第六章-电动汽车整车控制器

1、1.整车控制系统硬件设计 2.整车控制系统软件设计 陈曦,第六章 电动汽车整车控制器,6.1电动汽车整车控制器硬件,采用了分层控制的方法来对驾驶员的意图和各个动力系统零部件进行信号采集和控制，如图 3-1 所示。其中整车控制器是整车控制的核心，负责协调各个控制器来驱动整车，并且具有如下的系统硬件（含独立运行的底层驱动程序）基本功能：,6.1 电动汽车整车控制器 系统需求分析图,6.1 电动汽车整车控制器,1. 整车各控制器（HCU整车控制单元、BPCM电池控制器、DMCM电机控制器、EMS发动机管理系统）的唤醒； 2. 上电初始化：HCU 自检，HCU 初始化，仪表灯，高压接通； 3. 驾驶员

2、指令与传感器信号处理； 4. 停车维护充电控制； 5. 驱动力控制、车辆运行工况（起步、加速、巡航、减速、驻车、停车、倒车） 控制； 6. 最高车速限制； 7. 对 EMS、DMCM、DCDC、BPCM 发出控制指令；,6.1 电动汽车整车控制器,8. 发动机启动模式控制； 9. 指令控制 ADM； 10. 接收 BPCM 的有关动力蓄电池组状态信号（电流、电压、温度等）； 11. 接收 DMCM 的有关电机、逆变器总成的运行参数和状态信息； 12. 硬件故障自诊断与处理； 13. 硬件失效控制； 14. 开机和停机过程控制、干扰和复位处理； 15. 将有关信息送至仪表板； 16. CAN 通

3、讯方式； 17. 监测和标定； 18. 与故障诊断仪的通信；,6.2 整车控制器硬件开发技术要点,了实现上述整车控制器 HCU 的功能，必须依赖系统硬件的设计。因此，HCU 硬件开发过程中需首先考虑的事项有： 1) 开发系统支持的编程语言； 2) 开发系统使用的开发平台； 3) 开发系统的功能； 4) 友好的集成开发环境； 5) 确定控制单元输入/输出管脚的数量和性质； 6) 选择各种芯片和元器件，应特别慎重地选择控制单元的 CPU 芯片。 硬件系统的搭建，包括以下内容： A. 辅助电路设计 B. I/O 电路的设计、调试和标定 C. 通讯电路的设计和调试 D. CPU 电控单元的设计和调试

4、E. 底层汇编程序的编制和调试,6.3整车控制器单片机系统,为了实现 CAN 总线通讯和为 HCU 系统留足够的富裕扩展能力，在原有工作基 础上，重新对目前在汽车电子产品上的 ECU 进行了评估。 目前，世界汽车电子产品用的主流单片机有 Motorola 系列、siemens 系列、Philips 系列，其中美国产品大多采用了 Motorola 系列单片机。 飞思卡尔半导体(Freescale Semiconductor，原摩托罗拉半导体部)是全球领 先的半导体供应商，主要为汽车、网络、无线通信、工业控制和消费电子市场设计 制造嵌入式半导体。飞思卡尔是众多市场领域中的领导者，2004 市场主导

5、地位：第 一大汽车半导体制造商（Gartner），第一大通信处理器制造商（Gartner），第二大通 用微控制器制造商（Gartner）。,实例：Freescale16 位单片机 MC9S12DP512原理图,6.4 主要模块电路,1 输入信号处理 输入信号可分为两种类型：数字信号（包括开关信号和脉冲信号）和模拟信号 CPU 的输入输出图,6.4 主要模块电路,所有开关输入信号都必须经调理电路处理，以保证 CPU 的安全。调理电路的 容余度比较大，不论是 12V/24V 电源直接拉高的信号，还是标准的 5V 拉高的信号， 都能直接识别，并且都具有很好的抗干扰能力，基本满足车用的 EMC 测试要

