長安混合動力汽車核心控制器的開發(fā)

1．前言

汽車以其便利性極大地改變了人們的生活。隨著生活水平的提高、汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步以及汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車的擁有量急劇增加。由此產(chǎn)生的能源消耗、環(huán)境惡化等問題與當(dāng)今世界節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的大潮流相矛盾。如何在汽車工業(yè)的發(fā)展和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展中尋求平衡就成為了當(dāng)今汽車行業(yè)面臨的一大課題。混合動力汽車和純電動車就是在這種形勢下慢慢發(fā)展起來并壯大的。

整車控制器(HCU)作為整個混合動力系統(tǒng)的主控制器，承擔(dān)了整個系統(tǒng)的能量分配、扭矩管理、錯誤診斷等功能。而動力電池作為混合動力汽車和純電動車的主要部件之一，它的管理與控制也是混合動力汽車開發(fā)過程中的一項特別關(guān)鍵技術(shù)。

2．整車控制器的開發(fā)

2.1整車控制器(HCU)開發(fā)模式

長安混合動力整車控制器(HCU)的開發(fā)采用V型開發(fā)模式。主要可以分為如下幾個階段：

2.1.1．功能開發(fā)階段功能

開發(fā)階段主要是用來驗證系統(tǒng)設(shè)計方案，在該階段利用matlabsimulink建立簡單的控制策略模型，結(jié)合整車模型、發(fā)動機(jī)模型、電機(jī)系統(tǒng)模型、電池系統(tǒng)模型．對整車的油耗、動力性進(jìn)行仿真。如果在該階段的仿真油耗、動力性沒有達(dá)到設(shè)計要求，就必須修改系統(tǒng)設(shè)計方案，在油耗、動力性等達(dá)到目標(biāo)后，就進(jìn)入快速原型階段。

2.1.2．快速原型階段

快速原型階段的主要工作就是功能驗證。長安在開發(fā)過程中選擇Dspace公司的MicroAutobox作為HCU的硬件載體，利用RTI工具包在功能開發(fā)與建立的控制策略模型的基礎(chǔ)上加上適當(dāng)?shù)?strong>輸入輸出接口，然后通過Matlab自帶的real-time workshop將該模型轉(zhuǎn)換為C語言并且下載到MicroAutobox中。然后在HILI臺架上做測試，在邏輯測試完成后，就將Autobox安裝到車上，進(jìn)行功能測試。

從快速原型階段中期開始，我們便開始了硬件電路設(shè)計、實用軟件設(shè)計等。

2.1.3 自動代碼生成

該階段中，首先要做的是將快速原型階段的控制策略加上targetlink接口等，然后利用targetlink將模型轉(zhuǎn)換為能夠在目標(biāo)處理器上運(yùn)行的c語言代碼。

2.1.4 硬件在環(huán)仿真

硬件在環(huán)仿真(hardware in loop)階段主要是利用dspace公司提供的硬件在環(huán)平臺進(jìn)行半實物仿真，用以驗證HCU軟件的邏輯功能等。

2.1.5 實車驗證階段

在該階段，將通過HIL測試的軟件下載到HCU硬件中，然后再對HCU軟件的功能進(jìn)行較長時間的測試，軟件功能測試完成后，就進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配等。

2.2 HCU硬件電路設(shè)計

HCU硬件電路板選擇的是一款成熟的發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)產(chǎn)品，主控芯片為MC9S12XDP512。HCU硬件主要包含以下功能：

數(shù)字信號輸入輸出處理單元：主要用于處理數(shù)字信號的輸入輸出。

模擬信號輸入處理單元：主要用來處理整車中相關(guān)的溫度信號。

頻率信號輸入輸出處理單元：用來處理安全碰撞信號以及電池等相關(guān)部件散熱風(fēng)扇的控制。

CAN通信輸入輸出處理單元：主要用于處理整車各控制器之間的通信。

2.3 HCU軟件設(shè)計

HCU軟件中，采用了一個簡單的實時系統(tǒng)來管理各項任務(wù)。該實時系統(tǒng)屬于一個非搶占時系統(tǒng)，各任務(wù)定時執(zhí)行。

HCU軟件分為上層軟件、底層軟件、接口軟件三個部分。其中上層軟件由MATLAB＼SIMULINK建立的模型轉(zhuǎn)換而來，所有的控制策略全部由上層軟件實現(xiàn)。底層軟件主要用于信號的接收、發(fā)送、診斷，標(biāo)定協(xié)議功能也由底層軟件實現(xiàn)。接口層軟件的主要功能為信號的處理，對EEPROM、FLASH等的讀寫以及故障存儲等。底層軟件與接口層軟件之間的數(shù)據(jù)交換主要是依靠旗語來實現(xiàn)。

