（电力电子与电力传动专业论文）嵌入式系统在电动汽车中的应用研究.pdf

a bs t r a c t a sm ec i r c 硼n s t a i l c eo fe n e r g y s o u r c e sa n de n t i r o n m e n tp r o t e c t e di sv e r yo u s t e r e m ee x p l o r a t i o no fe l e c t r i c v e h i c l ei sv e r yi m p o r t a n t f o rt h ed i s a d v a n t a g e o f t r a d i t i o n a lv e l l i d e ，e l e c t r i cv e h i c l eh a sb e e nt h o u g h tt ob et h et o po f2 1t hc e n t u r y h i 曲t e c hw h i c h w o u l db r o u g h tm o r ec h a n g e s t oh u m a nl i f ef o ri t sp 0 1 l u t i o n 1 j r e e ，z 啪 e m i s s i o i l s ，t l i g l le f f i c i e n c y t h ev e h i c l ec o n t r o l l e ri s ai m p o r t a n tp a r to ff u e lc e l l e l e c t r i cv e _ h i c l ec o n t r o ls y s t e m i td i r e c t l yi m p a c t o nt h es a f e t ya n d d r i v e p e 南彻a n c eo ft h ev e _ m d e t h ev e h i c l ec o n t r o ls y s t e m i sd e v e l o p e dw i t ht h e d e v d o p m 础 o fe l e c t r o n i ct e c h n i q u ea n di n t e l l i g e n t c o n t r o lt h e o r y r e c e n t l y ， e n l b e d d e ds y s t e mb e c o m em o r ep o p u l a r a n db r i n gu san e ws o l u t i o n ln e n o n - o p e r a t i n gc o n t r o ls y s t e mc o u l d n tm e e tt h eh i g hr e l i a b i l i t ya n dl l i g l l r e a l t l m e r e q u i r e i i l 咄t h e r ei sg r e a tr e a l i s t i cs i g n i f i c a n c et od e v e l o pv e h i c l ec o n t r o l l e rw l t h h i 咖p e 雨肿a n c em i c r o p r o c e s s o r s i n f i n e o nx c l6 4 c s a n di n 仃o d u c 缸o no t e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi - t c o s i i i i lt h i sp a p e r ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p i n gt r e n do fv e h i c l ec o n t r o l s v s t e mi sr e s e a r c h e d a n dai n t e l l i g e n tv e h i c l ec o n t r o lt e c h n i q u e i sr e s e a r c h e d a n da i n t e l l i g e n tv 出c l ec o n t r o lw i t hr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d - t h ek e r n e l s t l l j 咖r eo f “c o s i ii ss t u d i e d a n dt h ei _ t c o s i i i ss u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n ti n t ot h e x c16 4 c si i l i c r o c o r l t r o l l e r b a s e do nt h e s e ，t h e d r i v ec o n t r o ls o f f w a r ea n dp e w e r m a n a g e m e n ts o 胁a r ei sd e s i g