（动力机械及工程专业论文）基于osek的hev动力总成控制系统研究和开发.pdf

北京交通大学硕士学位论文摘要 摘要 全球性的石油危机及大气污染问题迫切要求我们大幅度改善汽车的节 能与环保性能。混合动力汽车( h e v ) 以其良好的经济性能和排放性能，正 在成为当前世界范围内新型汽车发展的重要方向之一。将嵌入式实时操作系 统( r t o s ) 应用于h e v 也正成为h e v 研究领域中的焦点问题。本论文以 “8 6 3 ”计划中“电动汽车”重大专项课题“e q 6 l l o h e v 动力总成控制系统 关键技术研究与应用”为依托，以e q 6 1 1 0 混合动力客车多能源动力总成为 研究对象，开展了基于0 s e k 嵌入式操作系统平台的多能源动力总成控制 系统的设计与开发。 本文分析了动力总成控制系统的功能和性能要求，确定了e 0 6 1 1 0 h e v 动力总成控制系统的总体设计方案和以m p c 5 6 6 微控制器为核心的高性能 硬件系统，完成了数据通信的设计和控制系统硬件和软件抗干扰设计。分析 了多能源动力总成能量管理控制策略，实现了控制策略的软件逻辑算法。 本文针对h e v 动力总成控制系统，提出了嵌入式实时多任务操作系统 的设计方法及原则。在分析研究o s e 科v d x 标准和o s e k 嵌入式实时操作 系统运行机制的基础上，实现了基于o s e k 嵌入式操作系统平台的h e v 多 能源动力总成控制系统软件设计。 本文分析研究了r s 2 3 2 串行通信协议标准，确定了动力总成匹配标定 系统的总体设计方案，并完成了软件功能模块和人机交互式界面的开发，实 现了动力总成匹配标定系统的软件开发。 本研究进行了硬件在环仿真试验，试验表明所开发的动力总成控制系统 能够实现在连续工况下运转和运行模式切换时的稳定控制。同时完成了整车 功能调试试验和性能优化试验，试验结果表明所开发的动力总成控制系统能 够实现其基本控制功能，整车在控制系统的控制下能较好地满足整车设计方 案的经济性、动力性和驾驶平顺性要求。 关键词：混合动力电动汽车、嵌入式实时操作系统、多能源动力总成控制系 统 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et om eg l o b a le n e r g yc r i s i sa i l de n v i r 0 i l i l l e n t a lc o n c e m s ，t h ea u t o m o b i l e i n d u s t r yi sf a c i n gg r e a tc h a l l e n g eo fd e v e l o p i n gt h ev e h i c l e sw i mb e t t e rf i l e l e f f i c i e n c ya n dl o w e re m i s s i o n h y b r i de l e c t r i cv 曲i c l e ( h e v ) i sb e c o m i n ga m a i nb r a i l c ho fn e wt y p ea u t o m o b i l e si nt h ew o r l db e c a u s eo fi t se x c e l l e n tf u e l e c o n o m ya n dl o we m i s s i o np e r f b m l a n c e i ti sv e r ya ni m p o n a l l tr e s e a r c hf i e l do f u s i n ge m b e d d c dr t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) o n 1 ep o 、v c m a i nc o n t r o l 8 y s t e mo fh e vs u p p o r t e db ym em a j o rp r o j e c t “r e s e a r c ho nt h en e w t y p e p o w e r 虹a i nc o r 血d ls y s t e mf o re q 6 1 1 0 h e v ”u n d e r “h i g h 一1 e c hr & d p r o g r 锄 o fc h i m ”，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp o w e r b a i nc o m r o ls y s t e mb a s e do n o s e ke m b e d d e dr t o sh a sb e e nc a r r i e do mf o re q 6 1 1 0 h e v w i ma n a l y z i n gt h e 叩e r a t i o nc h a r a c t e r so fe q 6 1 1 0 h e vp o w e n r a i na i l d s u b s y s t e m s ，t h e 、v h o l ed e s i g np r o j e c t f o rt h ec o n t r o l s y s t e