基于SAEJ1939的混合動(dòng)力客車(chē)ABS控制系統

摘要 研究了混合動(dòng)力客車(chē)的制動(dòng)過(guò)程和能量回收原理，提出在剎車(chē)防抱死系統(ABS)參與制動(dòng)時(shí)，混合動(dòng)力客車(chē)制動(dòng)控制策略和能量回收的實(shí)現。依據SAEJ1939通訊協(xié)議的具體內容，制定了ABS控制系統通訊的數據報文格式，實(shí)現了ABS控制器與整車(chē)控制器(HECU)之間的數據交流與共享。
關(guān)鍵詞 混合動(dòng)力客車(chē)；J1939通訊協(xié)議；ABS控制器；控制策略

開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)(Electric Vehicle，EV)是實(shí)現汽車(chē)能源多元化和零排放的最終選擇。由于車(chē)用動(dòng)力電池性能難以滿(mǎn)足使用要求，使其成為嚴重制約電動(dòng)汽車(chē)應用與發(fā)展的“瓶頸”。20世紀90年代后，世界許多汽車(chē)生產(chǎn)商把重點(diǎn)轉向了可實(shí)施性強的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的研究與開(kāi)發(fā)?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)(Hybrid-Electric Vehicle，HEV)是采用傳統的內燃機和電動(dòng)機作為動(dòng)力源，通過(guò)混合使用熱能和電力兩套系統，達到節省燃料和降低排氣污染的目的。此種混合動(dòng)力汽車(chē)與電動(dòng)汽車(chē)相比較，既能保持電動(dòng)汽車(chē)的超低排放的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮傳統內燃機持續時(shí)間長(cháng)、動(dòng)力性能好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用制動(dòng)時(shí)的能量回收，降低制動(dòng)能耗，提高續駛里程。
為提高混合動(dòng)力汽車(chē)燃油經(jīng)濟性和能量回收的利用率，并保證汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中行駛方向的穩定與安全性，將混合動(dòng)力車(chē)輛能量回收策略與防抱死剎乍系統(ABS)控制策略集成于一個(gè)控制器中，稱(chēng)為ABS控制器?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)采用兩個(gè)動(dòng)力源，機構復雜，車(chē)上大量采用電子裝置，如整車(chē)控制器(HECU)、ATM控制器、電機控制器、電池控制器、CAN儀表控制器、ABS控制器等。這些復雜的控制器需要檢測及不斷地交換大量數據，傳統的連接方式不但繁瑣、昂貴而且可靠性差、維護成本高，無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)輛通訊的要求。因此，用網(wǎng)絡(luò )連接各種電子系統以實(shí)現通訊是現代汽車(chē)發(fā)展的必然趨勢。在混合動(dòng)力汽車(chē)中，以J1939通訊協(xié)議為基礎，實(shí)現ABS控制器與其他控制器之間的通訊，以達到在車(chē)輛運行或制動(dòng)過(guò)程中回收能量且使車(chē)輛處于最佳的控制狀態(tài)。

