混合電動(dòng)汽車(chē)能量流仿真系統

對于混合電動(dòng)汽車(chē)，在實(shí)際運行中，為了實(shí)現電動(dòng)機與發(fā)動(dòng)機之間的快速切換，要求系統有較短的響應時(shí)間；為了保證汽車(chē)運行的穩定性，要求系統具有精確的電流定位；同時(shí)，為了保證系統控制的可靠與準確，對系統采樣精度與控制速度的要求也較高。研究混合電動(dòng)汽車(chē)的能量流控制策略，關(guān)鍵在于研究電池與電動(dòng)機和發(fā)動(dòng)機之間的關(guān)系。

在實(shí)際工作中，混合電動(dòng)汽車(chē)工作環(huán)境復雜、各種干擾因素的影響較大，給研究其能量流狀態(tài)帶來(lái)了較大的困難。能否在實(shí)驗室對動(dòng)力電池的工作性能進(jìn)行模擬與仿真呢？這樣，不僅可以節省大量的人力物力，而且對于混合電動(dòng)汽車(chē)的設計和總成有很好的參照作用。

本文將介紹的混合電動(dòng)汽車(chē)能量流仿真系統就是針對上述要求而設計的，該系統可仿真混合電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際工作環(huán)境，為研究混合電動(dòng)汽車(chē)控制策略提供了一個(gè)靈活、簡(jiǎn)便、高效的平臺。

系統特點(diǎn)

整個(gè)系統采用組合式平臺搭建，根據仿真工作的要求，按照工作電流的大小組合使用對應的仿真模塊來(lái)構成整個(gè)系統的能量控制部分。采用這種結構設計可以大大減小整個(gè)系統的體積與功耗。

系統中集成了CAN2.0B和RS-232C接口，可以與汽車(chē)內的各種控制儀表進(jìn)行通信與數據交換，與汽車(chē)總控系統的標準通信接口兼容，能夠方便的移植到實(shí)際的混合電動(dòng)汽車(chē)系統中。同時(shí)，可以直接與計算機通信，由計算機來(lái)控制系統的運行，便于實(shí)現監控與仿真。

系統結構

混合電動(dòng)汽車(chē)能量流仿真系統主要由充電系統、放電系統和控制系統三個(gè)部分組成。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 仿真系統結構

在充電系統中，采用高效率的脈寬調制方式（PWM），同時(shí)采用反饋穩定控制系統，使得充電過(guò)程快速穩定。

在放電系統中，采用節能型的能量回饋方式，將電能返回電網(wǎng)或者仍然回到充電系統，達到節能降耗的目的。

在控制系統中，采用高速嵌入式微處理器，具有抗干擾能力強、響應速度快、控制方式靈活的特點(diǎn)。

1 充電系統

首先將電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流，經(jīng)過(guò)脈沖寬度調制，再經(jīng)過(guò)隔離變壓器變換，然后進(jìn)行整流穩壓，即可得到所需的工作電壓。為了保證充電過(guò)程的快速穩定，將電壓、電流采樣值引入穩定控制系統，使得充電過(guò)程快速穩定。充電系統結構如圖2所示。

圖2 充電系統結構

2 放電系統

電池的放電系統采用能量回饋方式。首先將動(dòng)力電池的電能進(jìn)行變換，送入中間緩沖器，然后通過(guò)逆變方式將電能變換為三相交流，這部分能量既可以用于返回電網(wǎng)，又可以將它再次送入充電系統，實(shí)現電能的重復利用，同時(shí)可有效減少電流波動(dòng)對電網(wǎng)的影響。放電系統結構如圖3所示。

圖3 放電系統結構

3 控制系統

本系統采用基于高速嵌入式微處理器的控制系統。高速處理器能夠保證快速完成動(dòng)力電池的充放電任務(wù)，并且通過(guò)數字濾波算法使系統具有較好的抗干擾能力。高精度的A/D、D/A控制單元使得充放電過(guò)程動(dòng)態(tài)穩定，滿(mǎn)足控制要求。轉換狀態(tài)用中斷方式通知CPU讀取轉換結果，保證系統的快速響應。監控計算機通過(guò)接口函數就可以控制系統的運行，并且可以采集實(shí)時(shí)參數進(jìn)行數據的分析、處理與監控?？刂葡到y結構如圖4所示。