n e d a f t e ra n a l y s i so ft h ev e h i c l ec o n t r o lt e c h n i q u e ，af u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e c o n t r o i s v s t 锄i sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y a n df u z z yl o g i cc o n t r o l m e t h o di si n t r o d u c e qm t h e c o n 昀ls 仃a t e g y b a s e do nr e a l t i m ek e r n e l l t c o s - i i ，t h e s o f t w a r ei sm o d u l 盯，t h e r e l i a b i l i t ya n ds o l , r a r ep o r t a b i l i t y i si m p r o v e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，r e a lt i m e 。p e r a t i n g s y s t e m ，v e h i c l ec 。n t r 0 1 1 c o n t r o ls t r a t e g y , e l e c t r i c a lv e h i c l e l i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：徐建传 。髟年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：徐建筛 2 。g 年弓月7 号 第1 章引言 1 1 概述 第1 章引言 汽车有“第一商品 的美誉，因为汽车工业的发展，可以带动众多产业的发 展。一辆汽车的零部件数以万计，附加值很高，可推动一系列产业发展。据美国 统计，天然橡胶的7 0 ，工业机器人的6 0 都用于汽车生产。一般估计，汽 车工业产值每增加一个单位，相关行业至少增加工业产值2 6 7 个单位。因此， 汽车工业也就成为了衡量一个国家工业化水平以及综合科技水平的重要标志。 然而，我国汽车工业比国际先进水平落后2 0 年左右，短时期内是不可能消 除差距的。而且，中国大规模发展燃油动力汽车势必在环境资源方面面临严重的 压力。所以，从中国的能源资源和环境条件的角度来看，也要求中国未来的汽车 工业必须探求新的思路。 专家指出，在电动汽车领域，我国和西方发达国家处在同一起跑线上，某些 方面还处于世界领先地位，这为我国汽车工业技术实现跨越发展提供了一次历史 性的机遇。更重要的是我国还有后发优势。有关分析认为，电动汽车之所以在西 方没有发展起来，表面原因是成本没有降到可以与燃油汽车相竞争的水平，但更 深层次的原因是传统汽车工业强大的惯性，因为生产电动汽车不仅仅是发动机的 更改，而且是设计、制造、材料、电气、控制和整个社会服务体系的全面的变革。 这就意味着以传统汽车工业为基础的国家，整个工业体系面临巨大调整，代价难 以承受。这实际上为我国提供了一个机会，我国汽车工业和西方相比，相当弱小， 没有结构调整的沉重的包袱，这便是可以充分利用的后发优势。 电池汽车具有极高的效率、零排放、低噪音，其甲醇或氢气燃料有广泛的来 源，并具有可再生等重大优势，己成为世界各人汽车集团新世纪激烈竞争的焦点， 被喻为二十一世纪改变人类生活的十大高科技之首，目前正处在产业化的途中。 因此开发电动汽车，在能源环保形式同益严峻的情况下倍受瞩目。 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，从消费电器到工业设备，从民用 产品到军用器材，嵌入式系统被应用到网络、手持通信设备、国防军事、消费电 子和自动化控制等各个领域。嵌入式系统的广泛应用前景和发展潜力使其成为2 l 世纪的应用热点之一。 嵌入式系统的软件开发日趋工程化，产品进入市场时间不断缩短，也迫使管 理人员寻找一种有利于程序继承性、标准化、多人并行开发的管理方式。从长远 的意义上来讲，r t o s 的推广能够带来嵌入式系统软件工业更有效、更专业化的 第l 章引言 分工，减少社会重复劳动、提高劳动生产率。 1 2 课题研究意义 我国汽车产业在迎来前所未有的发展机遇的同时，也面临着石油供应安全、 环境保护、全球气候变暖等诸多因素的考验。面对我国汽车产业发展的未来之路， “绿色制造”一将成为我国汽车产业的新选择。 燃料电池以其特有的燃料效率高、功率大、供电时间长、使用寿命长、可靠 性高、噪声低及不产生有害排放物等优点正在引起世界各国的注意。与内燃机汽 车相比，氢燃料电池电动汽车有害气体的排放量减少9 9 ，二氧化碳的生成量减 少7 5 ，电池能量转换效率约为内燃机效率的2 5 倍。这种电池将有可能成为继 内燃机之后的汽车最佳动力源之一。 随着嵌入式处理器能力的提高和应用程序功能的复杂化和精细化，迫使应用 程序必然需要划分为多个重要性不同的任务，在各任务间优化地分配c p u 时间 和系统资源，同时还要保证实时性。靠用户自己编写一个实现上述功能的内核一 般是不现实的，而这种需求又是相当普遍的。