1、 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/2009年 (第 31卷 )第 7期汽 车 工 程Automotive Engineering 2009 (Vol131) No172009123ISG混 合 动 力 汽 车 整 车 控 制 器 的 设 计 33 江 苏 省 工 业 高 技 术 研 究 项 目 (BG2004016)资 助 。原 稿 收 到 日 期 为 2008年 11月 4日 ,修 改 稿 收 到 日 期 为 2008年 12月 26日 。袁 银
2、南 1 ,王 忠 1 ,钱 恒 荣 2 ,黄 成 海 2(1. 江 苏 大 学 汽 车 与 交 通 工 程 学 院 ,镇 江 212013; 2. 一 汽 解 放 汽 车 公 司 无 锡 柴 油 机 分 公 司 ,无 锡 214026)摘 要 根 据 ISG用 于 带 增 压 柴 油 机 的 混 合 动 力 汽 车 的 特 点 ,设 计 了 基 于 CAN总 线 的 ISG混 合 动 力 汽 车 的 整车 控 制 器 ,包 括 硬 件 的 模 块 化 设 计 、 CAN总 线 的 应 用 设 计 及 针 对 废 气 涡 轮 增 压 柴 油 机 的 ISG混 合 动 力 汽 车 控 制 策 略设
3、 计 ,并 且 详 细 介 绍 了 其 硬 件 设 计 方 法 以 及 部 分 主 要 模 块 和 算 法 的 程 序 流 程 图 。 实 验 结 果 表 明 ,该 控 制 器 功 能 强大 、 性 能 可 靠 ,能 准 确 实 现 带 增 压 柴 油 机 的 ISG混 合 动 力 汽 车 的 整 车 控 制 策 略 。关 键 词 :混 合 动 力 电 动 汽 车 ;集 成 式 起 动 机 /发 电 机 ;控 制 策 略Design of Vehicle Control Unit for ISG Hybrid Electric VehicleY uan Y innan1 , W ang Zho
4、ng1 , Q ian Hengrong2 2. W uxi D iesel Engine W orks, FAW J iefang Autom otive Com pany, L td. , W uxi 214026 Abstract Based on the features of integrated starter/generator ( ISG) when used in hybrid electric vehicles(HEV ) with turbocharged diesel engine, a CAN bus2based vehicle control unit for IS
5、G HEV is designed, coveringthe modularized design of hardware, the app lication design of CAN bus and the design of control strategy of ISGHEV , specifically aimed for exhaust2turbocharged diesel engine, with hardware design method and the p rogram flowchart of some key modules and algorithm s p res
6、ented in detail. The test results show that the control unit has powerfulfunction and reliable performance and can accurately achieve the vehicle control strategy for ISG HEV with turbo2charged diesel engine.Keywords: HEV; ISG; con trol stra tegy前 言混 合 动 力 汽 车 在 节 能 减 排 方 面 体 现 出 巨 大 的 优势 ,已 成 为 当 前