6、求。 同样模拟输入信号也必须经二阶有源低通滤波器等调理电路处理，0-16V 之间 的输入信号均能自动转换为 0-5V 的 AD 信号，并且能充分地利用 A/D 的量程特性。 其中，油门信号、刹车制动信号等都是非常重要的信号，硬件设计中同时采集它们 的二路互补信号，并由底层处理程序来确认其可靠性21。 脉冲信号主要是检测整车车速和发动机转速。,6.4 主要模块电路,2 控制输出电路 在 HCU 中 CAN 总线承担了主要数据和命令的交换任务，控制输出电路中设计 若干开关量输出信号，来满足整车上下电和 CAN 通讯发生某种故障时采取应急处 理的需求。开关量输出基本上都采用 OC 门电路，具备线控功

7、能，并且都设置了自 拉高电路，以实现硬件电路的自诊断。拉高电压可以是 12V 电源电压，也可以是标 准的 5V 拉高电压。拉高过程都具有很好的抗干扰度，满足常规的 EMC 测试。,6.4 主要模块电路,3 电源模块 电源电路是车载控制器设计中比较困难的设计之一，也是影响能否通过电磁兼 容测试的关键部件。为使混合动力 HCU 具有较好的适应性、通用性，我们采用了 两级电源控制，第一级采用开关电源模块，以保证电源的供电电压在 832VDC 的 范围内都有一致的输出电压，从而使第二级低压差电源能够有一个非常稳定的输出 电压2。这样既保证了控制器的工作稳定性和抗干扰性，又能在低功耗的前提下， 具有很宽

8、的电压输入,6.4 主要模块电路,4 上下电和安全保护模块21 HCU还承担着整车低压电源的控制，如果钥匙不在起动或关闭状态并且低压电 源超过8V，则接通低压电源，整车所有控制器上电。 车辆运行过程中通过ADM实时监控高压电路的电气状态、通断状态及高压电路 的接通过程，在发现异常状况后能立即通过状态线输出相应的动作。 点火开关断电后，底层程序应能继续执行，以便停车充电或保存数据、系统设 置和故障代码等有用信息。只有满足适当的条件时，才能通过软件使 POW_CTRL1 切断所有的低压供电电源。 硬件上外加一个主电源继电器控制电路。充电唤醒、点火开关、POW_CTRL1 中任何一个信号有效时都能使

9、外部继电器闭合，从而给各控制器供电。显然，由软件控制的 POW_CTRL1 能够使控制系统实现延迟断电。,6.4 主要模块电路,6.5,在各类电动汽车中，无论动力系统配置采用并联、串联、还是混联，在分层控制的概念构架下，其控制的流程都没有明显的差别。在广泛采用先进的 CAN 等通讯技术的动力系统中，整车控制器的差异性已经越来越小，因此我们在 HCU 的硬件设计时，充分考虑了其系统动态配置的裕度，以便适应多种车辆的整车控制需求，也就是说，只要换用不同的底层控制与驱动，就可以适合不同的需求。同时，系统中各个控制输入和输出都可以做不同的可编程设定，来满足整车控制的实际需求。,在电路的可靠性设计中，首

10、先考虑了 EMC 要求；其次进行了热稳定性能测试， 在夏季高温条件下，能无故障连续工作；此外，特殊的看门狗电路设计，不但可使 CPU 出现故障时快速复位，恢复整车的工作状态，而且还可以在 CPU 等电路烧损 时，通过硬件电路将油门信号直接送到发动机控制器，确保车辆的正常行驶。,6.6 PCB 设计,PCB 设计 根据功能分析绘制电路原理图，需要建立元件库中不存在的元器件模型，并根 据价格、性能和市场行情确定选用的芯片封装，建立库中没有的元器件封装，建立 最小系统。由原理图生成 PCB 其中最主要的两环是元器件在印刷电路板上的位置布 局和布线。PCB 的设计是一个长时间的过程，它的可靠性至关重要

11、，需要综合考虑 线径、芯片性能、电磁兼容、电磁干扰等众多方面。,6.6 整车控制器PCB板示例,6.7 整车控制系统的抗干扰设计,系统的可靠性是由多种因素决定的，其中系统的抗干扰性能是系统可靠性的重 要指标。特别是对于本系统，如果抗干扰性处理不好，将会引起诸多不良后果。例 如会使所测数据精度不够，会使数据值不稳定，会使系统电压偏移，不能正常工作， 会使系统软件无法运行等等，严重的还会损坏元件。 通过对实际工作中电磁干扰的干扰源、干扰传播途径和被干扰对象的响应等电 磁干扰三要素的分析，见下图 ，根据 HCU 的工作特点，在控制干扰的策略上采取 了主动预防、整体规划和“对抗”与“疏导”相结合的技术