在这种形势之下，由专业人员编写 满足大多数用户需要的高性能实时操作系统( r t o s ) 内核，嵌入式系统成为一 种必然结果。 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复 杂、系统庞大的应用中显得越来越重要。 首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。长期以来，前后台系统软 件设计在遇到强干扰时，使运行的程序产生异常、出错、跑飞甚至死循环，造成 系统的崩溃。而实时操作系统管理的系统，这种干扰可能只是引起若干进程中的 一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控进程对其进行修复。通常情况下，这 个系统监视进程用来监视各进程运行状况，遇到异常情况时采取一些利于系统稳 定可靠的措施，例如把有问题的任务清除掉。 其次，提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下， 开发一个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解祸原则将整个程序分解 为多个任务模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。 1 3 整车控制器研究现状 1 3 1 整车控制器的技术现状与技术发展趋势 整车控制器的研究是燃料电池汽车开发过程中的一个重要环节。 2 第l 章引言 电动汽车整车控制系统是汽车正常行驶的核心装置，整车控制器是整车行驶 的关键部件，是整车发动机、燃料电池、蓄电池、d c d c 转换器等各部件协调 运作的控制核心。各部件控制芯片采集其控制部件的状态信息，整车控制器接受 各部件控制芯片传达的状态信息，经过分析，得出控制策略，控制下层部件作出 动作，驱动汽车正常行驶，并尽可能实现比较高的能量效率。所以说整车控制器 是整个汽车的核心控制部件，它的优劣直接影响着汽车的可靠性和其它性能。 对于以往的控制系统，一般为无操作系统的程序控制，如循环查询系统和前 后台系统。不复杂的小系统设计，一般为应用程序是一个无限的循环，循环中调 用相应的函数完成相应的操作，这部分可以看成后台行为。后台也可以叫做任务 级。前台也叫做中断级。中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为。 时间相关性很强的关键操作一定是靠中断服务来保证的。因为中断服务提供的信 息一直要等到后台程序运行到该处理这个信息时，才能得到处理。因此这种系统 在处理信息的及时性上，比实际上可以做到的要差。 众所周知，以往的程序控制较多是顺序执行，程序执行的顺序性使得请求得 到处理的实时性较差。因此程序的顺序执行限制了电子控制系统的实时性能。如 何使得控制任务的实时性能得到提高，是整车控制开发中面临的严峻问题。 其次，整车控制策略是整车控制开发中的重要任务。整车控制器由整车控制 和能量流管理2 个模块组成。整车控制器的主要作用是：1 ) 根据驾驶员操纵的 踏板信息实现车辆的运动控制：2 ) 根据负荷大小，以及燃料电池发动机和镍氢 电池包的状态，对能量流向及分配比例实施控制。如何优化设计整车控制策略是 整车控制器开发中面临的另一重要步骤和难题。 1 3 2 基于嵌入式系统的智能整车控制器的解决方案 电动汽车整车控制系统随着电子技术、智能控制技术的发展而发展，由于传 统的无实时操作系统、控制策略欠缺智能化等弊端，迫切需要引入新的控制方式 来改善整车控制系统的现状。而近年来嵌入式实时操作系统的普及，给我们提供 了新的解决思路，智能控制方法的发展也使得控制策略得到优化。因此在整车控 制器器的软件开发中，我们引入了嵌入式实时操作系统，旨在使得控制过程中各 类控制任务能够“独占”c p u ，及时得到c p u 的响应；同时在整车控制策略开 发时将扭矩偏差( 实际值与期望值之差) 及扭矩偏差变化率进行了模糊化处理， 制定了模糊控制策略表，以求达到更好控制效果。 在嵌入式多任务实时系统中。任务是指一个程序分段，这个分段被操作系统 当作一个基本单元来调度。每个任务都是一个无限的循环，而且在同一时刻只能 处于以下5 种状态之一。这5 种状态是休眠态、就绪态、运行态、等待态和被 中断态。多任务系统的执行过程实际上就是一系列任务在这5 种状态中循环流 第1 章引言 动、轮流被内核调度的过程。多任务运行使c p u 的利用率得到最大的发挥，并 使应用程序模块化。r t o s 本质上就是嵌人的实时内核，它负责管理各个任务， 或者说是为每个任务分配c p u 时间，并且负责任务之间的通信。 嵌入式实时内核具有很大的优越性，基于此我们设计了基于1 6 位嵌入式系 统的整车控制方案。选用了目前最流行的、源码公开、几乎免费的r t o s uc o s i i 。在该方案中，移植了嵌入式实时操作系统对整车控制任务进行协调 和管理。根据整车控制器的功能制定了相对独立的控制任务。 虽然中断具有强实时相应性，但是中断发生的时间往往不能确定，而且中断 需要执行多长时间，我们就应该分配给它多长时间，可能会影响整个程序的运行。 如果中断在非预期的时间段发生，可能会给系统带来危害。