混合電動汽車能量流仿真系統(tǒng)

對于混合電動汽車，在實際運行中，為了實現(xiàn)電動機與發(fā)動機之間的快速切換，要求系統(tǒng)有較短的響應時間；為了保證汽車運行的穩(wěn)定性，要求系統(tǒng)具有精確的電流定位；同時，為了保證系統(tǒng)控制的可靠與準確，對系統(tǒng)采樣精度與控制速度的要求也較高。研究混合電動汽車的能量流控制策略，關鍵在于研究電池與電動機和發(fā)動機之間的關系。

在實際工作中，混合電動汽車工作環(huán)境復雜、各種干擾因素的影響較大，給研究其能量流狀態(tài)帶來了較大的困難。能否在實驗室對動力電池的工作性能進行模擬與仿真呢？這樣，不僅可以節(jié)省大量的人力物力，而且對于混合電動汽車的設計和總成有很好的參照作用。

本文將介紹的混合電動汽車能量流仿真系統(tǒng)就是針對上述要求而設計的，該系統(tǒng)可仿真混合電動汽車的實際工作環(huán)境，為研究混合電動汽車控制策略提供了一個靈活、簡便、高效的平臺。

系統(tǒng)特點

整個系統(tǒng)采用組合式平臺搭建，根據(jù)仿真工作的要求，按照工作電流的大小組合使用對應的仿真模塊來構(gòu)成整個系統(tǒng)的能量控制部分。采用這種結(jié)構(gòu)設計可以大大減小整個系統(tǒng)的體積與功耗。

系統(tǒng)中集成了CAN2.0B和RS-232C接口，可以與汽車內(nèi)的各種控制儀表進行通信與數(shù)據(jù)交換，與汽車總控系統(tǒng)的標準通信接口兼容，能夠方便的移植到實際的混合電動汽車系統(tǒng)中。同時，可以直接與計算機通信，由計算機來控制系統(tǒng)的運行，便于實現(xiàn)監(jiān)控與仿真。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

混合電動汽車能量流仿真系統(tǒng)主要由充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在充電系統(tǒng)中，采用高效率的脈寬調(diào)制方式（PWM），同時采用反饋穩(wěn)定控制系統(tǒng)，使得充電過程快速穩(wěn)定。

在放電系統(tǒng)中，采用節(jié)能型的能量回饋方式，將電能返回電網(wǎng)或者仍然回到充電系統(tǒng)，達到節(jié)能降耗的目的。

在控制系統(tǒng)中，采用高速嵌入式微處理器，具有抗干擾能力強、響應速度快、控制方式靈活的特點。

1 充電系統(tǒng)

首先將電網(wǎng)電壓進行整流，經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制，再經(jīng)過隔離變壓器變換，然后進行整流穩(wěn)壓，即可得到所需的工作電壓。為了保證充電過程的快速穩(wěn)定，將電壓、電流采樣值引入穩(wěn)定控制系統(tǒng)，使得充電過程快速穩(wěn)定。充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 放電系統(tǒng)

電池的放電系統(tǒng)采用能量回饋方式。首先將動力電池的電能進行變換，送入中間緩沖器，然后通過逆變方式將電能變換為三相交流，這部分能量既可以用于返回電網(wǎng)，又可以將它再次送入充電系統(tǒng)，實現(xiàn)電能的重復利用，同時可有效減少電流波動對電網(wǎng)的影響。放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用基于高速嵌入式微處理器的控制系統(tǒng)。高速處理器能夠保證快速完成動力電池的充放電任務，并且通過數(shù)字濾波算法使系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力。高精度的A/D、D/A控制單元使得充放電過程動態(tài)穩(wěn)定，滿足控制要求。轉(zhuǎn)換狀態(tài)用中斷方式通知CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，保證系統(tǒng)的快速響應。監(jiān)控計算機通過接口函數(shù)就可以控制系統(tǒng)的運行，并且可以采集實時參數(shù)進行數(shù)據(jù)的分析、處理與監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

選用Microchip公司的PIC18F6720為主控制器，該MCU片內(nèi)集成多通道的10位精度的采樣轉(zhuǎn)換器，可以方便的采集電池的電壓、充電電流、放電電流和電池溫度等多種信號；內(nèi)置兩個串行通信接口，可以與上位機進行異步通信；SPI接口可以用來擴展內(nèi)部總線；PWM輸出可以對回路電流進行調(diào)節(jié)等?？刂葡到y(tǒng)電路如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)電路