12、方案。采用传统抑制干 扰的技术和简单而巧妙的“回避与疏导”技术处理，并把电磁兼容性设计和可靠性 设计、维修性设计与产品的基本功能结构设计同时进行，并行开展，以此降低了成 本费用和节省了开发时间。,6.7 整车控制器系统的抗干扰设计,6.7.1HCU的主要干扰源,一般，干扰进入系统主要有三种途径：一是空间干扰场干扰，通过电磁波辐 射窜入系统；二是过程通道干扰，这类干扰通过与主机相连的前向通道、后向通道 及与主机的其它相互通道进入系统；三是供电系统干扰，见图 3-7 所示。一般情况 下，空间干扰在强度上远小于其他两个渠道窜入的干扰，而且空间干扰可用良好的 屏蔽与正确地接地，高频波加以解决，故重点防

13、止供电系统与过程通道的干扰。,6.7.1HCU的主要干扰源,6.7.2 硬件电路抗干扰措施,硬件电路的抗干扰措施，主要是指在原理设计过程中的所采取的抗干扰措施和 在设计电路板的时候所采取的抗干扰措施。本课题共介绍了8 种解决电磁干扰的对策，从电路原理设计、系统集成、元器件筛选与匹配、PCB 设计与制作、系统 热干扰设计等方面综合考虑，制作的 HCU 在振动测试环境、充放电机试验环境下 工作正常，曾在电磁干扰源足以引起台式 PC 计算机工作失常的条件下 HCU 依然工 作正常。,6.7.2 硬件电路抗干扰措施,接地 微机系统中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地和模拟地等，在微机实时控

14、制系统中，接地是抑制干扰的重要方法，如能将接地和屏蔽正确结合起 来使用是可以解决大部分干扰问题。单点接地与多点接地选择。通常在低频电路中，信号的工作频率小于 1 MHz 时，它的布线和元器件的电感影响较小，而接地电路形成的环流对于干扰影响较大，因而屏蔽线采用一点接地。采用了嵌入式单片机后，我们考虑到信号频率都比较低，我们采用了一点接地的方式。 数字、模拟电路分开，电路板上即有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连，要尽量加大线性电路的接地面积。 接地线应尽量加粗，若接地用线条很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使微机的定时信号电平不稳，抗噪声

15、性能变坏。因此应将接地线条加粗，使它能通过三倍于印刷电路板上的允许电流。 接地线构成闭环路，只用数字电路组成的印刷电路板接地时，根据经验，将接地回路做成闭环路能明显提高抗噪声能力。,6.7.2 硬件电路抗干扰措施,电源线布置 电源线的布置除了要根据电流的大小，尽量加粗导体宽度外，采取使电源线、 地线走向与数据传递的方向一致，将有助于增强抗噪声能力。 去藕电容配置 在印刷电路板的各个关键部件配置去藕电容应视为印刷电路板设计的一项常规 做法，电源输入端跨接 10100 F 的电解电容器。原则上每个集成电路芯片都尽可 能安置一个 0.01 F 的陶瓷电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在 500 KH

16、z 20 MHz 范围内阻抗小于 1，而且漏电流很小。 电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线。 在器件布置方面，与其它逻辑电路一样，把相互有关的器件尽量放得靠近些， 能获得较好的抗噪声效果，如时钟发生器、晶振和 CPU 的时钟输入端都易产生噪声， 要相互靠近些。 单片机复位端子“RESET”在强干扰现场会出现尖峰电压干扰，可能会改变部 分寄存器状态，因此可以在“RESET”端配置 0.01 F 去藕电容。 CMOS 芯片的输入阻抗很高，易受感应，故在使用时，对其不用端接地或接电 源正。,6.7.3 软件抗干扰设计,微机应用系统在工业现场使用时，大量的干扰源虽不能造成硬件系统的损坏，