所以在此嵌入式整车 控制软件系统中，我们尽可能的减少了中断的使用，使得各个任务在实时内核的 管理下，运行的时间具有了确定性，从而提高了系统的可靠性和实时性。 采用实时操作系统uc o s i i 作为智能控制器的运行平台来设计丌发软件 系统。1 tc o s i i 系统的抢占式优先级调度方式，能很好地协调系统中所有任务 的运行和资源分配，提高了系统的实时性、稳定性和可靠性，而且便于代码维护 和功能扩展。本文给出了基于l ac o s i i 系统的嵌入式系统软件的实现方法， 重点介绍了uc o s i i 系统在x c l 6 4 c s 微处理器上的移植、系统任务的分配 和任务间调度及同步与通信。 1 4 嵌入式系统的发展 随着信息技术的发展和数字化产品的普及，从汽车电子到工业设备，从民用 产品到军用器材，嵌入式系统被应用到汽车工业、网络、手持通讯设备、国防军 事、消费电子和自动化控制等各个领域。嵌入式系统的广泛应用前景和发展潜力 使其成为2 1 世纪的应用热点之一。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心和以计算机技术为基础的， 并且软硬件可剪裁的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严 格要求的专用计算机系统，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、嵌入式外围硬件设备、嵌入式操作系统 以及用户的应用程序等四个部分组成。 1 4 1 嵌入式操作系统的发展 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶段。 ( 1 ) 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段。这一阶段是以单芯片为核心的 可编程控制器形式的系统，这种系统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系 4 第1 章引言 统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行 结束后清除内存。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处 理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、 价格很低，以前在国内工业领域应用较为普遍，但是己经远远不能适应高效的、 需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电等领域的需求。这一阶 段主要包括循环查询系统和前后台系统。 ( 2 ) 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、1 以专用操作系统为核心的嵌入式系 统。这个时期，实时应用较简单，实时性要求也不高。应用程序、实时监控程序 和硬件运行平台往往是紧密联系在一起的。这一阶段系统的主要特点是：c p u 种 类繁多，通用性比较差：系统开销小，效率高：一般配备系统仿真器，操作系统具 有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控 制系统负载以及监控应用程序运行。 ( 3 ) 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段。在各种专用r t o s 中， 一些多任务的机制如基于优先级的调度、实时时钟管理、任务间的通信、同步互 斥机构等基本上是相同的，不同的只是面向各自的硬件环境与应用目标。实际上， 相同的多任务机制是能够共享的，因而可以把这部分很好地组织起来，形成一个 通用的实时操作相同内核。 未来r t o s 的应用，从某种程度讲，不会出现1 个标准的r t o s ( 像微软的 w i n d o w s 在桌面系统中的地位一样) ，因为嵌入式应用本身就极具多样性。在某 个时间段以及某种行业，会出现1 种绝对领导地位的r t o s ，比如今天在宽带的 数据通信设备中的v x w o r k 和在亚洲手持设备市场上的w i n c e 就是一例子。 嵌入式操作系统uc o s 是美国人j e a n j l ab r o s s e 编写的一个源代码公开 的微内核r t o s ，而uc o s i i 是它的升级版本。l ac o s i i 的绝大部分源码采 用a n s ic 编写，代码可读性好，可移植性强，对处理器及资源要求亦不高。 1 tc o s i i 自1 9 9 2 年以来，己经有许多成功的商业应用，经过了实际应用 和时间的考验。另外，2 0 0 0 年7 月，pc o s i i 在一个航空项目中得到了美国联 邦航空管理局对商用飞机的、符合r t c ad o 1 7 8 b 标准。这一结论表明，该操 作系统的质量得到了认证，可以在任何应用中使用。 总之，嵌入式系统是信息产业走向二十一世纪知识经济时代的最重要的经济 增长点之一，这是一个不可垄断的工业，对中国的信息产业来说充满了机遇和挑 战。嵌入式工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件开发。 