4 人機交互

通過LCD顯示器可以直觀的顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和電池工作情況，具有良好的人機交互界面。在控制系統(tǒng)中設置了短路與過熱保護，故障報警指示，最大限度達到系統(tǒng)的安全可靠，保護系統(tǒng)與動力電池的安全。圖6為LCD顯示的示意圖。

（a）工作狀態(tài)

（b）測試狀態(tài)

圖6 LCD顯示示意圖

通信系統(tǒng)

系統(tǒng)內(nèi)建了兩種通信總線：CAN2.0B和RS-232C。

1 CAN總線通信

CAN總線是專為解決現(xiàn)代汽車中各種控制器、執(zhí)行機構(gòu)、監(jiān)測儀器和傳感器之間的數(shù)據(jù)通信而開發(fā)的總線式串行通信技術(shù)。但CAN只包括了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在汽車工程師協(xié)會SAE推薦的標準SAE J1939進一步規(guī)范了汽車內(nèi)部網(wǎng)絡的標準。

J1939采用CAN2.0B的擴展幀格式。進一步定義了CAN數(shù)據(jù)幀仲裁域中的標識位。29位ID的格式如表1所示。

一個協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）包括7個預定的域。它們是優(yōu)先級、保留位、數(shù)據(jù)頁、PDU格式、PDU細節(jié)、源地址和數(shù)據(jù)域。CAN數(shù)據(jù)幀中的SOF、SRR、IDE和RTR部分控制域，CRC、ACK和EOF沒有包括在PDU。

數(shù)據(jù)域為0～8字節(jié)的數(shù)據(jù)。當需要使用9～1785字節(jié)來表達某個參數(shù)組時，數(shù)據(jù)通信將由多個CAN數(shù)據(jù)幀完成。

2 RS-232C通信

RS-232C用來與監(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)與控制命令通信，根據(jù)監(jiān)控計算機的控制指令來執(zhí)行相應的動作，同時將系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)傳遞到監(jiān)控計算機系統(tǒng)。

監(jiān)控計算機使用查詢方式與仿真系統(tǒng)通信。數(shù)據(jù)格式分為數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)體及校驗碼三部分。數(shù)據(jù)頭用于判斷該條信息的類別，以便接收到數(shù)據(jù)信息后做出對應的處理；數(shù)據(jù)體存放真正要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息；校驗碼采用奇偶檢驗碼來對整條數(shù)據(jù)進行校驗。在系統(tǒng)中統(tǒng)一采用“@”作為傳輸數(shù)據(jù)的開始，“：”作為傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)束，如表2所示。

對于命令信息只有信息頭和校驗碼，對于數(shù)據(jù)信息則還包括了數(shù)據(jù)體部分。在上下位機通信期間，數(shù)據(jù)發(fā)送方會在相同的時間間隔內(nèi)重復發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，直到收到對方的應答信息；若在一定時間間隔內(nèi)仍未收到應答信息，則表示出現(xiàn)通信故障，數(shù)據(jù)發(fā)送失敗。接收方收到數(shù)據(jù)后，會根據(jù)數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾及校驗碼判斷數(shù)據(jù)是否完整、正確。若是則回復表示成功接收的應答信息，否則等待發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送。

如果一條數(shù)據(jù)分成多次發(fā)送的時候，采用的是發(fā)送—應答模式，即每當收到應答信息后才發(fā)送下一條數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)性能指標

混合電動汽車能量流仿真系統(tǒng)為研究混合電動汽車提供了一個硬件平臺，適用于鉛酸、鎳氫、鋰離子等大功率動力電池系統(tǒng)。系統(tǒng)實時顯示電池的充、放電狀態(tài)，發(fā)動機工作狀態(tài)、能量流動狀態(tài)等重要參數(shù)。

系統(tǒng)的性能參數(shù)如表3所示。

結(jié)論

本系統(tǒng)最大限度地降低了混合電動汽車的前期研發(fā)投入，較好的解決了通常軟件仿真中建模復雜、準確性低、難以實用的問題。根據(jù)仿真系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以驗證控制效果，來調(diào)整混合電動汽車的控制策略與控制參數(shù)，從而為混合動力汽車的設計、性能預測和分析提供了一種有效的手段。