17、但常常使微机不能正常工作，致使控制失灵，造成重大事故，微机系统的抗干扰不 可能完全依靠硬件解决，因此，软件抗干扰问题的研究愈来愈引起人们的重视。 干扰对测控系统造成的后果 数据采集误差加大：干扰侵入微机系统的前向通道，叠加在信号上，致使数据 采集误差加大，特别是前向通道的传感器接口是小电压信号输入时，此现象更加严 重。 控制状态失灵：一般控制状态的输出多半是通过微机系统的后向通道，由于控 制信号输出较大，不是直接受到干扰。但是，在微机控制系统中，控制系统输出常 常是依据某些条件状态的输入和条件状态的逻辑处理结果。在这些环节中，由于干 扰的侵入，都会造成条件状态偏差、失误，致使输出控制误差加大，

18、甚至控制失常。,6.7.3 软件抗干扰设计,数据接收端变化：单片机系统中，由于 RAM 是可以读写的，因此，就有可能 在干扰的侵害下，RAM 中数据发生窜改。在单片机系统中，程序及表格、常数皆 存放在 Flash 中，虽然避免了程序指令及表格、常数受干扰破坏，但片内 RAM 以及 片内各种特殊功能寄存器等状态都有可能受外来干扰而变化。根据干扰窜入通道， 受干扰的数据性质不同，系统所损坏的状态不同，有的造成数值误差，有的使控制 失灵，有的改变程序状态，有的改变某些部件的工作状态。 程序运行失常：在微机受到强干扰后，造成程序计数器 PC 值的改变，破坏了 程序的正常运行。而 PC 值被干扰后的数据

19、是随机的，因此引起程序混乱，在 PC 值 的错误引导下，程序将执行一系列毫无意义的指令，最后常常进入一个“死循环” 中，使输出严重混乱或系统失去控制。,6.7.3 软件抗干扰设计,软件抗干扰的前提条件： 采用软件抗干扰的最根本的前提条件是：系统中抗干扰软件不会因为干扰而损坏，在单片机应用系统中，由于程序及一些重要常数都存储在 ROM 中，这就为软件抗干扰创造了良好的前提条件。因此，软件抗干扰的设置前提条件概括为：（1）在干扰作用下，微机系统硬件部分不会受到任何损坏，或易损坏部分设置有监测状态可供查询。（2）程序区不会受干扰侵害。（3）RAM 区中的重要数据不被破坏， 或虽被破坏但可以重新建立。

20、通过重新建立的数据，系统的重新运行不会出现不可允许的状态。,6.7.3 软件抗干扰设计,数据采集误差的软件对策： 对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，在硬件措施上常采取有源或无源 RLC 网络，构成模拟滤波器对信号实现频率滤波。同样，运用 CPU的运算、控制功能也可以实现频率滤波，完成模拟滤波器类似的功能，这就是数字滤波。在一般数据采集系统中，人们常采用一些简单的数值、逻辑运算处理来达到滤波的效果。主要有以下几种：（1）算术平均值法。对一点数据连续采样多次，计算其平均值，以其平均值作为该点采样结果。这种方法可以减少系统的随机干扰对采集结果的影响。（2）比较舍取法。当控制系统测

21、量结果的个别数据存在偏差时， 为了剔除个别错误数据，可采用比较舍取法，就对每个采用点连续采样多次，根据所采数据的变化规律，确定舍取办法来剔除偏差数据。（3）中值法。根据干扰造成采样数据偏大或偏小的情况，对一个采用点连续采集多个信号，并对这些采样值进 行比较，取中值作为该点的采样结果。（4）一阶递推数字滤波法。这种方法是利用软件完成 RC 低通滤波的算法，实现软件方法代替硬件 RC 滤波器。,6.7.3 软件抗干扰设计,控制状态失常的软件对策 在形状量控制系统中，如果干扰进入系统，会影响各种控制条件，造成控制输出失误，或直接影响输出信号造成控制失误。为了确保系统安全可以采取下述措施： (1) 软

22、件冗余。对于条件控制系统，对控制条件的一次采样、处理控制输出改为循环地采样，处理控制输出。这种方法对于惯性较大的控制系统具有良好的抗偶然因 素干扰作用89。(2)充分利用 MC9S12DP512 单片机的输出状态寄存单元，当干扰侵入输出通道成输出状态破坏时，系统能及时查询寄存单元的输出状态信息，及时纠正输出状态。(3)设置自检程序。在计算机内的特定部位或某些内存单元设状态标志， 在开机后，运行中不断循环测试，以保证系统中信息存储、传输、运算的高可行性,6.7.3 软件抗干扰设计,系统受到干扰侵害，致使 PC 值改变，造成程序运行失常，导致：(1)程序飞出。PC 值指向操作数，将操作数作为指令码