2.4 HCU主要功能

2.4.1 扭矩分配

該功能的主要作用是根據(jù)駕駛意圖分配整車中各動力部件的扭矩以及管理動力電池的剩余電量(SOC)。

2.4.2 故障檢測

該功能的主要作用是根據(jù)整車各部件通過CAN通信通報給HCU的以及HCU自身判斷的故障來判斷車輛所處的故障等級。

2.4.3下線檢測

該功能主要用于車輛下線過程中的自動檢測，對整車中各混合動力系統(tǒng)相關(guān)部件進(jìn)行詳細(xì)的檢查，確保下線車輛的質(zhì)量。

2.4.4 上下電流程處理

該功能的主要作用是協(xié)調(diào)各混合動力相關(guān)部件的上電與下點流程，包括電機(jī)管理系統(tǒng)(IPU)、電池管理系統(tǒng)(BCU)等部件的供電，預(yù)充電繼電器、主繼電器的吸合和斷開時間等。

3．電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

3.1電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路分9個模塊：MCU模塊、電源模塊、電流傳感器模塊、電壓傳感器模塊、CAN收發(fā)模塊、R232收發(fā)模塊、繼電器模塊、HANDSHAKE模塊、絕緣檢測模塊。(如圖1所示)

3.2電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)的軟件部分由8個任務(wù)組成，包括系統(tǒng)的初始化、采集處理任務(wù)、CAN發(fā)送任務(wù)、SOC的計算、溫度和電壓數(shù)據(jù)處理、功率估算、電池狀態(tài)監(jiān)控功能和串口發(fā)送。除初始化任務(wù)外，每個任務(wù)的執(zhí)行周期為10ms，其中，采集處理任務(wù)是最基本的任務(wù)，其優(yōu)先權(quán)最高。系統(tǒng)采用定時器中斷觸發(fā)方式實現(xiàn)了任務(wù)執(zhí)行的周期性。

定時器產(chǎn)生的中斷有下溢中斷和周期中斷兩種。周期中斷被用來觸發(fā)任務(wù)的執(zhí)行，中斷周期為10ms。在下溢中斷的服務(wù)程序中，包含有電壓采集通道的選擇和查詢方式的CAN接收過程，中斷周期為10ms。除了定時器中斷外，軟件中還設(shè)置了串口接收中斷，用來接收上位機(jī)發(fā)送的信息。

在軟件實現(xiàn)的任務(wù)中，初始化任務(wù)主要是對DSP中各個模塊的寄存器參數(shù)進(jìn)行配置，包括時鐘倍頻設(shè)置、定時器設(shè)置、CAN通信各個參數(shù)設(shè)置以及串口通信設(shè)置等。采集處理任務(wù)是對A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行處理，包括對電壓、電流和溫度采樣結(jié)果的處理。CAN發(fā)送任務(wù)是向整車報告電池的狀態(tài)信息，根據(jù)整車要求，各信息幀的發(fā)送周期不同。溫度和電壓數(shù)據(jù)處理任務(wù)中，根據(jù)采集值查表，計算其對應(yīng)溫度，并計算出模塊電壓的最大、最小值。SOC計算和電池組充放電功率的計算構(gòu)成對電池能量狀態(tài)的估算。串口發(fā)送任務(wù)則是向上位機(jī)的顯示界面發(fā)送信息，實現(xiàn)電池信息的實時顯示。電池狀態(tài)監(jiān)控功能包含有故障診斷和繼電器的控制功能。

4．結(jié)論

混合動力在國內(nèi)屬于新興技術(shù)，而長安的目標(biāo)是自主掌握關(guān)鍵核心技術(shù)并具有獨(dú)立開發(fā)能力。其中，很多技術(shù)都是從頭開始，在國內(nèi)沒有先例，還要建立一套逐漸完善的開發(fā)流程。但是長安選擇了迎難而上，充分利用與整合國內(nèi)外優(yōu)勢資源，組建了一支優(yōu)秀的開發(fā)團(tuán)隊，對核心技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。最終，長安取得了實質(zhì)性的成果，成功研發(fā)出了國內(nèi)具有先進(jìn)水平的混合動力汽車。