增程式电动汽车辅助动力单元控制系统的研究

1课程名称：汽车原理课程编号：__________________学生姓名：张学号：A0年级：2012级成绩：__________________教师签字：__________________2增程式电动汽车辅助动力单元控制系统的研究摘要：目的：随着汽车保有量的急剧增加，世界范围内的石油和环境危机越来越严重，各国政府对汽车的排放要求也越来越严格。为了突破汽车行业发展过程中的这一瓶颈，具有零污染零排放优势的电动汽车成为了一个新的研究方向。方法：本文首先对辅助动力单元工作原理和工作特性进行了论述分析，确定控制系统采用联合控制模式和基于蚁群神经网络的控制策略，并且完成了基于Matlab/Simulink的软件仿真，从理论上验证了本方案的有效性和可行性。结果：对增程式电动汽车关键器件进行分析选型，确定了整车动力总成的主要参数，并完成了基于16位单片机控制器的软硬件开发工作，并在随后的台架试验和路试试验中进行了不断地的改进和完善。关键词：增程式电动汽车；辅助动力单元；控制系统；软硬件设计TheResearchofAuxiliaryPowerUnitControlAbstract：objective：SystemforRangeExtendedElectricVehicleWiththerapidincreasingincarownershipofthewholeworld,petroleumandenvironmentalcrisesbecomemoreandmoreserious.Governmentsallovertheworldhaveperformedmorestringentcaremissionstandards.Inordertoalleviatethedrawbackscarriedoutbytraditionalvehicles,electriccarsbecomethefocusbecauseofitsadvantagesofzeroemissionandzeropollution.Method：Firstofall,thisthesisintroducesandanalysesoperationprincipleandcharacteristicsofAPU.Thecontrolsystemadoptscombinationcontrolmodeandbasedonantcolonyneuralnetworkcontrolstrategy,accordingtoaboveanalysis.Then,simulationexperimentswasstudiedbyusingofMatlab/Simulink.Theresultsshowedthevalidityandfeasibilityofthedesignedcontrolmodeandstrategyintheory.Result：thethesisstateshowtochoosethetypeofkeycomponentsforAPUcontrolsystem,broughtforwardthemajorparametersofpowertrain.Afterwards,theAPUcontrollerhasbeenaccomplishedbothinhaedwareandsoftwarebasedon16-bitmicrocontroller.Inaddition,furtherimprovementandperfectionhavealsobeenaccomplishedbasedonthesubsequentexperiment.Keywords：rangeextendedelectricvehicle,auxiliarypowerunit,controlsystem,hardware/softwaredesign31引言1.1增程式电动车研究背景进入21世纪以来，在新兴市场经济国家汽车产品旺盛需求的提振下，汽车产业得到快速复苏，汽车产销量也连年增加，2012年全球汽车保有量已经突破了十亿辆大关。如此庞大的汽车数量消耗了大量的石油资源，每年全球在汽车领域消耗的石油大概33.58亿桶。其中，我国汽车领域石油消耗量也占了全国石油消费总量的三分之一，这种状况如果得不到好转，不仅加速我国石油资源的枯竭，也给我国能源安全带来巨大的压力。与此同时，大量内燃机汽车排放的尾气造成了严重的环境污染，统计数据显示城市空气污染的百分之五十来自汽车。另外，汽车尾气排放的二氧化碳等温室气体是造成全球气候变暖的重要原因，据预测，到2025－2030年期间，我国汽车年消耗原油量将达到7.5亿吨，年排放二氧化碳量将在18.25亿吨到22.5亿吨，如果以上有关汽车消耗及排放的问题不加以解决，届时环境污染和能源危机的局面将变得极其严峻，严重制约着我国及世界经济的发展。为缓解资源环境约束，应对全球气候变化，新能源汽车作为传统内燃机汽车的替代产品受到了人们的广泛关注，尤其是纯电动汽车，由于其零排放零污染的优势能够很好解决能源与环境危机，成为了汽车产业发展的最终目标。1.2增程式电动汽车定义广义上增程式电动车是一种能够使用其他动力源来增加续驶里程的纯电动汽车，这类电动汽车往往具备两种以上的动力源，除了电池以外，另外一种或者几种动力源可以是大容量动力电池，太阳能电池，燃料电池，内燃机等。带有这种辅助动力源的纯电动汽车结构形式也多种多样：早期采用的结构是拖挂式，即一辆整车拖挂一个大容量动力电池包；也可以是插拔式，即在不使用辅助动力源的时候拆除，以减轻整车的重量；还有一种的集成式，即辅助动力源与整车集成到一起构成一个整体。和混合动力电动车相比，两者的相同点是均能够实现混合动力运行，并具备制动能量回收功能，有利于蓄电池组充电。而不同点是混合动力车采用了机械动力的混合结构，结构比较的复杂，蓄电池组能提供的能量很少，只能满足辅助驱动和刹车能量回收。