实时多任务操作系统( r t o s ) 进入嵌入式系统工业的意义，不亚于历史上 机械工业采用三视图后的发展，对嵌入式软件的标准化和加速知识创新是一个里 程碑。这两点应特别引起中国信息产业界的关注。 第l 章引言 1 4 2 嵌入式微处理器 在整车控制模块中，采用的嵌入式微控制器是英飞凌x c l 6 4 c s 系列微控 制器，x c l 6 4 c s 是英飞凌c 1 6 6 微控制器家族的新一代衍生产品。它基于增强 的c 1 6 6 sv 2 内核，并在性能上优于其它1 6 位微控制器。内部集成的d s p 功 能、扩展的中断处理能力、强大的片上外设以及结合高性能片上f l a s h ，使得 x c l 6 4 c s 成为汽车电子技术应用的理想选择。 c 1 6 6 sv 2 内核特性主要有以下一些特点：1 6 位高性能c p u ，带5 级指令 流水线；程序管理单元具有灵活的6 4 位接口，可连接到用于代码和数据的程序 f l a s h 和附加的s r a m 单元；数据管理单元，具有单周期1 6 位数据存储总线； 灵活的同步外部总线接口；具有可编程( 双c a n ) 地址范围的同步片上系统 ( l x b u x ) 接口；片上调试控制器和与j t a g 控制器相关的接口等等。 使用高性能微处理器进行系统开发具有以下优点：强大的片上集成功能使得 控制整车控制系统体积减小，成本降低，节省能源，可靠性提高，通用性强，灵 活性大。 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。 范围极其广阔，从最初的4 位处理器，目前仍在大规模应用的8 位单片机，到最新的 受到广泛青睐的3 2 位，6 4 位嵌入式c p u 。m p u 嵌入式微处理器是由通用计算机中 的c p u 演变而来的。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留 和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的 功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理 器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类 型有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等 1 5 主要研究内容 燃料电池电动汽车整车控制系统是整个f c e v 系统的控制核心，其主要研 究内容就是整个控制系统的硬软件设计与实现，本文旨在开发嵌入式的整车控制 软件系统，概括起来有以下几点： ( 1 ) 燃料电池电动汽车整车控制系统研究。分析燃料电池电动汽车整车控 制系统各部件的功能，讨论燃料电池电动汽车的特点，类型及整体结构等。重点 研究燃料电池电动汽车的基本结构及整车控制策略。 ( 2 ) 嵌入式实时操作系统研究。分析了嵌入式实时内核l ac o s i i 操作系 统内核结构、任务调度。 6 第l 章引言 ( 3 ) 详细介绍了uc o s i i 的移植步骤。在熟悉了操作系统和硬件系统的基 础上，进行了操作系统的移植。使用l ac o s i i 对应用程序进行调度，提高了系 统的可靠性，并使得应用软件开发变得更加便捷。 ( 3 ) 嵌入式燃料电池电动汽车整车控制策略软件开发，分析燃料电池电动 汽车整车控制原则和目标。通过对整车控制策略和能量管理控制策略进行分析研 究，使用模糊控制的方法，制定控制策略表，完成对整车的较好控制。 ( 4 ) 在x c l 6 4 c s 开发平台上，对整个软件进行了调试工作。调试工作是 整个工作中最为繁琐和花费时间的部分。通过调试，此软件系统取得了较好的控 制效果。 7 第2 章电动汽车整车控制器的功能及控制策略 第2 章电动汽车整车控制器的功能及控制策略 2 1 整车控制器功能简介 整车控制器e c u ( e l e c t r i c a lc o n t r o lu n i t ) 是整车控制系统的核心控制模块， 由整车控制模块和能量流管理模块2 个模块组成，并且是汽车各部件间进行通信 控制的中心站。整车操纵控制模块的主要作用是根据驾驶员的操纵信息，实现对 车辆的协调运动控制。整车控制系统是一个扭矩闭环控制系统。系统根据驾驶员 操纵“油门，即踏板信息来控制电机的电流，从而达到控制电机输出扭矩。当 输出扭矩大于负载扭矩时，车辆行驶速度增加，反之减小，相等时则保持匀速行 驶。驾驶员根据路况、车速表盘读数来调节“油门”以获得期望的车速，驾驶员 是整个闭环系统中一个极其重要的环节，整车控制模块则协助驾驶员实现驾驶意 图。能量流管理模块的主要作用是根据扭矩大小和两个电源当前的状态确定能量 流向及两个电源的分配比例，并实现配比控制。同时整车控制器需要完成各部件 的协调运行，对动力系统和辅助系统分别进行协调控制。 由于整车控制器的功能由整车控制系统的结构和控制需求决定，下面我们先 来了解整车控制系统，然后再来进一步讨论整车控制器的功能和控制策略。 2 2 燃料电池电动汽车整车控制系统 目前燃料电池汽车的整车控制系统的结构按照能量组合方式可分为串联式 和并联式；按照辅助能源的类别有燃料电池与蓄电池共同驱动型式、燃料电池+ 蓄电池+ 超级电容驱动型式。本文主要对燃料电池+ 蓄电池的燃料电池电动汽车的 整车控制器进行了研究。 