ma n d 1 e h i 曲巾o w e r e dh a r d w a r es y s t e mb a s e d o nm p c 5 6 6m i c r o c o r l 打o l l e rw e r e d e t e n n i n e d ， a 1 1 dt h e s y s t e m a n t i - i m e 疵r e n c ew a sd e s i g n e d t h ee n e r g y d i s t r i b u t i o nc o n t r 0 1s t r a t e g y 、怕sa n a l y z e d 趴dt l l es o r w a r el o g i s t i ca r i m m e t i co f c o n t r o ls t r a t e g yw a sa c c o m p l i s h e d s o m em e m o d sa n dp r i n c i p l e sf o rd e s i g n i n gt h ee m b e d d e dr t o so fh e v p o w e r t r a i nc o m r o ls y s t e mw e r eb r o g h tf o n v a r di n t h i sp a pe r a n e rt h er e s e a r c h o n0 s e k ，v d xs t a i l d a r da i l dt h er u n n i n gi n s t i t u t i o no f0 s e ke m b e d d e dr t o s ， t h es o f t w a r e d e s i g n o fh e vp o w e r t r a i nc o n t m ls y s t e mb a s e do no s e k e m b e d d e dr t o sw a sa c h i e v e d w i t ht h es t u d yo nm ep r o t o c 0 1 so fr s 一2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，t h ew h o l e d e s i g np r o j e c to ft 1 1 em u l t i e n e r g yp o w e 巾鼍i nc a l i b m t i n gs y s t e m 、a sd e t e r m i n e d b e s i d e s ， t h es o n w a r ef u n c t i o nm o d u l e sa n dm em a n m a c h i n ei n t e r a c t i v e i n t e r f h c e sw e r ed e s i g n e d ，a n dt h es o 行w a r ed e v e l o p m e mo ft h em u l t i e n c r g y 北京交通大学硕士学位论文 a b 砒r a c t p o w e n r a i nc a l i b r a t i n gs y s t e mw a sa c c o m p l i s h e d t h eh a r d w a r ei nm el o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) t e s t sh a sb e e nf i n i s h e d ，t h e r e s u l t so fw h i c hs h o w e dt h a tt h ep o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e mc o u l dc o n t r o lt h e h e vw c l lu n d e rc o n t i n u o u so p e r a t i o na n do p e r a t i n gm o d e ss h i f t n l er o a dt e s t s a 1 1 dt i l ec 印a b i l i t yo p t i m i z a t i o nt e s t sh a v ea l s ob e e nf i n i s h e d ，p r o v i n gt 1 1 a tm e p c uf o re q 6 1 1 0n o to n l yr e a l i z e db a s i cc o n t r o l 劬c t i 0 1 1 s ，b u ta l s om a d et h e v e h i c l em e e tt h ee c o n o m i c a l ，d y n a m i c a la n dc o m f o n a b l es t a n d a r d so f 1 ed e s i g n p r o j e c t k e y w o r d s ：h y b r i de 1 e c t r i cv 曲i c l e ，e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ， m u l t i - e n e r g yp o w e n r a i nc 0 n 廿0 1s y s t e m 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 随着世界范围内汽车保有量的快速增长，石化燃料供需矛盾日益加剧， 与此同时，随着社会的现代化步伐加快，人们环保意识的进一步增强，全球 性的能源危机以及日益严格的排放法规对汽车工业的可持续发展提出了严 峻的挑战，寻求高效清洁的汽车动力成为全球关注的热点问题。 