7、 的 研 究 热 点 。 为 了 降 低 混 合 动 力 汽车 的 制 造 成 本 和 整 车 质 量 ,采 用 小 功 率 电 动 机 的 轻度 混 合 动 力 汽 车 的 研 制 开 发 引 起 了 广 泛 关 注 1 - 2 。其 中 ,制 造 成 本 最 低 ,最 容 易 实 现 批 量 生 产 的 是 采 用集 成 式 起 动 机 /发 电 机 技 术 的 ISG型 轻 度 混 合 动 力汽 车 3 。 ISG型 混 合 动 力 汽 车 中 ,电 动 机 取 代 发 动机 原 有 飞 轮 ,直 接 与 发 动 机 曲 轴 相 连 ,通 过 ISG实 现汽 车 发 动 机 怠 速 停
8、机 、 功 率 补 偿 、 制 动 能 量 回 收 以 及主 动 减 振 功 能 4 ,具 有 对 原 车 技 术 继 承 性 好 、 实 施 方便 、 适 用 范 围 广 等 特 点 。 而 随 着 目 前 车 用 发 动 机 柴油 化 的 趋 势 ,废 气 涡 轮 增 压 技 术 已 成 为 目 前 车 用 柴油 机 采 用 的 主 要 技 术 之 一 ,废 气 涡 轮 增 压 柴 油 机 只有 在 高 速 或 中 高 速 时 才 能 输 出 比 普 通 发 动 机 较 高 的转 矩 。 废 气 涡 轮 增 压 柴 油 机 处 于 加 速 工 况 时 ,由 于废 气 涡 轮 增 压 器 叶
9、 轮 的 惯 性 使 得 空 气 进 气 有 着 明 显的 滞 后 性 ,因 此 为 了 保 证 加 速 过 程 中 烟 度 满 足 法 规要 求 ,加 速 过 程 中 就 必 须 相 应 地 对 发 动 机 进 油 量 进行 限 制 ,这 样 就 使 得 加 速 转 矩 不 足 ,进 而 造 成 加 速 无力 的 后 果 ,采 用 ISG不 仅 可 以 替 代 原 来 的 起 动 机 和发 电 机 ,同 时 在 低 速 时 提 供 辅 助 功 率 5 ,以 及 减 轻 曲轴 的 振 动 1 ,回 收 制 动 能 量 。 这 样 不 仅 弥 补 了 废 气涡 轮 增 压 发 动 机 低 速 时
10、 输 出 转 矩 不 足 的 缺 陷 ,同 时 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 602 汽 车 工 程 2009年 (第 31卷 )第 7期降 低 加 速 烟 度 ,改 善 汽 车 的 加 速 特 性 。 文 中 的 ISG采 用 了 外 环 式 高 效 永 磁 电 机 ,定 子 组 体 安 装 在 飞 轮壳 内 气 缸 体 端 面 处 ,由 16块 永 磁 体 组 成 的 转 子 组 体安 装 在 发 动 机 飞 轮 端 面 处 ,发 动 机 飞
11、 轮 作 为 转 子 铁芯 。 ISG在 增 压 柴 油 机 上 的 改 装 结 构 实 物 图 见 图 1。图 1 ISG用 在 废 气 涡 轮 增 压 发 动 机 的 改 装 实 物 图ISG型 混 合 动 力 汽 车 的 整 车 控 制 器 是 根 据 驾 驶员 的 操 作 、 加 速 踏 板 位 置 、 车 速 和 发 动 机 转 速 、 水 温等 参 数 ,按 照 一 定 的 规 则 即 控 制 策 略 ,使 发 动 机 和 电动 机 输 出 相 应 的 转 矩 (或 功 率 ) , 以 满 足 驱 动 轮 驱 动力 矩 的 要 求 ,以 及 实 现 柴 油 机 、 电 机 、 蓄
12、电 池 和 传 动系 统 的 优 化 匹 配 。1 ISG控 制 系 统 总 体 设 计ISG混 合 动 力 汽 车 整 车 控 制 系 统 采 用 分 层 分 布式 控 制 方 案 ,第 1层 为 整 车 控 制 器 (HCU ) ;第 2层 为各 子 系 统 的 控 制 器 ,其 中 包 括 发 动 机 控 制 器 、 电 机 控制 器 和 电 池 控 制 器 、 动 力 转 向 、 智 能 仪 表 、 ABS、 直 流电 源 隔 离 模 块 DC /DC,诊 断 节 点 , 标 定 节 点 等 各 子系 统 的 控 制 器 。 HCU根 据 实 时 测 量 的 驾 驶 员 操 控信 息