f c + b 驱动型式的燃料电池电动汽车整车控制系统主要由整车控制器，燃料 电池发动机，镍氢电池包，驱动系统等部件组成。f c e v 的主电源是燃料电池发 动机，它由燃料电池本体和d c d c 变换器组成。整个系统各模块由光纤、电气 和机械连接成一个整体。就控制系统而言是一个基于c a n 总线的分布式系统， 信息传输介质为光纤，网络拓扑结构为星型网，其系统主体部分组成结构框图如 图2 1 所示。 ( 1 ) 燃料电池发动机 燃料电池( f u e lc e l l ) 是一种把燃料氧化的化学能直接转化为电能的“发电 装置”。燃料电池能够使用多种燃料，可以是石油燃料也可以是有机燃料，并可 第2 章电动汽车整车控制器的功能及控制策略 使用包括再生燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。燃料电池能量转换不受卡 诺循环的规律控制，热效率要高的多。燃料电池由电池负极一侧的氢极( 燃料极) 图2 - 1 燃料电池电动车控制系统框图 输入氢气，和在正极侧的氧化极输入空气或氧气。在正极与负极之间为电解质， 电解质将两级分开。在燃料电池中燃料与氧化物经催化剂的作用，经过电化学反 应生成电能和水。 燃料电池在运行过程中，不需要复杂的机械传动装置，不需要润滑剂，没有 振动与噪声。经电化学反应的排放物只有水，不会产生氮氧化物和碳氢化物等， 不会对大气造成污染。 独立的燃料电池电堆是不能应用于汽车的，它必须由电堆的各个子系统和控 制器组成燃料电池发动机才能向外输出功率。燃料电池发动机主要包括：燃料电 池堆、氢气供给系统、空气供给系统、冷却水系统、电功率测量系统、报警系统 和控制器等。 ( 2 ) 蓄电池 铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池是目前常用的动力电池。铅酸蓄电池比能 量低，质量和体积大，增加了汽车的自重和自身功率消耗，使用寿命短，使用成 本高。锂离子电池自放电率高，初始成本高。镍氢电池的比能量、比功率已与锂 离子电池相当，使用寿命长、安全性好、无污染物。只要设计可靠的能量管理系 统控制其充放电过程就可克服其记忆效应和充电发热等弊端。因此，镍氢电池是 开发燃料电池电动汽车的首选辅助能源。 镍氢电池包由单体镍氢电池组成，一般为系统的辅助电源，其作用是：在 燃料电池发动机启动时提供电能，f c e v 加速或爬坡时提供电能，在 f c e v 再生制动时回收再生制动反馈能量，停车时为控制系统、照明系统、信 9 第2 章电动汽车整车控制器的功能及控制策略 号、仪表板、电气设备提供电能。 镍氢电池由镍氢电池管理系统进行管理，电池管理e c u 通过光纤c a n 总线网络接口与外部c a n 网络节点通信，同时电池管理e c u 也通过c a n 总线与电池组e c u 通信。 ( 3 ) 驱动系统 驱动系统由驱动电机和电机控制器组成。整车控制器与电机控制器之间通过 c a n 通信网络实现通信，达到整车对驱动电机的控制。 电机控制器有两种控制方式，一种为模拟机械控制，整车控制器直接通过机 械连接实现模拟控制，即整车控制器同电机控制器之间传递的是模拟量：一种为 数字式控制，整车控制器通过c a n 网发命令及数据去控制电机控制器。本系 统并未采用这种方式，而是通过整车控制器通过c a n 总线对电机控制器实施 控制。 ( 4 ) 电压变换模块 由于燃料电池的输出特性较软，且输出电压也较低，所以不能用燃料电池直 接作为电源驱动，需要加入d c 他c 变换器。这样燃料电池与d c d c 变化器 共同组成电源对外供电。 与传统的车辆一样，整车控制系统并不是一个转速车速闭环控制系统，而是 一个扭矩闭环控制系统。系统根据驾驶员操纵的踏板、挡位转换开关共同控制电 机的电流。挡位转换丌关实现挡位划分，用于设置加速时扭矩权重系数。当档位 转换开关一定时，用踏板信息控制电机的电流，从而达到控制电机输出扭矩。驾驶 员根据负荷、道路情况及车速表读数调整“踏板位置以获得期望的车速，整车 控制器则协助驾驶员实现驾驶意图。 由此可知整车控制器的主要作用是：1 ) 根据驾驶员操纵的踏板信息实现车辆 的运动控制；2 ) 根据负荷大小，以及燃料电池发动机和镍氢电池包的状态，对能量 流向及分配比例实施控制。 2 3 整车控制策略 2 3 1 控制系统原理 整车控制系统原理框图见图2 - 2 。操纵踏板及档位信息经处理后，输入整车 控制器，控制器采用模糊控制逻辑，扭矩偏差及其变化量作为模糊控制策略表的 查询依据，加权得出扭矩给定信号，再经过能量流管理模块处理后作为电机控制 器的电流给定信号去控制电机电流，即控制驱动系统扭矩以下将具体介绍整车 1 0 第2 章电动汽车整车控制器的功能及控制策略 控制策略，能量流控制策略在下一节作介绍。 图2 2 整车控制系统原理框图 2 3 2 整车控制操纵处理 踏板是司机用脚进行操纵的部件，是调节电位器，其示意图见图2 4 所示， 其作用是将机械位移转换为电信号。当档位转换开关处于1 档位置时，踏板输出 电压“。与给定扭矩m ：的关系见图2 3 。本文中下标d 表示驱动，b 表示制 动。o 2 v 为制动扭矩给定范围，o v 对应最大制动扭矩“= ，。，3 5 v 为加速扭矩给 定范围，5 v 对应最大加速扭矩“：。