全球汽车工业的发展将面临能源和污染两大难题。就我国而言，石油资 源严重短缺，已发现可开采的储量仅占世界总储量的4 左右，并且我国从 1 9 9 3 年开始进口石油，并以每年两位数字的百分比增长，2 0 0 0 年进口石油 7 0 0 0 万吨，成品油3 0 0 0 万吨。到2 0 0 5 年以后，每年进口石油超过一亿吨， 相当于科威特一年的石油总产量。汽车内燃机是最主要的石油消耗源之一。 对于不断增长石油进口的依赖已经逐渐成为制约中国汽车工业可持续发展 的一个重负，并将逐渐危及到我国经济的持续增长和国家安全。这要求车辆 动力源采用除石油以外的多种替代能源。另外，我国城市污染也十分严重， 目前世界上空气污染最严重的十个城市中有七个在中国，而我国大中城市的 空气污染主要来自汽车尾气。在北京、上海和广州等大城市中，汽车对空气 污染的分担率已超过6 0 。据有关部门预测，以此趋势，到2 0 1 0 年汽车尾 气排放量将占空气污染源的6 4 【l 】。尽管电控技术和代用燃料技术能够在一 定程度上改善内燃机的经济性能和排放性能，但是单纯使用传统内燃机技术 发展汽车工业将会给我国的能源安全和环境保护造成巨大的压力。 在能源与环保压力的挑战下，世界上许多国家包括我国都在认真思考汽 车工业的未来发展。融合当代多种高新技术的电动汽车代表了今后汽车发展 的方向，研究与开发新一代汽车已经成为跨国汽车公司和工业发达国家发展 战略中的重点1 2 】i 。电动汽车是至少一种动力源为车载电源，全部或部分由 电机驱动的汽车，其包括纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 车等三种类型。其中，纯电动汽车( e l e c t r i cv e h i c l e ，e v ) 是取代传统内燃 机汽车、满足零排放的最终选择，但是，纯电动汽车由于蓄电池技术的制约， 续驶里程短，还需建设大量的充电设旅；燃料电池汽车由于燃料电池系统的 成本高居不下，又需建设燃料供给基础设旌，所以，目前来讲电动汽车将无 法取代燃油发动机汽车。在这种情况下，“准绿色”的新型产品混合动 力电动汽车( h y b r i de 1 e c t r i cv e h i c l e ，h e v ) 登上了历史舞台。目前世界许多 著名汽车研究机构以及各大汽车公司更多的认为混合动力电动汽车通过内 燃机与电机的有机结合，具备了内燃机汽车加油方便、续驶里程长和纯电动 汽车污染少、效率高的优点以及技术、经济和环境等方面的综合优势，是目 前最具有开发和推广前景的新型交通工具之一【5 ：i “。因此，近十几年来，世 界许多著名汽车生产厂商已将研究的重点转向了可实施性较强的混合动力 电动汽车。以日本为例，日本综合能源调查会在清洁能源汽车普及计划中设 定的目标是：到2 0 1 0 年，生产h e v l 8 0 万辆、e v 2 0 万辆、高性能e v 2 4 万 辆、天然气( c n g ) 汽车1 0 0 万辆，其中h e v 占到了5 6 【”。我国政府也 对h e v 的发展给予了足够的重视，国家科技部在“十五”规划中特别设立了 电动汽车重大专项，以期提高我国汽车的国际竞争力，实现我国汽车的振兴。 1 2 h e v 动力总成控制系统国内外研究现状 h e v 动力总成除了有相互耦合的两个动力源外，还包括电池、传动系 统、制动系统等，是一个复杂的非线性系统。h e v 的动力总成是电力、机 械、化学和热力组件的总成，具有多种不同的运行模式，需要一套复杂缜密 的总成控制系统进行控制。因此，多能源动力总成控制系统的研究成为近年 来h e v 技术发展和产业化过程中的重要研究开发方向1 8 】【9 1 。 混合动力电动汽车的精确运行依赖于先进的动力总成控制系统的实现， 动力总成控制器的设计与开发是开发混合动力系统的关键技术之一。目前， 各国对h e v 多能源动力总成控制系统的研究主要集中在动力总成控制器的 开发和控制策略的研究上。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 1 h e v 动力总成控制器开发现状 国外相继推出了应用于不同车型的动力总成控制器。美国p n g v 项目 在h e v 动力控制模块集成等技术领域取得了显著成就。在p n g v 计划的推 动下，美国各大汽车厂商都推出应用于h e v 动力总成的控制系统。其中福 特汽车公司开发的v s c ( v e h i c l es y s t e mc o n n d l l e r ) 系统能够控制动力总成 中各部件稳定协调的工作，并且能够实现不同工作模式的平稳切换【l o l 。