圖4 控制系統結構

選用Microchip公司的PIC18F6720為主控制器，該MCU片內集成多通道的10位精度的采樣轉換器，可以方便的采集電池的電壓、充電電流、放電電流和電池溫度等多種信號；內置兩個(gè)串行通信接口，可以與上位機進(jìn)行異步通信；SPI接口可以用來(lái)擴展內部總線(xiàn)；PWM輸出可以對回路電流進(jìn)行調節等?？刂葡到y電路如圖5所示。

圖5 控制系統電路

4 人機交互

通過(guò)LCD顯示器可以直觀(guān)的顯示系統的工作狀態(tài)和電池工作情況，具有良好的人機交互界面。在控制系統中設置了短路與過(guò)熱保護，故障報警指示，最大限度達到系統的安全可靠，保護系統與動(dòng)力電池的安全。圖6為L(cháng)CD顯示的示意圖。

（a）工作狀態(tài)

（b）測試狀態(tài)

圖6 LCD顯示示意圖

通信系統

系統內建了兩種通信總線(xiàn)：CAN2.0B和RS-232C。

1 CAN總線(xiàn)通信

CAN總線(xiàn)是專(zhuān)為解決現代汽車(chē)中各種控制器、執行機構、監測儀器和傳感器之間的數據通信而開(kāi)發(fā)的總線(xiàn)式串行通信技術(shù)。但CAN只包括了物理層和數據鏈路層，在汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )SAE推薦的標準SAE J1939進(jìn)一步規范了汽車(chē)內部網(wǎng)絡(luò )的標準。

J1939采用CAN2.0B的擴展幀格式。進(jìn)一步定義了CAN數據幀仲裁域中的標識位。29位ID的格式如表1所示。

一個(gè)協(xié)議數據單元（PDU）包括7個(gè)預定的域。它們是優(yōu)先級、保留位、數據頁(yè)、PDU格式、PDU細節、源地址和數據域。CAN數據幀中的SOF、SRR、IDE和RTR部分控制域，CRC、ACK和EOF沒(méi)有包括在PDU。

數據域為0～8字節的數據。當需要使用9～1785字節來(lái)表達某個(gè)參數組時(shí)，數據通信將由多個(gè)CAN數據幀完成。

2 RS-232C通信

RS-232C用來(lái)與監控計算機進(jìn)行數據與控制命令通信，根據監控計算機的控制指令來(lái)執行相應的動(dòng)作，同時(shí)將系統的狀態(tài)參數傳遞到監控計算機系統。

監控計算機使用查詢(xún)方式與仿真系統通信。數據格式分為數據頭、數據體及校驗碼三部分。數據頭用于判斷該條信息的類(lèi)別，以便接收到數據信息后做出對應的處理；數據體存放真正要傳輸的數據信息；校驗碼采用奇偶檢驗碼來(lái)對整條數據進(jìn)行校驗。在系統中統一采用“@”作為傳輸數據的開(kāi)始，“：”作為傳輸數據的結束，如表2所示。

對于命令信息只有信息頭和校驗碼，對于數據信息則還包括了數據體部分。在上下位機通信期間，數據發(fā)送方會(huì )在相同的時(shí)間間隔內重復發(fā)送相同的數據，直到收到對方的應答信息；若在一定時(shí)間間隔內仍未收到應答信息，則表示出現通信故障，數據發(fā)送失敗。接收方收到數據后，會(huì )根據數據頭、數據尾及校驗碼判斷數據是否完整、正確。若是則回復表示成功接收的應答信息，否則等待發(fā)送方繼續發(fā)送。

如果一條數據分成多次發(fā)送的時(shí)候，采用的是發(fā)送—應答模式，即每當收到應答信息后才發(fā)送下一條數據。

系統性能指標

混合電動(dòng)汽車(chē)能量流仿真系統為研究混合電動(dòng)汽車(chē)提供了一個(gè)硬件平臺，適用于鉛酸、鎳氫、鋰離子等大功率動(dòng)力電池系統。系統實(shí)時(shí)顯示電池的充、放電狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機工作狀態(tài)、能量流動(dòng)狀態(tài)等重要參數。

系統的性能參數如表3所示。

結論

本系統最大限度地降低了混合電動(dòng)汽車(chē)的前期研發(fā)投入，較好的解決了通常軟件仿真中建模復雜、準確性低、難以實(shí)用的問(wèn)題。根據仿真系統的工作狀態(tài)，可以驗證控制效果，來(lái)調整混合電動(dòng)汽車(chē)的控制策略與控制參數，從而為混合動(dòng)力汽車(chē)的設計、性能預測和分析提供了一種有效的手段。