，2 3 v 为零给定扭矩范围，此时车速为零， 相当于传统发动机车辆的怠速，由于f c f v 的加速特性好，怠速速度设置为0 。 ：二 驱动 l 1 2 345 7 图2 - 3 踏板示意图 f c e v 的整车控制驱动系统是一个扭矩闭坏系统，为了方便驾驶员操纵，系 统将加速扭矩设置为三档，即1 ，2 ，3 档，3 档扭矩最大，1 档扭矩最小。当加速 踏板踩到底时，即u 。= 5v 时，加速扭矩最大。l 、2 、3 档对应的最大扭矩分别为 驱动系统最大扭矩“。的0 5 ，0 7 5 ，1 倍；由于最大制动扭矩较小，仅为加速 扭矩的4 0 左右，故制动扭矩设置为一档。同时，驾驶员的操作盒上还设置了 倒车档和空档，空档输出扭矩始终为0 ，倒车档输出最大扭矩同最大制动扭矩。 第2 章电动汽车整车控制器的功能及控制策略 踏板档位处理的功能是根据档位和”p ，计算出“。 2 。3 。3 操纵控制策略 操纵控制策略是根据驾驶员的踏板位置、驱动转矩和车速等参数，按照一定 的规则使发动机输出相应的转矩，以满足力矩的要求。首先应由传感器得到车辆 车速，再根据油门踏板和车速得到驾驶员的需求转矩。 操纵控制策略可以用模糊逻辑推理方法来实现，总结驾驶的经验，构成一个 专家系统，以减小驾驶f c e v 的难度。f c e v 的加速、减速特性、稳速特性与 扭矩和扭矩变化速率是密切相关的，我们采用传统的方法，用扭矩偏差及其变化 率构成一个二维模糊逻辑控制器来实现操作控制策略。具体实现方法是采用结构 简单、实施方便、在线运行速度快的解析式法来表述模糊控制规则，即操作控制 策略，下面予以详细介绍。 根据图2 3 的设计和定义，此外由于踏板位置越低驱动扭矩越大，而踏板 位置越高则制动扭矩越大；因此驱动转矩偏差和制动转矩偏差的定义应该有区 别，驱动转矩定义为实际值减期望值，制动转矩定义为期望值减实际值。以驱动 过渡过程为例，如图2 4 ( a ) 所示，驱动扭矩偏差为实际值与期望值得差值，扭 矩偏差变化率为两次采样间隔之差。扭矩趋于期望值有一个过渡过程，图中大致 分l ，2 ，3 ，4 ，5 等几个阶段。在1 阶段扭矩实际值小于期望值，说明此时扭矩应 该增大，逼进期望值；在2 阶段驱动实际值大于期望值，说明此阶段扭矩在还 在增大，正在远离期望值，这是我们所不期望的，此时应该减小实际扭矩值；在 3 阶段，说明此阶段扭矩在减小，逼迸期望值，其他阶段类似推理。模糊控制正 是基于偏差及其变化率来实施控制，使得实际值逐步逼进期望值。 ( 矿) o u 岫w ，r 3 一1 ； 吒 v u 。i l i i d 一 - - + + d + + ， 图2 - 4 过渡过程示意图 1 2 第2 章电动汽车整车控制器的功能及控制策略 模糊逻辑控制模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基 础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一 种非线性控制。因为模糊控制也属于计算机数字控制的一种形式，因此模糊控制 系统的组成类同于一般的数字控制系统：从传统控制与智能控制的角度分类，模 糊控制是一种基于规则的智能控制方式，它不依赖于被控对象的精确数学模型， 特别适应具有复杂系统或过程的控制，且控制方法简单，鲁棒性好。模糊控制器 包括控制规则库、输入量模糊化、模糊推理算法及模糊判决4 个部毹模糊控 制系统的关键是确定模糊控制规则库，它一般是根据操作人员的实际操作经验综 合而成。在实现模糊控制时，必须先建立好模糊控制规则库。 模糊控制器的输入变量可以有3 个：即误差、误差的变化和误差变化速率。 通常将模糊控制器输入变量的个数称为模糊控制器的维数。从理论上讲，模糊控 制器的维数越高，控制效果越好。但是维数高的模糊控制器实现起来相当复杂和 困难。本系统采用二维模糊控制器，模糊逻辑控制f l c ( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 框 图见图2 6 ，扭矩偏差气、扭矩偏差变化率e 。，经量程转换和整量化后得到e m 和e m c ，经算法运算得到控制量u ku k 再经模糊判决得到控制量的增量“，积 分“，得到控制量u ，。算法的实现可采用公式法、查表法等，本系统采用简便 算法查表法，故建立合理的模糊控制策略表就是算法的关键。 算 法 图2 5f l c 控制框图 2 3 4 能量配比控制策略分析 能量分配策略主要是指在驱动车辆过程中，如何分配两个动力源的功率输出 比例。对于燃料电池+ 蓄电池结构的燃料电池车而言，由于电池输出功率的不 可控，所以能量分配策略就是指如何根据功率需求的大小来确定燃料电池的输出 功率。为了确定燃料电池的输出功率，需要先得知当前电机的需求功率和蓄电池 的输出功率。蓄电池的输出功率可以根据当前的s o c 确定，需求功率为整车的 期望功率，由操纵控制策略可以得知。 根据不同的设计，燃料电池和蓄电池的混合度不同。若将蓄电池作为主电源 ( 混合度较低) ，燃料电池作为辅助电源，此时燃料电池只是起到增加行驶里程 的目的；若燃料电池作为主动力源，此时主要由燃料电池汽车驱动车辆行驶，不 足的部分由蓄电池承担( 混合度较高) 。混合度不同，能量分配的控制策略也不 第2 章电动汽车整车控制器的功能及控制策略 同。对于低混合度的车辆而言，可以采用开关控制策略。