通用 p r e c e p t 混合动力总成系统a i p m ( a u t o m o t l v ei n t e g r a t e dp o w e rm o d u l e ) 可 控制电动机与发动机的输出能量分配，并具有能量管理、再生制动、电池状 态判断等功能 1 ”。与此同时，美国的一些著名高校也加入到h e v 的研究和 开发当中，并且在美国三大汽车公司的支持下，推出各自的h e v 车型并开 发出支持相应h e v 车型的动力总成控制系统。其中比较成功的有威斯康星 大学研制的m o o l i e n i u m 混合动力车及基于m o t o t r o np c m 5 5 5 的总成控制系 统【i2 】；美国加州大学戴维斯分校推出的y o s e m i t e 混合动力车及其动力总成 控制系统p c m ( p o w e n r a i nc o r 妇o lm o d u l e ) 叫。 国外开发的既v 动力总成控制器在系统的硬件和软件的形式上有所差 异，但在技术特点上却有很多共同之处，主要共同点包括以下四个方面【1 4 】： 1 、嵌入式实时操作系统的应用 随着汽车电子技术在汽车上得到越来越多的运用，混合动力汽车上出现 了更加复杂和精确的控制器，同时为了缩短产品的开发周期、降低开发成本、 提高软件的可重复使用性和模块在不同控制器之间移植性，嵌入式实时操作 系统被更多更广地应用于混合动力电动汽车的控制上。嵌入式实时操作系统 平台具有功能多样、高度集成、开发快捷、耗能低和网络化通信等特点，可 以有效的管理复杂繁琐的任务，在其平台上开发的控制系统更加可靠和稳 定，同时降低了系统的开发成本，保证了系统的控制精度、实时性、可靠性、 可扩展性和可移植性。 2 、模块化设计 模块化设计是指控制系统中功能相近的部分用同一硬件模块和软件程 序实现，而相对有差异的部分分别用独立的子模块和子程序实现。这样的设 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 计可以有效减小控制系统中不同功能部分的相互影响和干涉，提高系统的兼 容性和可扩展性，并且能够缩短开发周期和成本。 3 、控制芯片运算能力高速化 随着电子控制技术发展日新月异，h e v 动力总成控制系统的控制功能 越来越复杂，系统的响应和精度要求也越来越高。为了满足系统复杂的运算 和数据处理的需求，动力总成控制单元正在向着车载p c 的方向发展，其控 制芯片采用p c 处理器，具有很高的运算速度和强大的数据处理能力。 4 、可靠性设计成为设计重点 h e v 动力总成控制单元设计中的一个主要问题是保证系统的可靠性。 因为车内环境温度的变化产生的热应力将直接影响到集成电路板等器件的 正常工作，车内的强烈振动、盐、水腐蚀对线路的连接也提出了更苛刻的要 求。此外，抗干扰设计也是可靠性设计中的一项主要内容。 5 、c a n 总线的应用 h e v 多能源动力总成控制单元需要与各个子系统之间传输来自传感器 的信息以及重要的控制信号，大量数据的实时交换对动力总成控制系统设计 提出了极高的要求。近年来，c a n 总线技术以其通讯速率高，容错能力强， 特别适合汽车综合控制系统尤其是h e v 中多e c u 单元间实时控制信息交换 的优势【l 引，在h e v 动力总成局域网中的应用愈来愈广泛，很好的满足了进 一步减少车身线束的要求，并且方便故障诊断和主要电子单元间大量数据信 息实时交换需要【l “。 国内h e v 动力总成控制单元的开发目前还处于起步阶段。近来国内一 些高校和研究单位正在展开多能源动力总成控制单元和能量管理系统的基 础性研究工作。随着十五期间“8 6 3 ”计划电动汽车重大专项的实施，2 0 0 2 年年初我国的一汽、二汽联合清华大学、北京理工大学、北京交通大学、大 连理工大学、华中科技大学等一批高校开始了混合动力汽车多能源动力总成 控制系统的研制与开发工作。目前，这些高校在“8 6 3 ”计划的推动下，正 着力于将嵌入式操作系统应用于混合动力汽车多能源动力总成控制系统，并 取得了很大的研究进展。 4 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 h e v 动力总成控制策略研究现状 多能源动力总成控制系统开发过程中，控制策略和控制算法是实现对整 车多能源动力管理协调的关键，其优劣将直接关系到整车性能的好坏。动力 总成控制系统通过控制逻辑使电动汽车运行在不同的模式下，并且通过与每 一个运行模式相联系的动态控制策略向各子系统发出指令。控制系统应满足 整车在各种模式下的驱动和排放要求，同时保证不同运行模式间的平顺动态 切换。 随着h e v 汽车技术的不断发展，控制策略的研究日益得到各国政府以 及世界各大汽车公司的重视，包括闩本丰田公司的p r i u s 、本田的i n s i g h t 车 都有一套相对独立的控制策略，综合各种控制思想，有以下几种典型的控制 策略： 1 、电力辅助控制策略( e a c s ，e l e c t r i c a s s i s t c o n t r 0 1s t r a t e g y ) 电力辅助控制策略是并联式混合动力电动汽车较为普遍采用的一种控 制策略。其主要思想是：将热力发动机作为汽车的主驱动源，电力驱动系统 作为辅助驱动源，电动机对发动机的输出转矩起到“削峰填谷”的作用，同 时将电池的s o c 值保证在一定范围内【1 7 】。