1 前言
采用傳統(tǒng)內(nèi)燃機和電池作為動力系統(tǒng)的混合動力轎車以其低能耗、低排放和價格相對較低等優(yōu)點，已成為當(dāng)前汽車動力系統(tǒng)技術(shù)研究的熱點。國外在混合動力電動汽車的開發(fā)方面已經(jīng)取得重大進(jìn)展，如豐田公司的Prius和本田公司的Insight等車型實現(xiàn)了產(chǎn)品化生產(chǎn)。國內(nèi)在“十五”期間對混合動力系統(tǒng)的開發(fā)十分重視，隨著科技部863電動汽車專項研究的開展，國內(nèi)混合動力電動汽車的研發(fā)已取得了很大的進(jìn)展?；旌蟿恿I車的多能源控制系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，需要協(xié)調(diào)處理作為動力源的發(fā)動機與電池電機系統(tǒng)之間的關(guān)系，同時還要根據(jù)需要與變速控制系統(tǒng)通信，提供換擋控制所需的信號等，眾多的傳感器信號增加了多能源控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。
2 HEV動力總成結(jié)構(gòu)
目前混合動力轎車較多采用并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)。根據(jù)發(fā)動機和電機動力耦合方式的不同，并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)又可以分為變速器前耦合、變速器后耦合以及四輪驅(qū)動的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)等幾種方式。作者采用變速器前耦合方式，將電機安裝在變速器的輸人軸上，同時采用一個離合器連接發(fā)動機的曲軸。這種類型的并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)通過分離離合器可以實現(xiàn)純電動運行工況，由于需要離合器的分離與接合控制的自動化，一般采用AMT或CVT等自動變速機構(gòu)。圖中ISG是兼具啟動和發(fā)電功能的ISG電機，可以實現(xiàn)串行工況，從而演變成混聯(lián)式的混合動力結(jié)構(gòu)，但主要的驅(qū)動模式還是并聯(lián)驅(qū)動。
3 動力總成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略
多能源動力總成控制系統(tǒng)是一種典型的分布式控制系統(tǒng)。混合動力轎車的動力系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)都有各自的控制系統(tǒng)，所有這些控制系統(tǒng)通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而構(gòu)成了一個車用分布式控制系統(tǒng)。其中動力總成控制器是其他所有子系統(tǒng)控制器的主控制器，其主要作用是進(jìn)行混合動力轎車動總成的能量管理和動力輸出切換過程的協(xié)調(diào)控制。
動力總成控制系統(tǒng)采用基于狀態(tài)的控制策略，根據(jù)能量管理策略和數(shù)據(jù)采集結(jié)果，判斷進(jìn)人如下哪種狀態(tài)：發(fā)動機驅(qū)動、停車充電、電動驅(qū)動、并聯(lián)混合驅(qū)動、串聯(lián)驅(qū)動、制動能量回饋和故障處理等。在發(fā)動機和電機兩個動力源的配合下，動力源的輸出轉(zhuǎn)矩可在大范圍內(nèi)迅速平滑切換，滿足車用動力源的要求，同時通過能量管理策略和制動能量回饋策略提高能量利用效率，改善整車的燃油經(jīng)濟性。