13、、 车 辆 行 驶 信 息 以 及 各 子 系 统 实 时 反 馈 的 信 息 ,通 过 计 算 和 逻 辑 推 理 向 各 子 系 统 控 制 器 发 送 控 制 指令 ,并 由 各 子 系 统 控 制 器 控 制 各 子 系 统 的 运 行 ,从 而实 现 HCU对 整 车 的 控 制 。ISG控 制 系 统 的 功 能 : ( 1) 实 时 而 准 确 可 靠 地测 取 驾 驶 员 操 控 信 息 ,如 加 速 踏 板 信 号 、 离 合 器 踏 板信 号 、 制 动 踏 板 信 号 、 挡 位 信 号 、 空 调 等 各 种 开 关 信号 以 及 车 辆 行 驶 信 息 ,如 车 速
14、信 号 等 ,以 获 得 汽 车 的运 行 工 况 ; (2) 与 第 2层 控 制 器 的 信 息 实 时 通 信 与交 互 控 制 ,文 中 采 用 CAN总 线 通 信 方 式 ; (3) 标 定监 测 功 能 采 用 基 于 CAN总 线 通 信 的 标 定 监 测 系 统和 在 线 故 障 诊 断 功 能 。 根 据 上 述 功 能 ,确 定 输 入 ISG控 制 器 的 信 号 主 要 包 括 启 动 开 关 、 油 门 位 置 及 其 变化 率 、 车 速 信 号 、 发 动 机 转 速 信 号 、 冷 却 水 温 信 号 、 制动 信 号 , ISG控 制 器 通 过 启 动
15、开 关 、 油 门 位 置 、 制 动信 号 与 车 速 信 号 来 判 断 驾 驶 员 的 操 作 意 图 以 及 当 前汽 车 的 运 行 工 况 。 通 过 发 动 机 的 转 速 、 油 门 位 置 、 水温 来 确 定 当 前 发 动 机 的 最 优 工 作 状 态 ,由 当 前 汽 车的 运 行 工 况 和 发 动 机 的 最 优 工 作 状 态 来 确 定 电 机 所处 的 工 作 模 式 。2 ISG控 制 系 统 硬 件 设 计控 制 系 统 硬 件 电 路 主 要 包 括 电 源 电 路 、 时 钟 电路 、 复 位 电 路 、 A /D接 口 电 路 、 转 速 采 集
16、电 路 、 开 关 量输 入 整 车 控 制 器 。 由 整 车 控 制 器 按 照 给 定 的 控 制 策略 与 算 法 程 序 协 调 电 机 和 发 动 机 的 工 作 ,输 出 整 车需 要 的 开 关 状 态 与 PWM调 制 波 。 ISG整 车 控 制 系统 ECU硬 件 总 体 结 构 示 意 图 见 图 2。图 2 硬 件 电 路 结 构 图车 速 信 号 由 霍 尔 式 转 速 传 感 器 将 转 速 信 号 通 过上 拉 、 硬 件 整 形 ,转 换 为 电 压 脉 冲 信 号 ,经 硬 件 电 路滤 波 、 整 形 后 送 到 MCU的 中 断 引 脚 ,MCU通 过
17、计 算转 过 相 邻 两 齿 之 间 的 时 间 算 出 转 速 。由 温 度 传 感 器 将 冷 却 水 温 度 信 号 转 换 为 电 压 信号 ,经 硬 件 电 路 滤 波 、 钳 位 后 送 到 MCU 的 A /D 引脚 ,作 为 判 断 发 动 机 工 作 状 态 的 辅 助 信 号 。油 门 位 置 信 号 由 位 置 传 感 器 测 得 ,经 滤 波 后 ,为增 加 驱 动 能 力 用 电 压 跟 随 器 送 到 MCU;在 位 置 信 号后 加 微 分 电 路 使 其 输 出 位 置 微 分 信 号 ,即 油 门 位 置的 变 化 速 度 ,来 判 断 驾 驶 员 是 否 急
18、 加 速 或 急 减 速 ,油门 位 置 电 路 以 及 油 门 位 置 微 分 电 路 见 图 3。发 动 机 转 速 信 号 由 电 磁 式 转 速 传 感 器 输 出 后 ,经 R6和 C18滤 波 ,经 稳 压 二 级 管 钳 位 后 ,再 由 R37、R18、 R31、 R39和 3个 三 级 管 以 及 比 较 器 整 形 成 脉 冲信 号 ,输 入 MCU的 外 部 中 断 引 脚 。 发 动 机 转 速 测 量电 路 见 图 4。发 动 机 的 启 动 信 号 与 制 动 信 号 等 开 关 量 经 滤 波与 钳 位 后 直 接 送 到 MCU的 并 行 口 ,电 路 见 图