电力辅助控制策略的关键是发动 机的优化工作区域的确定，然后根据总的负载扭矩与发动机优化扭矩输出值 的差值确定电机的扭矩输出。但其中还应综合考虑电机的工作能力和电池的 充放电能力，使控制结果能够满足工况的能量需求。 2 、模糊逻辑控制策略( f l c s ，f u z z yl o g i cc o n 仃0 1s 廿a t e g y ) 模糊逻辑控制策略的主要目标是保证发动机工作在高效率区，该控制策 略通过对输入输出参数分别进行模糊化和反模糊化处理，避免了常规控制方 法中复杂的查表和插值计算，能够提高响应速度和控制精度 1 9 】。 3 、自适应控制策略( s a c s ，s e l f _ a d 印t i v ec o n 们ls t r a t e g y ) 自适应控制策略也称为实时控制策略( r t c s r e a j t i m ec o n t r o l s t r a t e g y ) ，其主要思想是：对每一时刻驱动能量在电机和发动机之间的分配 进行优化，以按照目标综合提高整车的燃油经济性和排放性能，即是说，自 北京交通大学硕士学位论文第一蕈绪论 适应控制策略主要体现了实时优化的特征。自适应控制策略采用若干个具有 不同权值的控制参数( 例如燃油消耗率、h c 排放量、n o x 排放量、微粒排 放量等) ，由这些参数生成一个对应于不同发动机扭矩的影响函数( i m p a c t f u n c t i o n ) ，在一定转速下，通过寻找使影响函数达到最小值的扭矩点来取得 h e v 最优的燃油消耗和排放l “。 对于动力总成控制策略的应用，在国内，h e v 控制策略的研究正成为 “8 6 3 ”电动车专项中h e v 的重要研究内容。该研究专项中的课题承担单位通 过仿真试验和整车道路试验进行了较为深入的研究，并取得了一些重要的研 究成果。 1 3 嵌入式实时操作系统研究及应用现状 嵌入式实时操作系统是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异 步事件做出响应的计算机系统。嵌入式实时操作系统对响应时间有严格要求 的，因为系统操作的正确性不仅依赖于逻辑设计的正确程度，而且与这些操 作进行的时间有关。实时操作系统具有如下特点：规模小，中断被屏蔽的时 间很短，中断处理时间短，任务切换很快。 1 3 1 嵌入式实时操作系统研究现状 计算机应用的普及、互联网技术的实用以及纳米微电子技术的突破，正 有力推动着2 1 世纪工业生产、商业活动、科学实验和家庭生活等领域自动 化和信息化进程。全过程自动化产品制造、大范围电子商务活动、高度协同 科学实验以及现代化家庭起居，为嵌入式产品提供广阔的发展空间。嵌入式 实时操作系统技术经过近2 0 年的发展已经日趋成熟，其发展经历可以分为 四个比较明显的阶段1 2 1 】【2 2 】。 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控 制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系 统大部分应用于一些专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 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，但是已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。 第二阶段是简单监控式的实时操作系统阶段，主要以嵌入式处理器为基 础，以简单监控式操作系统为核心。系统的特点是处理器种类繁多，通用性 比较弱；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，具有一定的兼容性和 扩展性；应用软件较专业，操作系统的用户界面不够友好，主要用来控制系 统负载以及监控应用程序运行。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以通用型嵌入式操作系 统为标志的嵌入式系统。如v x w o r k s 、p s o s 、o s 一9 、w i n d o w sc e 就是这一 阶段的典型代表。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各 种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具 有高度的模块化和扩展性：有强大的通用型操作系统的功能，如文件和目录 管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能：具有 大量的应用程序接口( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段是以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发 展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i m e h l e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入 式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。 