CAN總線混合動力驕車電控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
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并聯(lián)式混合動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡介
并聯(lián)式混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。發(fā)動機通過機械傳動裝置與驅(qū)動橋連接，電動機通過動力復(fù)合裝置也與驅(qū)動橋相連，汽車可由發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動或各自單獨驅(qū)動。并聯(lián)式混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)形式更像是附加了一個電動機驅(qū)動系統(tǒng)的普通內(nèi)燃機汽車.電動機起“調(diào)峰”作用:當(dāng)汽車運行工況所需的功率超過了發(fā)動機的功率時，電動機從電池取得電能產(chǎn)生電磁力矩，并向驅(qū)動橋提供額外的驅(qū)動功率.有的并聯(lián)式混合動力電動汽車也有發(fā)電機，但其主要作用是向電池充電，以保持電池的荷電狀態(tài)(SOC)。
圖1 并聯(lián)式混合驅(qū)動系統(tǒng)簡圖
電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
電控系統(tǒng)以國際業(yè)界先進的CAN總線作為通信媒介，以智能化的多能源管理單元為控制核心，以五個功能相對獨立的智能化節(jié)點(前艙傳感器單元、室內(nèi)傳感器單元、電機驅(qū)動單元、電池管理單元及顯示單元)為輔助節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。多能源通過CAN總線獲得系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)信息，并根據(jù)此狀態(tài)信息產(chǎn)生控制命令，亦通過總線將命令發(fā)送到發(fā)動機控制單元、電機驅(qū)動器使兩種動力相互配合，以發(fā)揮混合動力汽車節(jié)能和環(huán)保的目的。各單元(或稱節(jié)點)在本設(shè)計中的統(tǒng)一編號：N1為多能源控制單元；N2為電機驅(qū)動器單元；N3為前艙傳感器單元；N4為室內(nèi)傳感器單元；N5為電池管理單元；N6為顯示單元。
圖2 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1
1)多能源管理單元
是整個系統(tǒng)的指揮中心，它由性能較高的微處理器為核心，配合大容量的程序和數(shù)據(jù)存存器及總線接口構(gòu)成，由此它能對從總線上傳來的系統(tǒng)信息進行迅速處理，大容量的數(shù)據(jù)存儲器中存放了系統(tǒng)運行最佳狀態(tài)參數(shù)，這樣處理器就能及時并精確按控制策略對電機和發(fā)動機兩種動力進行最佳配合。當(dāng)電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，它會及時對故障進行處理，保證系統(tǒng)的安全運行。
2)發(fā)動機控制單元
由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、D/A轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量接口及總線接口構(gòu)成。它的功能是通過總線接收多能源管理單元發(fā)出的對發(fā)動機的命令，進行判斷處理后通過模擬量輸出及開關(guān)量輸出對發(fā)動機進行控制，其中主要包括對發(fā)動機的空然比、點火系統(tǒng)等在各種工況下的控制。另外，本單元還會將執(zhí)行情況及其當(dāng)前狀況(正常狀態(tài)還是故障狀態(tài))及時通過總線想多能源進行報告。
3)電機驅(qū)動控制單元
由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、D/A轉(zhuǎn)換、開關(guān)量接口及電機調(diào)速控制幾部分構(gòu)成。它的功能是通過總線接收多能源的對電機的控制命令并及時執(zhí)行，它主要控制電機的發(fā)電與電動狀態(tài)的切換、電機的轉(zhuǎn)速及輸出力矩的控制，通過總線向多能源管理單元報告電機的狀態(tài)如轉(zhuǎn)速、充電電流、放電電流及故障等狀態(tài)，當(dāng)電機出現(xiàn)故障時能進行自處理以保證車輛的安全運行。
4)數(shù)據(jù)采集單元
由處理器、微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、開關(guān)量接口、A/D轉(zhuǎn)換、頻率變換及總線接口構(gòu)成。其功能是準(zhǔn)確且及時檢測車輛系統(tǒng)的各參數(shù)如:發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開度、剎車、水溫、真空度、擋位、空調(diào)狀態(tài)、鑰匙狀態(tài)、離合器狀態(tài)等，并通過總線傳送給多能源管理單元，多能源管理單元以此作為決策依據(jù).另外，此數(shù)據(jù)也作為顯示單元進行顯示的依據(jù)，因此，此單元是整個系統(tǒng)的眼睛。