19、5。 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/2009 (Vol131) No17 袁 银 南 ,等 : ISG混 合 动 力 汽 车 整 车 控 制 器 的 设 计 603 图 3 油 门 位 置 电 路图 4 发 动 机 转 速 测 量 电 路图 5 开 关 量 的 输 入 电 路系 统 CAN 总 线 电 路 采 用 PCA82C250,为 CAN总 线 收 发 器 。 为 匹 配 总 线 阻 抗 ,总 线 的 两 端 分 别 接有 2个 120 电
20、阻 。 物 理 总 线 选 用 了 屏 蔽 双 绞 线 。电 路 原 理 图 见 图 6。3 控 制 策 略传 统 ISG混 合 动 力 汽 车 常 采 用 转 矩 分 离 式 控 制策 略 6 - 7 ,它 用 于 汽 油 机 混 合 动 力 汽 车 时 ,因 汽 油 机转 速 较 高 ,电 机 与 之 匹 配 时 低 速 效 率 较 低 ,使 得 控 制策 略 采 用 低 速 或 1挡 时 不 助 力 ,而 文 中 的 ISG电 机使 用 在 废 气 涡 轮 增 压 柴 油 机 上 ,转 速 较 低 ,同 时 因 废气 涡 轮 增 压 器 只 有 在 高 速 或 中 高 速 时 才 能 有
21、 效 增 加发 动 机 的 进 气 压 力 ,因 而 只 保 证 了 其 高 速 或 中 高 速时 的 性 能 ,低 速 时 输 出 转 矩 较 低 ,即 不 能 同 时 兼 顾 高低 速 时 的 性 能 。 文 中 电 机 通 过 结 构 改 进 使 得 电 机 的低 速 效 率 明 显 改 善 ,同 时 电 机 的 高 效 率 区 覆 盖 了 柴油 机 的 转 速 范 围 ,所 以 文 中 的 控 制 策 略 将 弥 补 发 动机 低 速 输 出 转 矩 不 足 和 加 速 烟 度 较 高 的 缺 陷 。 ISG混 合 动 力 汽 车 的 控 制 策 略 见 图 7。图 6 CAN总 线
22、硬 件 电 路 图 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 604 汽 车 工 程 2009年 (第 31卷 )第 7期图 7 ISG混 合 动 力 汽 车 的 控 制 策 略ISG混 合 动 力 汽 车 控 制 策 略 根 据 车 速 和 从 离 合器 传 递 过 来 的 转 矩 需 求 ,计 算 出 ISG电 机 应 该 输 出的 辅 助 转 矩 ,剩 余 的 转 矩 则 由 发 动 机 提 供 。 ISG按照 以 下 准 则 输 出 转 矩 : (1
23、) 汽 车 加 速 时 ,根 据 所 需 转矩 和 加 速 度 值 , ISG辅 助 发 动 机 工 作 ; (2) 当 汽 车 减速 制 动 时 , ISG工 作 在 发 电 机 状 态 ,回 收 一 部 分 制 动能 量 ; (3) 当 汽 车 行 驶 速 度 低 于 一 设 定 值 时 ,制 动 过程 不 再 回 收 能 量 ; (4) 汽 车 行 驶 在 1挡 和 低 速 、 油 门位 置 大 于 设 定 值 时 , ISG辅 助 发 动 机 工 作 。文 中 ISG混 合 动 力 汽 车 没 有 纯 电 动 工 况 ,在 大多 数 情 况 下 发 动 机 都 工 作 。 只 当 同
24、时 满 足 以 下 几 个条 件 时 ,发 动 机 才 关 闭 : ( 1) 蓄 电 池 SOC值 小 于 设定 的 最 低 SOC 值 ; ( 2)汽 车 处 于 减 速 或 驻 车 工 况 ;(3)汽 车 速 度 低 于 一 个 设 定 值 ; (4)驾 驶 员 没 有 进 行换 挡 操 作 ; (5)发 动 机 的 冷 却 系 统 温 度 大 于 设 定 值 。根 据 驾 驶 员 选 择 的 汽 车 运 行 模 式 ,如 经 济 模 式 、动 力 模 式 等 , MCU自 动 改 变 系 统 输 入 参 数 ,例 如 增大 电 动 机 提 供 辅 助 转 矩 的 最 大 与 最 小 值