开关控制策略是根据蓄 电池的s o c 状态来决定燃料电池的开起和关闭，并且保证燃料电池工作在最佳 效率点。对于混合度较高的车辆而言，一般采用功率跟随控制策略。功率跟随控 制策略是由燃料电池提供整车的能量，当燃料电池不足以驱动车辆时，开启蓄电 池；如果蓄电池的s o c 过高时，而且蓄电池足以满足目前的驱动目标时，关闭 燃料电池；如果蓄电池s o c 过低时，开启燃料电池。 釉 5 0 均 敛 率3 0 2 0 i o 0 盥高做率点 t 01 03 0拍 燃鹤位池系缝擒也功率 图2 - 6 燃料电池系统工作分段范围示意图 下面分析开关模式控制策略。开关模式控制策略( o n o f o 的基本思想为： 对燃料电池进行最优控制，即以最低氢气消耗为目标调节燃料电池使其在某一工 作点工作，该工作点是燃料电池最佳效率点，使燃料电池始终工作于相对低的氢 气消耗区，由蓄电池作为功率均衡装置来满足具体的汽车行驶功率要求。 系统中能量控制模块接收到总线传过来的电机模块请求信号，将根据蓄电池 的s o c 和燃料电池是否能满足当前请求的功率来分配蓄电池和燃料电池的输 出功率。燃料电池初始状态为关闭状态。 1 ) 当蓄电池s o c 低于控制策略s o c 下限时和总线需求功率高于1 2 倍控 制策略功率下限时燃料电池丌启； 2 ) 当蓄电池s o c 超过控制策略s o c 上限值时并且需求功率小于控制策 略功率下限时燃料电池停止工作，蓄电池单独工作； 3 ) 当燃料电池开启时，燃料电池输出的功率应该达到总线要求。燃料电池 输出的功率和自身损耗的功率之和不能高于它的输出最大限值。为延长燃料电池 的使用寿命，燃料电池输出功率的变化率不宜过大； 4 ) 当燃料电池可输出功率大于总线需求功率的时候，它的输出功率将受到 1 4 第2 章电动汽车整车控制器的功能及控制策略 蓄电池s o c 的影响：当电池电量状态( s o c ) 在电池充电量的高低状态设定值 之间时，燃料电池应在某一设定的范围内输出功率，输出功率不仅要满足车辆驱 动要求，还要为蓄电池充电，当蓄电池的s o c 高于控制策略s o c 上限值时， 主控制单元控制停止向蓄电池充电； 5 ) 当蓄电池的s o c 低于允许值时，蓄电池停止工作，燃料电池单独工作 来防止蓄电池深度放电，增加蓄电池的使用寿命，此时燃料电池单独工作。 o n t o f f 控制策略的思路简单：在整个控制过程中，蓄电池的s o c 值处于最 小值与最大值之间浮动，根据判断当前蓄电池组的s o c 值来确定燃料电池系统的 开关状态，当燃料电池系统的状态处于开时，它的输出功率主要是满足总线的功 率需求，并且受s o c 状态的影响。 o n o f f 控制策略的基础是利用动力蓄电池尽可能避免燃料电池功率输出的 剧变，以提高其工作寿命，而在1 ) 与5 ) 的情况下很难保证燃料电池工作在高 效点。 功率跟随控制策略的基本思想是以燃料电池的输出驱动车辆行驶为主，不足 的部分由蓄电池补充。整车控制过程保证蓄电池工作在最低和最高蓄电池和点状 态之间，通过燃料电池在满足驱动功率的基础上，通过给蓄电池充电的方式，保 证蓄电池工作在最佳s o c 状态。 功率跟随模式控制策略总体说来就是依据汽车的功率需求和蓄电池的s o c 值确定燃料电池的工作状态。 1 ) 当s o c s o c m 。，时，燃料电池停止工作，但如果汽车需要的功率太大， 蓄电池单独驱动不能满足整车所要求的动力性能时，燃料电池需要重新启动； 2 ) 当蓄电池的s o c 解序臣 固、 p b 程序 匹二工二到 没害鬈熊行 c 程序臣 自、 图3 3 分时操作系统的任务调度策略 实时多任务操作系统则采用“优先级原则进行任务的调度。一般情况下嵌 入式实时多任务操作系统支持的典型任务是一个无限循环结构。从代码来看，任 务实质上是一个返回量为v o i d 的函数，并且在函数的无限循环中来完成用户的 工作。而对于一些外部异步事件，则采用中断技术，在中断服务程序中处理这些 异步事件。 在采用“优先级 调度策略的操作系统中，每个任务按其重要程度都被赋予 一个唯一特定的优先级。c p u 总是让即时处于就绪状态的优先级最高的任务先 运行。让一个任务正在运行的过程中，出现了更高优先级的任务处于就绪状态时， 是完成当前任务后再运行更高优先级的任务，还是立即剥夺当前任务占用c p u 的权限转为执行更高优先级的任务? 对于不同的内核有着不同的策略。根据系统 中任务获得使用c p u 的权利的发式，实时多任务操作系统的内核又可分为不可 剥夺型和可剥夺型两种。在不可剥夺型内核中，总是优先级最高的任务最先获得 第3 章嵌入式实时操作系统及l l c o s i i 内核 c p u 的使用权j 在可剥夺型内核中，c p u 总是运行多个任务中优先级最高的那 个任务。 一一一一一一一一一一一一一一一时间一一一一一一一一一一一一 高优先级任务b 二二二匿垂 二二 二二二至匝翠高丧冕曩鬈；轰绪? f 同仉九城仕穷瓢笫： i 二 ! 低优先级任务b 二二 雯亟二 至至匿墅玉j 亟j j 图3 4 不可剥夺型内核操作系统的任务调度策略 所谓的不可剥夺型内核采用策略是要求每个任务自我放弃c p u 的所有权。不可剥夺型 调度法也称作合作型多任务，各个任务彼此合作共享一个c p u 。异步事件还是由中断服务 来处理。中断服务可以使一个高优先级的任务由挂起状态变为就绪状态。但中断服务以后控