23、执行；PC 值超出应用程序区，将非程序区中的随机数作为指纹码运行，不管何种情况，都造成程序的盲目运行，最后偶然巧合进入死循环。(2)数据区及工作寄存器中的数据破坏。程序的盲目运行，随机数作为指令运行的结果不可避免地就会盲目执行一些寄存器读写命令而造成内部数据的破坏。 对于程序运行失常的软件对策主要是发现失常状态后及时导致系统恢复原始状态。主要可以采取以下策略：(1)设置监视跟踪定时器。使用定时中断来监视程序运行状态。定时器的定时时间稍大于主程序正常运行一个循环的时间，而在主程序运行过程中执行一次定时器时间常数刷新操作，这样，只要程序正常运行，定时器不 会出现定时中断，而当程序失常，不能刷新定时

24、器时间常数而导致定时中断，利用定时中断服务程序将系统复位。(2)设置软件陷阱。当 PC 失控，造成程序“乱发”而不断进入非程序区，只要在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强使程序进入初始状态。,6.8 整车控制器软件设计,软件抗干扰设计整车控制器软件由上层控制策略和底层驱动程序组成，用 C 语言在 CodeWarriorV4.5 环境下编写。上层控制策略主要负责根据车辆状态和驾驶员意图实 时控制能量流向和分配比例；下层软件主要负责单片机初始化设置、CAN 总线信号 的实时收发和其他输入、输出信号的实时处理与诊断。底层与上层的接口通过若干 变量来实现。,6.8 整车控制器软件设计,6.8

25、 .1 整车控制器软件设计,CAN 通讯 CAN 通讯主要包括以下部分： CAN 定时发送程序：判定是否有空的发送缓冲区，没有则等待，然后选中空缓冲区，传送当前帧 ID、数据、数据长度和优先级信息，最后清除此缓冲区标志位。 CAN 接收中断程序：根据帧 ID 判定是否是该控制器需要接收的帧，如果是则存放到对应的接收缓冲区。 发送数据编码和接收数据译码：为了控制传送数据的精度和提高 CAN 通讯速率，需要对传送的数据进行编码或拆拼，有的变量占用多个字节，有的变量则定义为组合字节,6.9 控制策略设计,控制策略的主要任务是控制混合动力系统在不同工作模式间平稳切换并使系统的总体能量转换效率达到最高。

26、,6.9 控制策略设计,控制策略简介 本课程将针对 MR479QA 并联混合动力轿车各个部件的具体情况，考察三种不同的控制策略：电动助力控制策略、实时控制策略、模糊控制策略在特定的循环工况中对于车辆的燃油经济性的影响。在不同的控制策略中，要求电池组的电量在经过特定的循环后仍然保持原来的状态，同时电池 SOC 的工作范围通常限定在 0.4 到 0.8之间，一方面是为了获得较高的效率，另一方面是为了延长电池的使用寿命。,6.9 控制策略设计 电动助力控制策略中发动机的状态,6.9 控制策略设计,电动助力控制策略 MR479QA 并联混合动力轿车所选用的电机是额定功率为 15kW，最大功率为 45k

27、W 的永磁式电动机。当按照混合动力功能的不同对混合动力车进行分类时， MR479QA 隶属于电动助力型混合动力车。电动助力控制策略的出发点是尽量使发动 机在效率较高的区域内工作，并使电池电量维持在对电池效率和寿命有利的范围内。 根据电池的内阻特性，电池 SOC 的工作范围限定在 0.4 到 0.8 之间，但是为了满足 在某些特殊情况下的排放要求，允许在电池的 SOC 小于 SOClo 的情况下通过手动的 手段强制使发动机关闭而由电池放电，电机驱动车辆进行工作。因此在以下的叙述 中将对电池的 SOC 分两种情况进行讨论。,6.9 控制策略设计,图 4-2 所示为电池处于不同的 SOC 状态，在电