25、等 ,来 适 应不 同 的 模 式 。4 程 序 设 计控 制 程 序 采 用 面 向 驾 驶 员 的 思 路 ,通 过 驾 驶 员所 做 的 动 作 来 判 断 当 前 驾 驶 员 的 操 作 意 图 ,根 据 汽车 运 行 状 态 判 断 汽 车 的 工 况 ,来 查 表 选 择 发 动 机 、 发电 机 /起 动 机 所 处 的 模 式 ,再 根 据 控 制 策 略 计 算 电 机与 发 动 机 的 目 标 转 矩 。 主 程 序 框 图 如 图 8所 示 。5 实 验 验 证文 中 控 制 器 采 用 V型 模 式 设 计 流 程 和 模 块 化 设计 方 法 ,实 验 首 先 搭 建
26、 控 制 器 样 机 硬 件 平 台 ,为 便 于通 过 实 时 硬 件 系 统 中 运 行 被 控 对 象 的 模 型 ,对 控 制器 产 品 样 机 进 行 测 试 ,缩 短 测 试 周 期 和 费 用 ,设 计 了图 8 主 程 序 框 图控 制 对 象 的 硬 件 在 环 回 路 仿 真 系 统 。 硬 件 在 环 实 验图 9 硬 件 在 环 实 验 原 理 图原 理 见 图 9。 CAN总 线 通 信 8 实 验 按 照 J1939的 协议 格 式 定 义 通 信 协 议 。 波 特 率 设 置 为 250k bit/ s,采用 扩 展 帧 格 式 发 送 数 据 。 各 个 数
27、据 帧 标 识 符 见 表 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/2009 (Vol131) No17 袁 银 南 ,等 : ISG混 合 动 力 汽 车 整 车 控 制 器 的 设 计 605 1。 CAN总 线 部 分 实 验 结 果 见 表 2。表 1 各 个 数 据 帧 标 识 符数 据 帧 扩 展 帧 标 识 符 (识 别 码 )28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9
28、8 7 6 5 4 3 2 1 0 RTR整 车 发 送 给 电 机 的 数 据 帧 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 000H 20H 18H 10H电 机 对 整 车 的 检 查 应 答 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0C0G 18H 10H 18H电 池 对 整 车 的 检 查 应 答 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0
29、 0C0H 18H 10H 08H整 车 检 查 电 池 请 示 帧 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0C0H 08H 08H 10H整 车 检 查 电 机 请 求 帧 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0C0H 08H 18H 10H整 车 请 求 电 池 数 据 帧 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 060H 10H 08
30、H 10H电 池 发 送 给 整 车 的 数 据 帧 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 060H 18H 10H 08H表 2 CAN总 线 部 分 实 验 结 果汽 车 工 况 启 动 开 关 制 动 开 关 发 动 机 转 速 /r m in - 1油 门 位 置 /%车 速 /km h - 1SOC /%整 车 控 制 器发 送 的 数 据电 机 控 制 器接 收 的 数 据 电 机 工 况起 步 闭 合 断 开 0 0 0 80 03H 0FFH 03H 0FFH 启 动起 步 闭 合 断 开 2