1 3 2 嵌入式实时操作系统在汽车领域的应用 在强大的市场需求和激烈竞争的环境下，汽车电子软硬件产品不断发展 并出现多元化格局。由于不同实时操作系统的应用程序接口不同，使得应用 程序的移植性变差等。为了改变这种状况，欧洲汽车工业界于1 9 9 3 年提出 了o s e l ( 厂v d x 标准，0 s e k 是德文“车内电子设备的开放系统的接口”首 字母缩写，它为车用嵌入式实时操作系统以及其它相关服务提供了一系列的 7 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 标准【2 4 。 目前，国外许多公司和科研单位都在积极开发汽车控制系统o s e k 嵌 入式产品，如美国m e t m w e r k s 公司、美国w i n d r i v e r 公司、德国e t a s 公 司、美国密西根大学、英国l i v e d e v i c e s 公司和德国3 s o f t 公司等。其中比 较成功的有美国m e t r o w e r k s 公司开发的o s e 硒h o s o s e k m r b o ，美国 w i n d r i v e r 公司开发的o s e k w o r k s 和德国e 1 a s 公司开发的e r c o s e k 等。 目前符合o s e k 协议的嵌入式实时操作系统主要包括以下几种2 5 【2 6 】【2 7 】【2 8 1 。 1 o s e k t l l r b o m e t m w e r k s0 s e k t u r b o 满足最新的0 s e k 厂v d x 开放系统的标准，它支 持8 、1 6 和3 2 位微处理器，它的设计主要是为了满足性能的需求，同时在 稳定性和软件品质方面在业界享有极高的声誉，是目前市场上实现0 s e k 标准使用最为广泛的实时操作系统之一。o s e k t u r b o 在性能、代码尺寸和稳 定性方面也都具有很强的优势。 2 0 s e k 、v o r k s o s e k 、v o r k s 完全符合o s e k 厂v d x 标准，它支持1 6 和3 2 位的微处理器。 w i n “v e r 公司为o s e k w o r k s 提供了开放式集成开发环境( i d e ) t o m a d of o r o s e k 、o r k s ，除了本身提供的编译、图形化调试以及分析诊断、实时分析、 o i l 配置等强大功能外，它还提供了与建模、仿真、快速原型以及自动代码 生成等其他第三方上层工具集成的应用接口( a p i ) 。在此基础上能够实现把 汽车电控产品开发的各个过程集中到一个开发环境中，形成新的开发流程， 与传统的开发流程相比，能够提高开发效率，缩短开发时间。 3 e r c o s e k e r c o s “是由e t a s 公司开发的嵌入式实时操作系统，b o s c h 公司将 其应用于发动机管理系统中。e r c o s e k 把汽车安全性要求放在第一位，并 具有可移植性和可剪裁性，是专门用于汽车电控的嵌入式实时操作系统。 e ，r a s 为e r c o s “的开发提供了具有控制算法建模、o i l 配置、自动代码 生成等强大功能的集成开发环境a s c e t - s d 、配置环境e s c a p e 以及o i l 配置工具e r c o s “o i l 。 在国内，对符合o s e k 规范的实时多任务操作系统的研究和开发才刚 北京交通大学硕士学位论文第二章基于嵌入式的h e v 动力总成控制系统的设计与研究 东风e q 6 “o 混合动力城市客车的动力总成系统结构如图2 1 所示。由 图可知，e q 6 u 0 h e v 动力总成系统属于典型的并联式结构，由动力源、传 动系统和动力总成控制单元( p c u ，p o 、v e r t r a i nc o n 仃o lu n “) 等构成。动力 源主要由发动机和电机以及电池组成。传动系统由离合器、扭矩耦合器、变 速器、差速器等构成。 2 1 1 h e v 动力总成控制系统总体构成 e 0 6 1 1 0 混合动力系统中的主要部件型式和参数如表2 1 所示。发动机 选用康明斯i s b e l 5 0 共轨式四缸电喷柴油机，该发动机排放满足欧i i i 排放 法规，并且其控制器具有c a n 总线通信功能；电机选用开关磁阻电机，电 机调速由电机控制器完成，其控制器具有模拟通信和c a n 通信两种模式： 电池选用镍氢动力电池，并且每组电池具有单独的电池能量管理单元：变速 器采用6 档自动机械式变速器( a m t a u t o m a t e d m a c h i n et r a i l s m i s s i o n ) ，变 速器也有相应的控制器进行换挡控制。 表2 1e q 6 1 1 0 混合动力客车多能源动力总成动力系统主要参数 发动机峰值功率( k w ) 6 2 形式及类别共轨、电喷、四缸额定转速( r m i n ) 2 0 0 0 型号i s b e l 5 0电池 排量( l ) 3 9 9 类型 n i m h 燃料种类 柴油 公称容量( a h ) 4 0 额定功率转速( k w r m i n )1 1 0 ，2 5 0 0单节电压( v )】2 最大扭矩转速( n m r m i n ) 5 5 0 ，1 2 0 0 17 0 0 电池节数 2 8 缸径冲程( m m m m ) 1 0 2 1 2 0 电池连接形式串联 压缩比1 7 o ：l 电池组电压( v ) 3 3 6 电机变速器 类型开关磁阻电机 档位数 6 额定功率( k w )3 5 控制方式 a m t e q 6 1 1 0 h e v 多能源动力总成的控制系统的构成如图2 2 。