能量管理策略采用改進(jìn)的基線式控制策略。I區(qū)為原動機轉(zhuǎn)速低于1 200r/min的工況區(qū)域，采用純電動驅(qū)動，當(dāng)SOC值過低時，采用串聯(lián)驅(qū)動；Ⅱ區(qū)為內(nèi)燃機燃油消耗率大于402g/kW·h的工況區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，純電動驅(qū)動的折算燃油經(jīng)濟性高于純內(nèi)燃機驅(qū)動的燃油經(jīng)濟性；Ⅲ區(qū)與Ⅳ區(qū)的分界線源自車輛4擋行駛阻力折算到動力源的阻力轉(zhuǎn)矩曲線。車輛中高速行駛時，需求轉(zhuǎn)矩點一般在Ⅳ區(qū)。為了使發(fā)動機盡量工作在高效區(qū)，在Ⅱ區(qū)的發(fā)電功率設(shè)為12kW，Ⅲ區(qū)的發(fā)電功率設(shè)為6－12kW，W區(qū)的發(fā)電功率設(shè)為6kW，這樣所得到的行車發(fā)電工況的發(fā)動機最低工作線如圖3中虛線所示。影響各區(qū)域內(nèi)動力總成運行狀態(tài)的最主要因素為蓄電池SOC值，改進(jìn)的基線式控制策略運行規(guī)則。
制動能量回饋區(qū)域為—Ⅰ區(qū)?；仞伖β实拇笮∪Q于制動踏板行程和車速。低速時制動轉(zhuǎn)矩較大，但回饋功率較小；中高速制動時，隨著回饋功率的上升，制動轉(zhuǎn)矩逐漸減小。為了保護(hù)電池少對能量回饋功率進(jìn)行了適當(dāng)?shù)南拗啤?/SPAN>
4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
動力總成控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計需要考慮控制功能與使用環(huán)境的復(fù)雜性。主要包括以下幾個模塊。
(2)電源管理模塊將 12V蓄電池電源轉(zhuǎn)換為 5V和 3.3V，為MCU和各電路模塊提供工作電源。
(3) SCI串行通信模塊符合RS232通信標(biāo)準(zhǔn)，提供備用的軟件調(diào)試、數(shù)據(jù)標(biāo)定的通信接口。
(4) 2路CAN通信模塊符合CAN2. OA和CAN2. 0B通信協(xié)議，提供HCU與各ECU間的CAN通信接口以及用于CCP標(biāo)定系統(tǒng)；與其他子系統(tǒng)之間采用CAN總線通信，可有效減少控制系統(tǒng)組成的復(fù)雜性，提高可靠性。
(5)信號調(diào)理電路模塊包含模擬量輸人信號調(diào)理電路（AI模塊）、數(shù)字量輸入信號隔離與調(diào)理電路（DI模塊）、脈沖輸入信號調(diào)理電路（PI模塊）和數(shù)字量輸出信號隔離與驅(qū)動模塊（DO模塊）等。
5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
采用μC/OS- Ⅱ嵌入式實時操作系統(tǒng)作為軟件平臺，將動力總成控制系統(tǒng)的各控制功能模塊編寫為不同的任務(wù)。運行流程見圖5，應(yīng)用程序的人口為main（），然后是硬件和操作系統(tǒng)的初始化。在TaskStart任務(wù)中啟動時鐘節(jié)拍，調(diào)用OSStatInit（）初始化統(tǒng)計任務(wù)，創(chuàng)建需要用到的其他任務(wù)，并自動允許異常和中斷，OS開始正常運轉(zhuǎn)，根據(jù)控制功能的需要進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，響應(yīng)中斷。
根據(jù)基于狀態(tài)的控制策略，建立如表2的各項控制任務(wù)。在各項任務(wù)中，狀態(tài)切換控制及狀態(tài)處理任務(wù)根據(jù)基于狀態(tài)的控制策略來實現(xiàn)。變速器控制、電機控制和發(fā)動機控制任務(wù)等是動力總成控制系統(tǒng)對其他子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，實際的控制參數(shù)通過CAN通信發(fā)送任務(wù)向各子系統(tǒng)發(fā)送，同時也通過CAN通信接收任務(wù)獲取各系統(tǒng)的信息，從而實現(xiàn)整個動力系統(tǒng)的分布式控制。