31、00 0 0 70 03H 0FFH 03H 0FFH 启 动爬 坡 断 开 断 开 1400 80 21 50 01H 55H 01H 55H 助 力爬 坡 断 开 断 开 1500 90 22 40 01H 4CH 01H 4CH 助 力加 速 断 开 断 开 1500 60 60 50 01H 4CH 01H 4CH 助 力加 速 断 开 断 开 1600 70 50 40 01H 41H 01H 41H 助 力按 图 7描 述 的 控 制 策 略 ,在 JB /T9773. 2 1999 柴 油 机 冷 启 动 性 能 试 验 方 法 要 求 条 件 下 ,发 动 机均 可 以 启 动
32、 ,且 在 0 时 ,可 以 满 足 快 速 启 动 功 能 与发 电 功 能 。 表 用 ISG的 废 气 涡 轮 增 压 发 动 机 的 外 特性 见 图 10。 该 控 制 策 略 可 以 弥 补 发 动 机 低 速 输 出转 矩 不 足 和 加 速 烟 度 较 高 的 缺 陷 ,以 及 利 用 发 电 机吸 收 制 动 能 量 。 实 验 证 明 了 控 制 器 的 硬 件 和 底 层 驱动 的 设 计 符 合 既 定 的 设 计 要 求 ,能 够 准 确 及 时 地 采集 输 入 信 号 和 输 出 控 制 信 号 ,可 以 完 成 设 定 的 控 制策 略 ,具 有 良 好 的 可
33、 靠 性 。图 10 ISG用 于 废 气 涡 轮 增 压 发 动 机 的 外特 性 转 矩 曲 线 与 原 机 对 比 图6 结 论文 中 ISG混 合 动 力 汽 车 整 车 控 制 系 统 的 硬 件 设计 中 兼 顾 功 能 和 可 靠 性 ,采 用 模 块 化 设 计 方 法 降 低了 成 本 、 缩 短 了 研 发 周 期 ,有 利 于 硬 件 设 计 的 标 准化 、 系 列 化 ,为 混 合 动 力 系 统 的 开 发 打 下 了 基 础 。 该控 制 系 统 的 控 制 策 略 设 计 在 本 田 insight混 合 动 力 汽车 的 转 矩 分 离 控 制 策 略 的 基
34、 础 上 进 行 改 进 ,适 应 了ISG在 增 压 发 动 机 上 的 应 用 ,实 验 证 明 该 改 进 的 策略 可 以 满 足 系 统 的 设 计 需 要 ,整 车 控 制 器 的 硬 件 和底 层 驱 动 的 设 计 符 合 既 定 的 设 计 要 求 ,能 够 准 确 实时 地 采 集 输 入 信 号 和 输 出 控 制 信 号 , 可 以 完 成 设 定的 控 制 策 略 ,具 有 良 好 的 可 靠 性 。 为 增 加 控 制 系 统的 可 扩 展 性 和 可 移 植 性 ,内 核 可 采 用 基 于 OSEK/VDX协 议 的 实 时 操 作 系 统 ,使 控 制 器 功
35、 能 更 强 大 。(下 转 第 633页 ) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/2009 (Vol131) No17 李 强 ,等 :主 动 前 轮 转 向 控 制 技 术 研 究 现 状 与 展 望 633 图 11 AFS +VTD控 制 框 图向 发 展 ,保 证 并 提 高 了 车 辆 的 整 体 性 能 。(3)为 进 一 步 提 高 车 辆 的 综 合 性 能 ,还 可 在 前述 的 两 个 子 系 统 进 行 集 成 控 制 的 基 础
36、 上 ,继 续 引 入主 动 抗 侧 倾 控 制 等 电 子 底 盘 控 制 系 统 ,形 成 多 个 子系 统 集 成 控 制 ,实 现 真 正 的 汽 车 底 盘 一 体 化 控 制 。参 考 文 献 1 赵 树 恩 ,李 以 农 ,郑 玲 ,等 . 基 于 滑 模 控 制 理 论 的 车 辆 横 向 稳 定性 控 制 J . 重 庆 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) , 2007, 30 (8) : 1 - 5. 2 Koehn Philip, Eckrich M ichael. Active Steering2the BMW Ap2p roach TowardsModen St
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