由图所示，动 北京交通大学硕士学位论文第二章基于嵌八式的h e v 动力总成控制系统的设计与研究 力总成控制系统包括p c u 、发动机电控单元、电机控制器、a m t 控制器、 电池管理系统以及p c u 与发动机电控单元、电机电控单元、电池管理系统、 a m t 控制器的信号通道。p c u 是h e v 动力总成控制系统的核心，也是整 车运行过程中的关键控制部件，直接影响着整车的性能。p c u 包含控制策 略模块、数据输入输出模块、c a n 总线接口以及电源模块。此外，h e v 匹 配标定系统是专门为配合h e v 动力总成控制系统匹配标定试验开发的。 图2 2h e v 动力总成控制系统的构成 2 1 2 h e v 动力总成控制系统功能分析 数 据 总 线 混合动力电动汽车动力总成系统是具有两套相对独立的动力系统，是传 统内燃机动力系统和电机动力系统的集成。选择主动力源是动力系统控制设 计的关键，考虑到所开发的e q 6 1 1 0 混合动力电动客车的运行路况以及电机 和发动机的工作特性，并综合考虑整车动力性、经济性、排放性和驾驶舒适 性、平顺性等要求，选择以发动机为稳定工作的主驱动动力源、以电机为辅 助能量调节单元的方案。 混合动力汽车具有多种运行模式，如：发动机单独工作模式、电机助力 北京交通大学硕士学位论文第二章基于嵌入式的h e v 动力总成控制系统的设计与研究 工作模式、回馈制动工作模式等，因此，动力总成控制系统首先具备的功能 是能够依据汽车运行的状态及驾驶员的驾驶意愿按照预先设计的控制策略 选择合理的混合动力运行模式，保证混合动力汽车在使用中满足人们对汽车 经济性和排放性的要求：在同一运行模式下，按照一定的优化目标( 发动机 性能，动力电池性能等) 对动力系统能量的流动进行规划控制；完成混合动 力系统不同运行模式的平顺切换，保证汽车驾驶的舒适性。 由于e q 6 1 1 0 混合动力城市客车的动力系统采用了自动机械式变速器 ( a m t ) ，因此在不同运行模式下的换档操作也是动力总成控制系统需要考 虑的重要控制问题。在换档过程中，动力总成控制单元与a m t 控制器相互 协调配合，对各个动力组件之间的动作顺序和动作时间进行良好的控制，以 减小换档时的机械冲击。 除了以上动力总成控制系统的几个主要控制功能以外，汽车的起步控 制、制动控制、动力系统故障处理、对电机和电池充放电的过载保护等也是 动力总成控制单元的重要控制内容，需要在控制系统的软硬件设计上全面地 加以考虑。 总而言之，动力总成控制单元( p c u ) 从其它相关控制器和传感器中获 得司机发出的加速或制动控制信号，同时获得车速、发动机转速、电机转速、 档位信号、离合器状态、电池s o c 等表征整车或动力系统运行工况的参数， 按照一定的控制策略，通过c a n 总线通讯或其它信号传输方式指挥发动机 电控单元、电机电控单元、a m t 控制器、电池管理系统等控制单元进行工 作，对动力系统各个部件的转速、扭矩、功率等参数进行协调控制，使混合 动力汽车始终工作在合理的运行模式下，满足人们对汽车动力性、经济性和 排放性能的要求【3 1 3 2 】。 2 1 3 基于c a n 总线的动力总成通讯系统设计 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 控带0 器局域网，是德国b o s c h 公司为 解决现代汽车众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种能有效 支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，属于现场总线( f i e l db u s ) 的 北京交通大学硕士学位论文第二章基于嵌入式的h e v 动力总成控制系统的设计与研究 范畴 2 9 】。c a n 总线具有实时性强、可靠性高、抗干扰能力强、结构简单、 操作性好、价格低廉等优点【j 。 在e q 6 1 l o h e v 多能源动力总成控制系统中，p c u 、电池e c u 、电机 e c u 和发动机e c u 均提供了c a n 通讯接口，他们之间的数据交换可以通 过c a n 总线传输以代替传统的复杂的线束。整个多能源动力总成控制系统 的数据通信结构图如图2 2 所示。采用分层控制方式，各控制模块组成了网 络中的各节点。整车控制模块( p c u ) 为上层控制器，负责汽车运行工况的 判断和系统中各控制模块间的办调，当汽车运行于混合驱动工况时完成发动 机和电机之间的功率分配。其余为下层控制器，完成特定的控制。 本研究e q 6 1 1 0 混合动力客车选用的是i s b e l 5 0 型柴油机，它的e c u 采用支持s a ej 1 9 3 9 总线通信的硬件结构。s a e 儿9 3 9 是美国汽车工程师协 会( s a e ) 制定的针对于重型车辆的高速通信网络，它是基于c a n 2 ob 通 信协议的一种现场总线，被广泛用于卡车和巴士的控制系统【33 1 。