28、动助力控制策略的作用下，与车 速相关的发动机的工作状态。电动助力控制策略的要点具体可以表述为： （1）当电池的 SOC 大于 SOClo 且车速低于设定的某一最小车速时，由电机提供 全部驱动力，发动机关闭。最小车速被定义为电池的 SOC 的函数，以保持电池电量 的平衡； （2）当电池的 SOC 大于 SOClo 且车速高于设定的最小车速时，如果所需扭矩小 于 Toff(n)时，则由电机提供全部驱动力，发动机关闭。其中 Toff(n)与发动机转速存 在着一一对应关系。一般情况下，设定 Toff(n)与 Tmax(n)存在着简单的比例关系，这 里将 Toff(n)与 Tmax(n)的比值定义为 o

29、ff_trq_frac。,6.9 控制策略设计,（3）当电池的 SOC 大于 SOClo 同时车速高于设定的最小车速，如果所需扭矩不 小于 Toff(n)时，则发动机工作，同时在电池允许的情况下，通过对电池的充电提升 发动机负荷使发动机尽可能在经济区域内工作。用来对电池充电的扭矩的大小主要 取决于电池的 SOC、目前发动机工作在经济区域时所提供的扭矩与所需的扭矩的差 值、电池所能承受的最大充电电流等。目的是一方面要保证在车辆行驶过程中电池 的 SOC 的平衡，另一方面尽可能的提高整个系统的工作效率。下面将具体给出一种 充电扭矩的算法：,其中 charge_trq 为一固定值，通常定义其与 Tm

30、ax(n)的最小值存在着一定的比例关系，例如 charge_trq=0.2min(Tmax(n),6.9 控制策略设计,（4）当电池的 SOC 小于 SOClo 时，由发动机工作，同时对电池进行充电。当按照给定的算法计算出对电池充电扭矩与所需扭矩之和小于 Tmin(n)时，发动机以Tmin(n)工作。与 Toff(n)相同，Tmin(n)与发动机转速存在着一一对应关系。一般情况下，设定 Tmin(n)与 Tmax(n)存在着简单的比例关系，将 Tmin(n)与 Tmax(n)的比值定义为 min_trq_frac。同时，Tmin(n)应该大于 Toff(n)，以保证发动机工作在高效率区。以上所

31、讨论的情况都是基于行驶时所需要的扭矩小于发动机在给定的转速所能提供的最大扭矩的假设下。当车辆急加速或者上坡时，车辆所需要的扭矩大于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时，由电机提供扭矩助力，这样就提高了车辆的动力性。当减速时，电机可以部分回收制动能并对电池进行充电，回收的制动能储存在电池中。,6.9 控制策略设计,2. 实时控制策略 在电动助力控制策略中，基本上只考虑了发动机的效率，尽量保证发动机在效率较高的区域内工作。要保证发动机在效率高的区域内工作，就必然利用电机对电池进行充电。在这种状况下，发动机工作时虽然具备了较高的效率，但是由于在机械能转换成电能，以化学能的形式储存在电池组中，将来再

32、将电池组储存的化学能转换成电能、机械能的过程中，不可避免的存在着能量损失，综合考虑整个转换过程中的能量损失，在电动助力控制策略中，虽然发动机以较高的效率工作，但是整个车辆系统的效率未必是最高的。例如，当汽车在低负荷行驶时，若由发动机直接驱动，不对电池充电，其发动机工作的效率1 可能较低；这个时候如果让发动机对 电池进行充电，得到了一个较高的发动机工作效率2，在电动助力控制策略中，基本上是基于这一条件，在电池电量允许的情况下，由发动机对电池进行充电。但是如果考虑到电动机的效率m 以及电池的充放电效率c，发动机对电池充电工作模式的总的工作效率为： 2*a+2*m*c*(1a)（4-3）,6.9 控

33、制策略设计,其中 a 为直接驱动车辆行驶的发动机扭矩占发动机对电池充电工作模式中发动机所输出的全部扭矩的百分比。如果m，c 比较小时，发动机对电池充电工作模式的总的工作效率可能反而小于发动机直接工作时的效率1。这个时候发动机直接工作反而具有更好的经济性，因此，为了获得更好的燃油经济性，在并联混合动力车的控制策略中应该同时考虑电机和电池的效率。 实时控制策略就是在已知各个部件的特性的基础上，在任一时刻，通过实时比较各个工作模式的整体效率来决定各个部件的工作状态，以使在整个系统的能量流动过程中能量损失最小。,6.9 控制策略设计,在已知各个部件特性的情况下，为了考察电池的充放电效率c，在实时控制策

