長(zhǎng)安混合動(dòng)力汽車核心控制器的開(kāi)發(fā)

1．前言

汽車以其便利性極大地改變了人們的生活。隨著生活水平的提高、汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步以及汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車的擁有量急劇增加。由此產(chǎn)生的能源消耗、環(huán)境惡化等問(wèn)題與當(dāng)今世界節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的大潮流相矛盾。如何在汽車工業(yè)的發(fā)展和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展中尋求平衡就成為了當(dāng)今汽車行業(yè)面臨的一大課題。混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)車就是在這種形勢(shì)下慢慢發(fā)展起來(lái)并壯大的。

整車控制器(HCU)作為整個(gè)混合動(dòng)力系統(tǒng)的主控制器，承擔(dān)了整個(gè)系統(tǒng)的能量分配、扭矩管理、錯(cuò)誤診斷等功能。而動(dòng)力電池作為混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)車的主要部件之一，它的管理與控制也是混合動(dòng)力汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)特別關(guān)鍵技術(shù)。

2．整車控制器的開(kāi)發(fā)

2.1整車控制器(HCU)開(kāi)發(fā)模式

長(zhǎng)安混合動(dòng)力整車控制器(HCU)的開(kāi)發(fā)采用V型開(kāi)發(fā)模式。主要可以分為如下幾個(gè)階段：

2.1.1．功能開(kāi)發(fā)階段功能

開(kāi)發(fā)階段主要是用來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在該階段利用matlabsimulink建立簡(jiǎn)單的控制策略模型，結(jié)合整車模型、發(fā)動(dòng)機(jī)模型、電機(jī)系統(tǒng)模型、電池系統(tǒng)模型．對(duì)整車的油耗、動(dòng)力性進(jìn)行仿真。如果在該階段的仿真油耗、動(dòng)力性沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就必須修改系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，在油耗、動(dòng)力性等達(dá)到目標(biāo)后，就進(jìn)入快速原型階段。

2.1.2．快速原型階段

快速原型階段的主要工作就是功能驗(yàn)證。長(zhǎng)安在開(kāi)發(fā)過(guò)程中選擇Dspace公司的MicroAutobox作為HCU的硬件載體，利用RTI工具包在功能開(kāi)發(fā)與建立的控制策略模型的基礎(chǔ)上加上適當(dāng)?shù)妮斎胼敵鼋涌?，然后通過(guò)Matlab自帶的real-time workshop將該模型轉(zhuǎn)換為C語(yǔ)言并且下載到MicroAutobox中。然后在HILI臺(tái)架上做測(cè)試，在邏輯測(cè)試完成后，就將Autobox安裝到車上，進(jìn)行功能測(cè)試。

從快速原型階段中期開(kāi)始，我們便開(kāi)始了硬件電路設(shè)計(jì)、實(shí)用軟件設(shè)計(jì)等。

2.1.3 自動(dòng)代碼生成

該階段中，首先要做的是將快速原型階段的控制策略加上targetlink接口等，然后利用targetlink將模型轉(zhuǎn)換為能夠在目標(biāo)處理器上運(yùn)行的c語(yǔ)言代碼。

2.1.4 硬件在環(huán)仿真

硬件在環(huán)仿真(hardware in loop)階段主要是利用dspace公司提供的硬件在環(huán)平臺(tái)進(jìn)行半實(shí)物仿真，用以驗(yàn)證HCU軟件的邏輯功能等。

2.1.5 實(shí)車驗(yàn)證階段

在該階段，將通過(guò)HIL測(cè)試的軟件下載到HCU硬件中，然后再對(duì)HCU軟件的功能進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，軟件功能測(cè)試完成后，就進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配等。

2.2 HCU硬件電路設(shè)計(jì)

HCU硬件電路板選擇的是一款成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品，主控芯片為MC9S12XDP512。HCU硬件主要包含以下功能：

數(shù)字信號(hào)輸入輸出處理單元：主要用于處理數(shù)字信號(hào)的輸入輸出。

模擬信號(hào)輸入處理單元：主要用來(lái)處理整車中相關(guān)的溫度信號(hào)。

頻率信號(hào)輸入輸出處理單元：用來(lái)處理安全碰撞信號(hào)以及電池等相關(guān)部件散熱風(fēng)扇的控制。

CAN通信輸入輸出處理單元：主要用于處理整車各控制器之間的通信。

2.3 HCU軟件設(shè)計(jì)

HCU軟件中，采用了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)管理各項(xiàng)任務(wù)。該實(shí)時(shí)系統(tǒng)屬于一個(gè)非搶占時(shí)系統(tǒng)，各任務(wù)定時(shí)執(zhí)行。