本研究在 分析了j 1 9 3 9 协议的基础上，制定了符合j 1 9 3 9 的e 0 6 1 l o h e v 多能源动力 控制总成c a n 网络通信协议，c a n 通信协议与s a ej 1 9 3 9 完全兼容，其下 层的物理层、数据链路层、网络层、网络管理协议与s a e 儿9 3 9 相同。 2 2 h e v 动力总成控制器硬件设计 动力总成控制单元的硬件包括主处理器模块、电源及保护电路模块、模 拟信号输入输出处理模块、数字( 包括数字i ，o 、频率、p w m ) 信号输入输 出处理模块、c a n 通讯控制模块、串行通讯模块等。 2 2 1 p c u 芯片选型及性能分析 1 、对p c u 性能的要求 作为控制系统的核心，嵌入式动力总成控制单元( p c u ) 需要快速处理 大量的信号，并能实时发出相应控制指令。因此，p c u 应具有的功能为： ( 1 ) 首先p c u 必须支持嵌入式实时操作系统，允许进行实时多任务的内核 4 北京交通大学硕士学位论文第二章基于嵌人式的h e v 动力总成控制系统的设计与研究 划分和管理，并具有一定的扩展能力，有利于今后的扩展升级； ( 2 ) 动力总成控制单元主要采用c a n 总线通信与其他控制单元交换信息， 所以，芯片要求能提供c a n 通信扩展接口或者直接集成c a n 控制器； ( 3 ) 为了现场使用需要，p c u 能够提供读取相关传感器信号的模拟信号接 口、数字信号接口和安全保障的功能； ( 4 ) 根据输入信号对整车运行工况进行分析、判断，并依据发动机m a p 图 计算发动机最佳运行工作点； ( 5 ) 根据控制策略计算出发动机、电机的运行状态以及油门信号等，定时向 执行器发出控制信号； ( 6 ) 完成控制器的开发后，在投入使用前还需对其进行标定，因此，p c u 还 需为匹配标定系统提供串行通信接口。 随着控制系统功能的完善，p c u 要检测的信号及控制信号越来越多， 当检测加速踏板信号、发动机转速、电机转速、车速、电池电压、电池电流 和各部件故障信号时，需要有很强的实时性，对中断资源和p c u 运算性能 的要求也不断提高。总之，作为p c u 的主控制器，必须具有丰富的实时中 断资源、较高的指令执行速度、高速的输入输出能力、足够的数据空间及足 够的为其它控制项目预留的接口。 根据项目中对微控制器的性能要求，国内市场上单片机性价比的情况以 及为将来扩展提供基础，本论文设计选用摩托罗拉公司生产的高性能单片机 m p c5 6 6 作为电控单元的主控芯片。此款芯片具有高度的灵活性和可靠性， 可以在各种复杂变化的汽车运行环境下工作。 2 、所选用微控制器的主要特点 m o t o i 的l a 公司生产的m p c5 6 6 是3 2 位的芯片，支持嵌入式实时操 作系统，具有p o w e r p c 的构架，其内部采用模块化结构，如图2 3 所示。 m p c5 6 6 芯片具有智能化和独立化的外围子系统，通过内部i m b 3 总线和 r c p u 进行信息交流。内部主要包括1 m b ”e 具有5 v 可编程电压的f 1 a s h ， 5 v 可编程的i o 接口，两个队列串行多通道模块q s m c m ，三个c a n 控制 器t 0 u c a n t m ，三个c a n 控制器均符合c a n 2 0 b 协议，5 0 个通道的定时 子系统( 包括3 个定时处理单元t p u 3 和一个标准的定时i o 系统m 1 0 s 1 4 ， 北京交通大学硕士学位论文第二章基于嵌入式的h e v 动力趔塑型墨堑塑塑盐墨里茎 l 圆曰围圆圆圆匮 图2 3m p c 5 6 6 内部结构图 2 个1 0 位队列模数转换器q a d c 6 4 ) 。芯片内部全部采用h c m o s 工艺，晶 振频率4 0 m h z ，3 8 8 脚的f b g a 封装，全面支持代码紧缩功能，编码压缩 功能能够使编码以原来5 0 的空间来存储，以拓展程序可利用的空间i j o j 。 同时m p c5 6 6 还具有以下的特点： ( 1 ) 片内集成1 m b 的闪速存储器( f 1 a s h e e p r o m ) 。f l a s h 是一种非易失性 存储介质，读取其内容与读取r a m 同样方便，写操作也比e p r o m 快。 在系统掉电后，f l a s h 中的内容仍能保持不变。f l a s h 的主要优点是结构 简单、集成密度大、成本低。由于f l a s h 可以局部擦除，且写入、擦除 次数可达数万次以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。 ( 2 ) 应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性。在以往不使用锁相环的微控 制器应用系统中，晶振电路由于工作频率较高( 通常为几兆赫兹至几十 兆赫兹) 而成为一个很大的干扰源，这一问题给系统设计、线路板布局 带来了很多不便。而m p c5 6 6 的时钟发生系统巧妙地使用了锁相环技 由白 北京交通大学硕士学位论文第二章基于嵌八式的h e v 动力总成控制系统的设计与研究 术，因而可在外接几十千赫的外部晶振情况下，通过软件编程产生几兆 的系统时钟，从而降低了对外辐射干