1 混合動(dòng)力客車(chē)ABS控制系統
1．1 混合動(dòng)力汽車(chē)概況
混合動(dòng)力汽車(chē)(Hybrid-Electric Vchicle，HEV)一般是指使用蓄電池的電能和汽(柴)油兩種動(dòng)力源的車(chē)輛，在車(chē)輛的行駛過(guò)程中存在蓄電池電能和內燃機機械能能量分配和能量存儲的過(guò)程，而且一般有制動(dòng)能量回收的過(guò)程?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)根據運行工況合理利用內燃機和電機驅動(dòng)力驅動(dòng)汽車(chē)，使每個(gè)動(dòng)力源在分別發(fā)揮各自?xún)?yōu)點(diǎn)的同時(shí)，彌補另一個(gè)動(dòng)力源的不足。這樣二者互補工作，可使汽車(chē)的熱效率提高10％以
上，廢氣排放可改善30％以上。它既是燃油發(fā)動(dòng)機汽車(chē)向電動(dòng)汽車(chē)的一種過(guò)渡車(chē)型，也是一種相對獨立的車(chē)型。
整車(chē)控制器是混合動(dòng)力電動(dòng)客車(chē)的核心，它根據輸入信號，判斷混合動(dòng)力汽車(chē)的當前狀態(tài)，并經(jīng)過(guò)一定的控制邏輯和控制算法的判斷分析，確定向各個(gè)子系統發(fā)出當前控制信號的量值。由于在城市道路上，混合動(dòng)力汽車(chē)是頻繁在起步、行駛、加速、減速和怠速停車(chē)各個(gè)工況之間運行，因此通過(guò)整車(chē)控制器的任務(wù)分配，將發(fā)動(dòng)機和電機按一定的策略進(jìn)行能量分配，從而可以使發(fā)動(dòng)機盡量工作在高效區，減少汽車(chē)尾氣的排放。由于混合動(dòng)力汽車(chē)在啟動(dòng)時(shí)采用電機提供動(dòng)力，并在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機后以較高的怠速運轉，從而減少了發(fā)動(dòng)機在啟動(dòng)時(shí)的廢氣排放；在紅綠燈時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機，減少怠速空轉時(shí)間；在低于預定車(chē)速時(shí)，可以使用純電動(dòng)驅動(dòng)，避免發(fā)動(dòng)機在低轉速下工作。減速時(shí)，剎車(chē)裝置可以將剎車(chē)時(shí)的機械能轉化為電能，回收了部分能量，這些都提高了整車(chē)的燃料經(jīng)濟性，并且與同類(lèi)發(fā)動(dòng)機車(chē)型相比，也減低了排放。
1．2 混合動(dòng)力客車(chē)ABS控制策略
混合動(dòng)力汽車(chē)與傳統汽車(chē)相比，可以在制動(dòng)過(guò)程中將牽引電機作為發(fā)電機，依靠車(chē)輪的反相拖動(dòng)產(chǎn)生電能和車(chē)輪制動(dòng)力矩，從而在減緩車(chē)輛速度的同時(shí)將部分動(dòng)能轉化為電能，回收一部分車(chē)輛在傳統制動(dòng)過(guò)程中損失的能量，以備再利用。因此，制動(dòng)能量回收系統能夠改善HEV的能量回收利用率，有效減少車(chē)輛的排放并提高燃油經(jīng)濟性和車(chē)輛的形式里程。
ABS參與制動(dòng)過(guò)程的目的是為了增加混合動(dòng)力汽車(chē)的能量回收部分。與傳統汽車(chē)相比，混合動(dòng)力汽車(chē)的制動(dòng)需求與傳統汽車(chē)有所差異。在混合動(dòng)力汽車(chē)中，當駕駛員抬起油門(mén)踏板，則說(shuō)明駕駛員有制動(dòng)需求。若此時(shí)整車(chē)電子控制單元(HECU)判斷電池不需要充電，則不要求電機參與并提供任何制動(dòng)力矩與能量回收。在這種情況下，如果駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，整個(gè)制動(dòng)過(guò)程由剎車(chē)氣壓系統來(lái)實(shí)現。當車(chē)輛的減速度達到了ABS系統激活的門(mén)限值的時(shí)候，ABS系統被激活并獨立調節車(chē)輛的剎車(chē)過(guò)程。如果車(chē)輛的制動(dòng)強度比較弱而沒(méi)有達到ABS系統激活的條件時(shí)，則整車(chē)的制動(dòng)力矩維持原車(chē)的制動(dòng)力矩。上述制動(dòng)過(guò)程不參與能量回收。
若駕駛員抬起油門(mén)踏板且有制動(dòng)需求時(shí)，且此時(shí)整車(chē)電子控制單元(HECU)判斷電池處于虧電狀態(tài)或電池有充電需求，這時(shí)整車(chē)HECU給電機電子控制單元ECU發(fā)送信息，要求電機參與制動(dòng)過(guò)程，而此時(shí)電機提供的最大制動(dòng)扭矩為電機輸出扭矩的20％，即電機提供恒扭矩制動(dòng)。在這種情況下，駕駛員從抬起油門(mén)踏板到踩下制動(dòng)踏板的低強度制動(dòng)過(guò)程中，電機能獨立且充分回收能量。當駕駛員踩下制動(dòng)踏板的時(shí)候，若車(chē)輛的減速度門(mén)限值沒(méi)達到ABS系統激活的條件，而此時(shí)電機提供的制動(dòng)扭矩保持不變，同時(shí)原車(chē)的常規制動(dòng)系統也提供制動(dòng)力矩，整車(chē)剎車(chē)制動(dòng)力矩=電機制動(dòng)力矩+原車(chē)制動(dòng)力矩，在這種中強度的制動(dòng)情況下，電機可以充分回收能量。當駕駛員在踩下制動(dòng)踏板時(shí)，若車(chē)輛的減速度門(mén)限值達到ABS系統激活的條件，此時(shí)ABS系統被激活，且ABS控制單元給整車(chē)控制單元HECU發(fā)送信息，要求解除電機制動(dòng)。在此種高強度制動(dòng)情況下，車(chē)輛的制動(dòng)過(guò)程完全依據車(chē)輪當時(shí)所處的路面狀況進(jìn)行獨立的ABS調節，完成整個(gè)車(chē)輛制動(dòng)過(guò)程。上述過(guò)程可實(shí)現在剎車(chē)時(shí)車(chē)輛的穩定性、方向可控性和安全性，且有效地回收了能量。

