU)之间的互联，其通讯协议采用 基于 J1939 的 CAN2.0 协议。整车控制器(HCU)、 发动机控制器(ECU)、电机控制器(DMCM)、电池 管理系统(BMS)、变速箱控制器(ATU)、自动断路轴图 2 动力总成电控系统结构示意图图 3 整车控制器结构
8、串口故障诊断模块、快关量/模拟量通信模块、2.1HCU 硬件设计利用模块化 设计电路思 想，设计了 基 于PIC18F66K80 的混合动力客车整车控制器。控制 器的硬件部分如图 3 所示，主要包括微处理器、CAN 总线监控模块、保护电路模块及调试模块电源模块。微处理 器选 用了 Microchip 公司开 发的 刹车踏板智能仪表盘（IP）整车控制器（HCU）油门踏板自动断路器保 护器（ADM）电池管理系统（BMS）电机控制器（DMCM）发动机控制器 (ECU)离合器控制器（CCU）变速箱控制器（ATU)驱动发电/电动一 体化机发动机自动变速箱动力电池组/ 超级电容组逆变器88机电技术2012
9、 年 2 月PIC18F66K80，它拥有多达11 通道的 12-bit 的力。串口通信模块用于对控制器系统的故障诊断。调试模块主要用于对控制程序进行实时地调试和 修改。电源模块经过二级滤波设计，可保证控制 器在车载系统供电正常情况下可靠工作，并附带 短路保护功能。A/D， 54 个 I/O 接口，1 个满足 CAN2.0 协议的CAN 总线模块，工作速度高达 64MHz，运算速 度快，内部资源与接口丰富，比较适合实现控制 器复杂的控制策略和算法，并且其内部集成的 CAN 总线模块具有良好的抗干扰及总线保护能表 2 HCU 及各子系统间的通信信号控制单元输出信息输入信息整车控制单元(HCU)电
10、机所要提供的转矩、转速电机的正反转命令 再生制动指令 跳闸保护信号等 电机的转速、转矩、温度电枢的电流、电压、报警信号等 曲轴转速和转矩 发动机的水温、油压等 电压、温度、充放电电流、SOC 值等 离合器结合状态信息 挡位状态、油压、温度等 断路器的工作状态需要给驾驶员显示的信息电池状态、电机状态、踏板信号等模拟量车速信号、点火开关、倒挡信号等开关量电机控制单元(DMCM)HCU 给电机的输入状态和指令发动机控制器(ECU)油门信号、转速锁定信号等电池管理系统(BMS)离合器控制器(CCU) 变速箱控制器(ATU) 自动断路器保护器(ADM)智能仪表盘(IP)电池状态信息HCU 给离合器的控制
11、指令 HCU 给变速箱的控制指令 HCU 给断路器的跳闸指令接收总线上的部分信息HCU 如整车控制系统的大脑，通过接受各种传感器的输入信号，经过信号处理后作为控制芯 片的设计输入，最后，通过控制策略的计算，输 出相关控制信号到执行器件。因此，系统实质上 为一个多输入多输出的离散采样控制系统。表 2 列出了 HCU 及各子系统间的通信信号。为了避免 数字电路与模拟电路、高速电路和低速电路之间 的相互影响，增强整车控制器的抗干扰能力，可 在 PCB 设计上将各模拟信号、开关信号转换电 路和高速 CAN 通信电路进行有效的区域隔离， 模拟地和数字地之间进行分区覆铜。2.2 HCU 软件设计HCU 的
12、系统的软件设计主要是在 MPLAB 集 成开发环境上进行的，运用调试工具 PICKIT2 下 载器实现软件调试、在线编程(ICSP)及硬件在环 仿真调试等功能，可以大大提高编程效率，缩短 研发周期。HCU 的软件系统结构按功能分为两个部分： 控制策略实施和硬件驱动与相关信号处理。前者 负责整车各动力部件的能量分配的管理实施，后HCU前后台模式程序流程图图 4 HCU 软件流程图是前 台后 台开始钥匙On是 发动机启动钥匙ON 否结束故障信息报警转矩校核CAN定时发送转矩分配CAN接受中断需求转矩计算AD定时中断AD采样循环否启动发动机是否初始化第 1 期余捷：并联同轴型混合动力客车整车控制器的
13、方案设计89者负责完成处理器对表 2 中通信信息的处理，实现整车的控制目标。因此，主程序可采用如图 4 所示的前后台程序结构。前台程序主要是：对各 硬件进行初始化(包括看门狗、CAN 模块、AD 模 块、中断优先级设置等)。前台程序在循环运行中， 不断检测相关的后台程序部分是否进行中断请 求，这些请求主要有：AD 信号采集的定时中断； CAN 总线上的接受或发送中断； 故障信息采集 并报警等。通过前后台程序的无限循环式交互工 作，HCU 可较好地实现对整车的行驶控制要求。由于混合动力客车在不同路况下，对动力系 统的扭矩输出和功率分配有不同的要求。比如在 低速或爬坡时，需要动力系统提供大扭矩；而
14、在 高速时，只需提供较低的扭矩，发动机的输出功率可部分回馈给动力电池组。因此，这样，在利用前后台程序的建立软件系统结构中，HCU 主要 的核心处理在于实时地进行整车行车时转矩需求 的精确计算和估计，最后通过 CAN 总线定时发出 指令，实现整车动力系统的协调工作。3结论1) 在介绍并联同轴型混合动力客车的结构 基础上，对其工作原理和可实现的工作模式进行 了分析；2) 本文利用模块化设计电路思想，设计了基 于 PIC18F66K80 的整车控制器的实现方案。然而， 该设计方案的实现和附加功能扩展，还需要经过 进一步的试验和研究。参考文献：1 陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动车技术M.北京:北京理工大学出版社,2002.2 张博彦.辅助混合动力电动汽车的技术研究()辅助动力控制系统J.北京工业大学学报,2006,32(6):547-551.3 罗禹贡,杨殿阁,金达锋,等.轻度混合动力电动汽车多能源动力总成控制器的开发J.机械工程学报,2006,42(7):98-102. 4 刘金玲,宋健.并联混合动力客车控制策略比较J.公路交通科技,2005,22(1):144-146.