6 硬件在環(huán)測試
硬件在環(huán)仿真技術(shù)用dSPACE模擬器替代全部或者部分被控對象模型，由實際控制單元在半實物環(huán)境中進(jìn)行功能測試，可加快對HCU性能和功能驗證的過程。硬件在環(huán)仿真測試系統(tǒng)如圖6所示。
硬件在環(huán)測試的內(nèi)容主要包括：信號測試、控制功能邏輯驗證測試和仿真條件下的控制策略調(diào)試。圖7是一次加速性硬件在環(huán)測試結(jié)果曲線，測試結(jié)果表明：設(shè)計的HCU硬件系統(tǒng)能夠正常工作，具有良好的響應(yīng)特性，可以完成目標(biāo)控制功能并實現(xiàn)目標(biāo)控制策略。
7 實車試驗
實車試驗是在實車道路行駛中對動力總成控制系統(tǒng)的各項控制功能進(jìn)行全面的試驗，包括停車起步、電機單獨驅(qū)動行駛、發(fā)動機單獨驅(qū)動行駛、并聯(lián)混合驅(qū)動行駛、停車充電、串聯(lián)工況、行車充電和制動能量回收等等。通過實車試驗，對硬件電路、軟件體系和控制策略進(jìn)行全面的考核驗證。
圖8是工況切換試驗。從圖中可以看出，最初由于蓄電池SOC值偏低，車輛處于停車充電工況，由發(fā)動機給蓄電池充電，發(fā)動機處于2OOOr/min恒轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)；然后采用純電動起步進(jìn)入串聯(lián)工況，即發(fā)動機對蓄電池充電，離合器處于分離狀態(tài)，由電機驅(qū)動車輛1擋起步行駛；隨著車速提高，從串聯(lián)工況切換到行車充電工況，即發(fā)動機提供驅(qū)動力的同時也對蓄電池進(jìn)行充電，此時發(fā)動機的工作點由加速踏板位置和能量分配策略來決定。
圖9是制動能量回饋試驗。從圖中可以看出，加速踏板松開以后一段時間踩下制動踏板，大約在5s左右開始進(jìn)行制動能量回饋，隨著制動踏板行程的增大，電機制動轉(zhuǎn)矩也逐漸增加。在一定時間段以后分離離合器，電機轉(zhuǎn)速和車速隨著制動轉(zhuǎn)矩的作用逐漸下降，而發(fā)動機則進(jìn)行停機控制。
圖10是0～100km/h加速實車試驗結(jié)果。從圖中可以看出，車輛以1擋純電動起步，離合器處于分離狀態(tài)，電機處于恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)域，電機轉(zhuǎn)速超過1 OOOr/min以后，發(fā)動機起動進(jìn)人高怠速工況；升到2擋后，離合器接合，進(jìn)人并聯(lián)混合驅(qū)動行駛，電機轉(zhuǎn)速超過基速點進(jìn)人恒功率工作區(qū)域；繼續(xù)升入3擋后車速達(dá)到100km/h。圖中還可以看出換擋過程中進(jìn)行了發(fā)動機與電機的協(xié)調(diào)控制。整個加速過程中，車輛的行駛狀態(tài)進(jìn)行了多次切換控制，切換時間和切換效果都很好，對其他子系統(tǒng)的控制效果也比較好。
動力總成控制的實車試驗結(jié)果表明，動力總成控制系統(tǒng)的各項控制功能和良好的控制品質(zhì)，能夠滿足混合動力電動汽車的使用要求。
8 結(jié)束語
作者研發(fā)的動力總成控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)集成度高，可靠性好，能夠滿足車載復(fù)雜環(huán)境的需要；軟件體系采用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)為開發(fā)平臺，分布式控制思想，提高了系統(tǒng)的可用性、可靠性和可擴展性；通過基于狀態(tài)的動力切換控制方法，對混合動力所需的多種復(fù)雜工況進(jìn)行切換控制，切換過程平穩(wěn)，能夠滿足車用要求。
動力總成控制系統(tǒng)的開發(fā)不僅滿足文中混合動力電動汽車的需要，對其他車載控制系統(tǒng)也具有一定的借鑒意義。