2 SAE J1939協(xié)議
2．1 CAN總線(xiàn)內容
控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)是20世紀80年代初德國B(niǎo)OSH公司為解決現代汽車(chē)眾多控制單元、測試儀器之問(wèn)實(shí)時(shí)交換數據而開(kāi)發(fā)的一種串行通訊協(xié)議，經(jīng)多次修訂，于1991年9月形成技術(shù)規范2．0版本，該版本包括2．0A和2．0B兩部份。它是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò )，速率可達1Mbit·s-1。為規范通訊系統與各系統的兼容，1993年11月ISO頒發(fā)了道路交通工具數據信息交換高速通訊局域網(wǎng)(CAN)國際標準。美國的汽車(chē)工程學(xué)會(huì )SAE于2000年將CAN2．0B為基礎，提出J1939通訊協(xié)議，并成為貨車(chē)、客車(chē)、農業(yè)和建筑機械中控制器局域網(wǎng)的標準。
CAN遵從開(kāi)放系統互連OSI 7層參考模式，按照IEEE802．2和IEEE802．3標準，其通訊接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能。按照攜帶信息的數據類(lèi)型可分為4種幀格式：數據幀是網(wǎng)絡(luò )信息的主體，用于節點(diǎn)間數據傳遞。遠程幀由節點(diǎn)發(fā)送，以請求發(fā)送具有相同標識符的數據。出錯幀可由任何節點(diǎn)發(fā)送，以檢測總線(xiàn)錯誤。超載幀用于提供當前的和后續的數據幀和遠程幀之間的附加延時(shí)。數據幀由7個(gè)不同的位域組成：幀起始(SOF)、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)、循環(huán)冗余校驗場(chǎng)(CRC)、應答場(chǎng)(ACK)、結束幀(EOF)組成。CAN協(xié)議具有標準幀格式CAN 2．0A和擴展幀格式CAN2．0B，標準幀格式采用11位標識符而控制幀格式采用29位標識符格式。其數據幀格式如圖1所示。由于CAN總線(xiàn)是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)，它具有較高的網(wǎng)絡(luò )安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)單實(shí)用、網(wǎng)絡(luò )成本低，因此適用于汽車(chē)計算機控制系統和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動(dòng)大的工作環(huán)境。

2．2 SAE J1939通訊協(xié)議
J1939是一種支持閉環(huán)控制的在多個(gè)ECU之間高速通行的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，是由美國汽車(chē)工程協(xié)會(huì )為車(chē)輛定義的工業(yè)標準，主要用于載貨車(chē)和客車(chē)上。其目的是為電子系統提供一個(gè)開(kāi)放系統，使得各設備之間的相互通訊有一個(gè)標準體系結構。J1939協(xié)議是以CAN2．0B規范為基礎制定的，它利用CAN標準的29位識別位制定出J1939協(xié)議的編碼系統，并形成了J1939的通訊協(xié)議，實(shí)現了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò )定義。J1939是參照ISO開(kāi)放式數據互連模型定義的7層基準參考模型而定制的，是一種高級的CAN協(xié)議標準，它對汽車(chē)內部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報文發(fā)送優(yōu)先級等都作了詳細規定，并且對汽車(chē)內部各個(gè)具體的ECU通訊作了詳細說(shuō)明。它使用多路復用技術(shù)，為汽車(chē)上的各種傳感器、執行器和控制器提供建立在CAN總線(xiàn)基礎之上的標準化的高速網(wǎng)絡(luò )連接，在車(chē)載電子裝置之間實(shí)現高速數據共享，有效地減少了電子線(xiàn)束的數量，提高了車(chē)輛電子控制系統的靈活性、可靠性、可維修性和標準化程度，更大限度地發(fā)揮CAN的性能。