增程式电动车4是由电机直驱的，没有机械动力的混合结构，结构简单；而且蓄电池组始终处于浅充放电状态，这极大的延长了蓄电池组的使用寿命；并且蓄电池组容量大，能尽可能的使汽车以纯电动的模式行驶，又因为具有外接充电方式，所以可以利用夜间用电低谷时充电；此外由于发动机一直处于高效经济区域内工作，所以增程式电动汽车的尾气排放量小、工作效率高。2总体方案设计2.1动力系统结构目前增程式电动汽车的辅助动力单元驱动系统的结构基本是采用串联式混合动力汽车动力系统的构架。主要是由发动机、发电机、动力蓄电池、电动机、发动机控制器ECU、发电机控制器GCU、APU控制器、电池控制器BMS、电机控制器MCU、整车控制器VMS和汽车传动系统等组成。2.2辅助动力单元控制系统工作原理2.2.1辅助动力单元工作模式增程式电动汽车中的辅助动力单元一共有3种工作模式，分别是混合驱动模式，行车充电模式和驻车充电模式。根据这3种工作模式，并结合辅助动力单元工作特性和排放性能，综合利弊后确定了以下功能：1．起动。起动发动机时应维持发动机怠速状态，这主要是为了充分的暖机，因为只有当冷却水的温度达到设定值，发动机才可发出相应的功率。2．恒速。发动机在充分暖机之后，迅速达到设定的目标转速，使得发动机在其经济区内恒速的稳定运行。油门开度的变化趋势与负载的变化趋势成正比，以保证发动机转速稳定，并达到低油耗和低排放的目标。3．停机。当蓄电池组的SOC超过上限值、发动机冷却液的温度过高或是行驶在要求零排放的地区时，发动机应先降至怠速状态，运行一段时间后，待各个工作部分温度下降至某限值后再关闭。4．报警。当运行异常或者是故障时，能够进行相应的提示或报警。2.2.2辅助动力单元控制要求实现低油耗和低排放是增程式电动汽车辅助动力单元控制系统研究的目标。控制策略的目的是在保证汽车动力性能、低排放量以及最佳燃油经济性的前提下，实现能量在辅助动力单元、驱动电机和蓄电池组之间的有效合理分配，最大化整车系统效率。因此确定控制模式时，应考虑以下方面：5（1）确定最优发动机工作区间；（2）尽量确保发动机的动态波动最小；（3）保持蓄电池组处于最优工作状态；（4）降低发动机的起动停止频率。3辅助动力单元控制系统软硬件设计3.1辅助动力单元控制系统硬件设计3.1.1控制系统硬件电路设计按照电流大小可将辅助动力电动汽车控制系统划分为两个子系统：功率驱动电路和控制电路。3.1.2辅助动力单元控制系统功率驱动电路辅助动力单元由柴油机、发电机和逆变电路三部分组成。63.1.3辅助动力单元控制系统硬件电路可靠性设计辅助动力单元控制系统的工作环境十分恶劣，为了保证控制系统能够安全可靠的正常工作，必须采用抗干扰技术。1抗干扰由于辅助动力单元控制系统工作在强电磁场环境中，所以抑制外界干扰源显得尤为重要，例如强弱电信号之间应有效的屏蔽隔离，模拟地和数字数地要共地等。模拟信号采集模块中加入滤波电路可削减所采信号频率之外的干扰。供电模块加入了旁路电容和去耦电容，可有效的滤除电路内部的相互干扰。2可靠性辅助动力单元控制系统使用车载+12V电源供电，该电源电压值一般都是不稳定的，大致波动范围在10V至14V之间，因此在供电电路中加入了保护电路，确保辅助动力单元控制系统能够承受一定的瞬时过电压。3.2辅助动力单元控制系统软件设计由于软件是辅助动力单元控制系统的控制对象属于强非线性系统，因此设计软件时，必须充分考虑系统资源配置、功能模块定义和时间分配。73.2.1辅助动力单元基本模块1.初始化模块初始化模块的功能是配置控制系统的初始状态，其主要包括：寄存器、存储单元的初始化，各个功能单元的初始工作模式，中断优先级的配置等。2系统启停控制模块辅助动力单元通过接收驾驶室的手动控制信号和SOC，来判断发动机的工作状态。当驾驶室人工启动信号或是SOC≤20%时，软件进入发动机起动控制子程序。子程序中允许连续启动发动机三次，每次启动的工作时间分别为3s，5s，7s，如果连续三次都未能成功启动发动机则产生相应的故障报警。3故障判断模块当AD采样转换结束后，即进入故障判断处理模块。一旦有相应的故障，则进行相应的故障报警，并将发动机控制在怠速运行状态。3.2.1辅助动力单元软件抗干扰措施1掉电保护为了保证当发生断电或电压下降时，控制系统能够自行恢复正常，应设置掉电保护，首先定义掉电中断为最高级别中断，当硬件电路检测到掉电信号后，将中断信号送至到XC164CS的外部中断输入端口。在保护子程序中，首先将各个参数、结果和正在使用的寄存器的内容，从外部RAM调入至单片机的内部RAM。其次关闭工作状态的外设。最后在片内RAM中写入掉电标志。2程序失常措施当系统失常是主要有2种方法：（1）设置软件陷阱，当程序运行到非正常区间时，执行相应的强制跳转指令，使得程序重新回到入口处；（2）看门狗（WATCHDOG），工作原理是当程序正常运行时不断地将看门狗清零，所以看门狗始终不能触发，如果程序运行错误，规定的时间内看门狗没有被及时清零，则单片机系统被强制执行硬复位，这一过程不需人工干预。83主程序入口检查如果车辆运行是程序跑飞，程序无需从新开始运行的，仅需要从失控模块恢复。所以在程序入口之前先运行检查程序，判断系统是何种情况情况并采取相应的措施。4模块间设置标志法由于系统与整车之间是通过CAN总线通讯的，且为模块化设计，为了便于调试和监控，在各个功能模块的入口处及关键点均设有相应的标志位，并将标志位写入CAN报文中传送至总线上，这样便能直接判断程序运行状态。4辅助动力单元系统仿真PU系统为了有效地为整车提供辅助动力，首先需要对APU及其控制策略进行模拟仿真。在APU仿真系统中主要包括发动机控制器、发电机控制器、发动机模型、发电机模型、APU控制器等。（1）框图式建模。Simulink提供了一个图形化的建模环境，通过鼠标单击和拖动操作Simulink模块，用户可以在图形化的可视化环境中进行框图式建模。（2）支持非线性系统。（3）支持混合系统建模，即系统中包含连续采样时间和离散采样时间的系统