HCU軟件分為上層軟件、底層軟件、接口軟件三個(gè)部分。其中上層軟件由MATLAB＼SIMULINK建立的模型轉(zhuǎn)換而來(lái)，所有的控制策略全部由上層軟件實(shí)現(xiàn)。底層軟件主要用于信號(hào)的接收、發(fā)送、診斷，標(biāo)定協(xié)議功能也由底層軟件實(shí)現(xiàn)。接口層軟件的主要功能為信號(hào)的處理，對(duì)EEPROM、FLASH等的讀寫(xiě)以及故障存儲(chǔ)等。底層軟件與接口層軟件之間的數(shù)據(jù)交換主要是依靠旗語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.4 HCU主要功能

2.4.1 扭矩分配

該功能的主要作用是根據(jù)駕駛意圖分配整車中各動(dòng)力部件的扭矩以及管理動(dòng)力電池的剩余電量(SOC)。

2.4.2 故障檢測(cè)

該功能的主要作用是根據(jù)整車各部件通過(guò)CAN通信通報(bào)給HCU的以及HCU自身判斷的故障來(lái)判斷車輛所處的故障等級(jí)。

2.4.3下線檢測(cè)

該功能主要用于車輛下線過(guò)程中的自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)整車中各混合動(dòng)力系統(tǒng)相關(guān)部件進(jìn)行詳細(xì)的檢查，確保下線車輛的質(zhì)量。

2.4.4 上下電流程處理

該功能的主要作用是協(xié)調(diào)各混合動(dòng)力相關(guān)部件的上電與下點(diǎn)流程，包括電機(jī)管理系統(tǒng)(IPU)、電池管理系統(tǒng)(BCU)等部件的供電，預(yù)充電繼電器、主繼電器的吸合和斷開(kāi)時(shí)間等。

3．電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路分9個(gè)模塊：MCU模塊、電源模塊、電流傳感器模塊、電壓傳感器模塊、CAN收發(fā)模塊、R232收發(fā)模塊、繼電器模塊、HANDSHAKE模塊、絕緣檢測(cè)模塊。(如圖1所示)

3.2電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)的軟件部分由8個(gè)任務(wù)組成，包括系統(tǒng)的初始化、采集處理任務(wù)、CAN發(fā)送任務(wù)、SOC的計(jì)算、溫度和電壓數(shù)據(jù)處理、功率估算、電池狀態(tài)監(jiān)控功能和串口發(fā)送。除初始化任務(wù)外，每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行周期為10ms，其中，采集處理任務(wù)是最基本的任務(wù)，其優(yōu)先權(quán)最高。系統(tǒng)采用定時(shí)器中斷觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)了任務(wù)執(zhí)行的周期性。

定時(shí)器產(chǎn)生的中斷有下溢中斷和周期中斷兩種。周期中斷被用來(lái)觸發(fā)任務(wù)的執(zhí)行，中斷周期為10ms。在下溢中斷的服務(wù)程序中，包含有電壓采集通道的選擇和查詢方式的CAN接收過(guò)程，中斷周期為10ms。除了定時(shí)器中斷外，軟件中還設(shè)置了串口接收中斷，用來(lái)接收上位機(jī)發(fā)送的信息。

在軟件實(shí)現(xiàn)的任務(wù)中，初始化任務(wù)主要是對(duì)DSP中各個(gè)模塊的寄存器參數(shù)進(jìn)行配置，包括時(shí)鐘倍頻設(shè)置、定時(shí)器設(shè)置、CAN通信各個(gè)參數(shù)設(shè)置以及串口通信設(shè)置等。采集處理任務(wù)是對(duì)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理，包括對(duì)電壓、電流和溫度采樣結(jié)果的處理。CAN發(fā)送任務(wù)是向整車報(bào)告電池的狀態(tài)信息，根據(jù)整車要求，各信息幀的發(fā)送周期不同。溫度和電壓數(shù)據(jù)處理任務(wù)中，根據(jù)采集值查表，計(jì)算其對(duì)應(yīng)溫度，并計(jì)算出模塊電壓的最大、最小值。SOC計(jì)算和電池組充放電功率的計(jì)算構(gòu)成對(duì)電池能量狀態(tài)的估算。串口發(fā)送任務(wù)則是向上位機(jī)的顯示界面發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)電池信息的實(shí)時(shí)顯示。電池狀態(tài)監(jiān)控功能包含有故障診斷和繼電器的控制功能。

4．結(jié)論

混合動(dòng)力在國(guó)內(nèi)屬于新興技術(shù)，而長(zhǎng)安的目標(biāo)是自主掌握關(guān)鍵核心技術(shù)并具有獨(dú)立開(kāi)發(fā)能力。其中，很多技術(shù)都是從頭開(kāi)始，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有先例，還要建立一套逐漸完善的開(kāi)發(fā)流程。但是長(zhǎng)安選擇了迎難而上，充分利用與整合國(guó)內(nèi)外優(yōu)勢(shì)資源，組建了一支優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，對(duì)核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。最終，長(zhǎng)安取得了實(shí)質(zhì)性的成果，成功研發(fā)出了國(guó)內(nèi)具有先進(jìn)水平的混合動(dòng)力汽車。