34、略中的一个重要参数就是电池中储存的能量的比油耗，这里称其为能量当量。实时控制策略的要求就是在需要选择的情况下，比较发动机的燃油消耗率和电池的能量当量，选择经济性较好的部件以实现整个系统的效率最高。电池中的能量主要来自两个部分，一部分是由发动机通过电机对电池的充电，另一部分来自回收的制动能 量。能量当量根据车辆的运行情况不同而变化。为了使电池的电量维持在要求的区域内，能量当量还应是电池的 SOC 的函数,6.9 控制策略设计,因此实时控制策略具体可以表述为： （1）当车速低于某一最小车速时，由电机提供全部驱动力； （2）当车速大于最小车速，并且行驶需要扭矩小于电机的最大扭矩时，根据发动机的燃油消

35、耗率和电池的能量当量来决定工作的动力源； （3）当行驶需要扭矩大于电机的最大扭矩，并且小于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时，由发动机独自提供全部驱动力。发动机是否驱动电机对电池充电，取决于电池的 SOC 以及此时电池，电机的效率。在这种情况下，也可以利用能量当量的概念加以判断。即将发动机用来充电的那部分能量计算出其中的有用能量，然后给出发动机给电池充电状态下的等量的燃 油消耗率，与发动机不对电池进行充电时的燃油消耗率加以比较，选择燃油消耗率较小的工作模式。 （4）当行驶需要扭矩大于发动机在给定转速下所能产生的最大扭矩时，由电机提供扭矩助力； （5）减速时，根据减速请求，部分回收制动能量。

36、,6.9 控制策略设计,模糊逻辑控制策略 在实时控制策略中，对实验数据的准确性和全面性要求是很高的，而这在实际中是比较难以达到的；而且各个部件在使用中由于受老化，动态特性等因素的影响， 其特性必然是随着时间的推移而变化的。在这种情况下，实时控制策略就不能达到预期的要求，影响车辆的燃油经济性。为了获得比较稳定的控制结果，这里考虑应用模糊逻辑控制。,6.9 控制策略设计 模糊逻辑控制,模糊逻辑是上世纪末发展起来的一门新兴学科，在短短二、三十年里即得到广泛的应用。国外的研究表明，模糊逻辑控制非常适合混合动力汽车的控制。模糊控制可以利用语言变量方便的表达一些难以精确定量的规则，同时可以方便的实现不同的

37、影响因素的折中。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非线性计算机数字控制技术。模糊控制属于智能非线性控制。一般来说，模糊逻辑适合表示具有连续物理现象的过程，其过程涉及的现象不易离散化，而过程本身又难以构造数学模型，或者计算太复杂以至计算不能快到满足实时工作的要求。模糊控制系统是一种自动控制系统,它以模糊数学, 模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有反馈的闭环结构的数字控制系统。模糊控制系统包括：模糊控制器，输入/输出接口装置，广义对象(包括被控对象及执行机构)及传感器。 模糊控制器在自动控制系统中具有举足轻重的作用，因此

38、在模糊控制系统中，设计和调整模糊控制器的工作是很重要的。,6.9 控制策略设计 模糊逻辑控制,模糊控制器的设计包括以下几项重要内容： （1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量(即控制量)。 （2）设计模糊控制器的控制规则。 （3）确立模糊化和非模糊化的方法。 （4）选择模糊控制器的输入变量及输出变量的论域并确定模糊控制器的参数。 （5）编制模糊控制算法的应用程序。 （6）合理选择模糊控制算法的采样时间。,6.9 控制策略设计 模糊逻辑控制,模糊控制具有如下的优点： （1）控制灵活，基本上任何控制都可以通过模糊控制来实现。 （2）模糊控制完全是在操作人员控制经验基础上实现对系统的控制，无需建立数