5)電池管理單元
本混合動力車采用鋰電池組，此電池組由40個電池串聯(lián)而成，每個電池正常工作電壓為3.6V，為保證系統(tǒng)的安全及電池的可靠工作，對每個電池都配備一以功能較簡單微處理器為核心的控制器，每個控制器對其所管理的電池的電壓、容量、溫度參數(shù)進行檢測并通過485總線通知電池管理單元，同時控制器也對所管理的電池的充電及放電電流進行控制，防止電池過充和過放，以保證系統(tǒng)的安全.電池管理單元由較高級的微處理器和必要的外圍電路構(gòu)成，本單元通過RS485總線與各電池的控制器進行通信，收集各電池的當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)(電壓、容量、溫度)，并將這些信息進行處理后通過CAN總線通知多能源管理單元，同時也會將電池組的SOC傳送到顯示單元進行顯示。
6)顯示單元
顯示單元的構(gòu)成與其他單元大同小異，它的功能是接收CAN總線上的信息，對必要的信息如車速、發(fā)動機 轉(zhuǎn)速、里程、電池容量、充電電流、放電電流、水溫、油量及系統(tǒng)故障代碼進行顯示，在顯示方式上，采用無可動部件的高精度數(shù)字顯示，增加了顯示信息量并提高了可靠性，同時為了滿足司機習(xí)慣于看指針式模擬儀表的要求，也采用類似指針運動的發(fā)光二極管模擬舊式表的顯示。
硬件設(shè)計
從N3、N4、N6三節(jié)點的功能要求來看，若按功能對硬件進行分別設(shè)計可各取所需，減小節(jié)點體積和重量，但是，這樣不便于系統(tǒng)功能的擴展，也限制了節(jié)點的可靠性和互換性，故采取三節(jié)點硬件統(tǒng)一設(shè)計的方案，即三節(jié)點的硬件完全一樣，各節(jié)點的硬件可互換，每個硬件包括所有三節(jié)點所需要的硬件功能，另外，由于現(xiàn)代電子技術(shù)的進步，統(tǒng)一設(shè)計和分別設(shè)計的硬件之間的體積和重量的差別很小，對系統(tǒng)性能的影響可以說是微乎其微，更重要的是這樣的設(shè)計為后續(xù)進一步改進所需的系統(tǒng)擴展和冗余式可靠性設(shè)計奠定了硬件基礎(chǔ)。
硬件系統(tǒng)(圖3)以微處理器CPU為核心以及必要的外圍電路構(gòu)成.其中CPU為高性中央處理單元，具有豐富的功能和高速的處理能力，可快速進行大量的數(shù)學(xué)和邏輯運算，完全能滿足本電控系統(tǒng)的設(shè)計要求.程序存儲器中存放著實現(xiàn)各節(jié)點功能的軟件用以控制各節(jié)點的功能實現(xiàn)。數(shù)據(jù)儲存器電路用于系統(tǒng)內(nèi)存擴展，復(fù)雜的程序控制和運算需要大量的中間變量和緩沖區(qū)，內(nèi)存的擴展解決了這一問題.D/A轉(zhuǎn)換電路用于將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模擬信號輸出，主要應(yīng)用于輸出控制和信號的遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換電路用于對系統(tǒng)的模擬量進行采集，即將被采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，所設(shè)計的轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換速度可達(dá)5微秒/路，分辨率為1/4096，每個節(jié)點可同時進行8路A/D轉(zhuǎn)換，完全可滿足任務(wù)書的技術(shù)要求.開關(guān)量輸出接口用于輸出節(jié)點的位控制命令，具有靈活的輸出控制，可直接或間接滿足各種功率輸出的控制要求，在本系統(tǒng)中的主要位控制信號有發(fā)動機的供油、空調(diào)、大小電機啟動選擇等信號。
開關(guān)量輸入電路用于采集系統(tǒng)的開關(guān)量，如:鑰匙開關(guān)信息、離合器狀態(tài)信息及空調(diào)狀態(tài)信息等信號.顯示接口電路用于將被顯示信號實時傳送到顯示器，顯示器采用數(shù)字化高亮度的LED顯示，提高了顯示的精度，同時又保留了原有儀表的模式，以便使用者有一個過渡的過程，不致產(chǎn)生不習(xí)慣的感覺.頻率變換電路用于將系統(tǒng)的速度信號(發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一制式的脈沖信號以便微處理器進行識別和測速。CAN總線電路由總線控制器和收發(fā)控制電路構(gòu)成，它負(fù)責(zé)接收和發(fā)送總線信息，使各節(jié)點通過總線相連接，使電控系統(tǒng)成為靈活的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。
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