39、学模型，是解决不确定性系统的一种有效途径。 （3）模糊控制具有较强的鲁棒性，被控对象参数的变化对模糊控制的影响不明显，可用于非线性、时变、时滞系统的控制。 （4）控制的机理符合人们对过程控制作用的直观描述和思维逻辑，为智能控制应用打下了基础。 模糊逻辑控制策略的出发点是通过综合考虑发动机，电机和电池的工作效率来实现混合动力系统的整体效率最高。模糊逻辑控制策略的目标与实时控制策略比较相像，但是与实时控制策略相比，模糊逻辑控制策略具有鲁棒性好的优点。,6.9 控制策略设计 模糊逻辑控制,模糊控制器的输入为电池的 SOC，来自于变速器的请求扭矩以及请求转速，输出为电机的扭矩。 部分主要控制规则具体可

40、以表述为： （1）如果 SOC 为高，则电机的充电扭矩为零； （2）如果 SOC 为正常，请求扭矩为低，则电机的充电扭矩为零；请求扭矩为正常，电机转速为低则电机的充电扭矩为中，电机转速为高则电机的充电扭矩为高；请求扭矩为高，则电机的充电扭矩为低。 （3）如果 SOC 为低，发动机的请求扭矩非高则电机的充电扭矩为高，发动机的请求扭矩为高时则电机的充电扭矩为低。 为了防止发动机在低负荷时工作，在模糊逻辑控制器后另外加了一个限制条件，那就是当发动机的输出扭矩小于某一特定的扭矩时，发动机关机，由电动机来满足请求扭矩，同时还保证发动机的输出扭矩小于发动机的最大扭矩。,6.9 控制策略设计 SOC 扭矩平

41、衡式控制策略,4. SOC 扭矩平衡式控制策略(Electric Assist Control Strategy BAL) 这种控制策略的思想是根据电池 SOC 的状态以及需求的扭矩之间产生一个修正的扭矩，使电池的 SOC 状态维持在制定的最高状态和最低状态的中间，同时保证发动机的工作点维持在高效范围内。它的基本思想和电气辅助控制策略的基本思想大致相同，不同之处在于控制发动机实际发出多少转矩，电辅助控制策略在需要发动机提供扭矩的基础上将发动机的扭矩再提高一些，来满足充电的需要，而 SOC 扭矩平衡式控制策略是根据现在的 SOC 状态和扭矩比来对发动机进行修正的。,6.10 需求转矩的计算,汽车

42、行驶时会产生空气阻力，滚动阻力，坡度阻力和加速阻力等，汽车要能够正常运动就必须克服以上阻力的合力。当阻力增加时，汽车的驱动力也要随之增加，与阻力达到一定范围内的平衡。需求转矩 Tt = Ft r ，其中 Ft 为驱动力-理论上等于阻力的合力，但实际发出的驱动力受到轮胎与路面之间的附着性能的限制，为车轮半径。汽车只有在综合条件的限制中与各个因素达到平衡，才能够顺利的运动起来。,6.10 需求转矩的计算,6.11控制策略实例,设计采用并联式的控制思想，研究不同控制策略的控制逻辑，以电辅助控制策略为主，融合模糊控制和 SOC 平衡控制的优点。由于实际控制系统比较复杂，采取了模块化编程方法：对混合动力

43、车辆在起步、加速、巡航、减速等不同运行模式下的能量流动进行分析，编写与之相应的控制策略及进入、退出条件；还有各驱动模型如：纯电动、发动机驱动、混合驱动、发电、制动能量回收的控制策略及其实现过程。同时考虑了汽车运动中可能出现的问题（如开空调、转向、打滑等），以及节能、环保和安全等诸多方面，编写了完整的控制策略。,6.11控制策略实例,6.11控制策略实例,根据发动机台架试验数据拟合发动机运行最佳转矩区间，在此基础上遵循整车需求转矩等于电机转矩（有正负，其中正数表示电机电动或助力；负数代表发电机为蓄电池充电）和发动机转矩之和的原则，既保证了发动机起停不过于频繁，又能使其工作在高效经济区。能量分配为控制中最重要的环节。轮毂电机在能量分配实现过程中起到了至关重要的作用：当整车需求转矩急剧增加时，发动机转矩不能很快上升，这时轮毂电机可以瞬时提供很高的峰值转矩满足驾驶需求。编程过程中通过设置时间步长与单位步长，控制发动机与电机转矩变化过程，避免发动机转矩变化过快造成负面影响。,6.12 工况特殊性及策略实现,工况特殊性方面充分考虑了汽车怠速