CAN總線混合動力驕車電控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

混合動力汽車是一種由內(nèi)燃機和電動機混合驅(qū)動的汽車，其主要特點是節(jié)能、環(huán)保。這種汽車在起步時用電動機驅(qū)動，消除了內(nèi)燃機起步時由于燃燒不充分而排黑煙的現(xiàn)象。在汽車減速或剎車時，利用發(fā)電機把動能轉(zhuǎn)化成電能，貯存到蓄電池中，實現(xiàn)能量回收達到節(jié)能的目的。由于這種汽車是內(nèi)燃機和電動機兩種動力并存，僅用傳統(tǒng)的針對內(nèi)燃機的電控系統(tǒng)無法實現(xiàn)兩種動力的最佳配合，因此開發(fā)混合動力車的全新電控系統(tǒng)是十分必要的.本文以一種電機并聯(lián)式混合動力汽車成功實現(xiàn)為背景，從系統(tǒng)角度介紹了混合動力汽車電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及效果。

并聯(lián)式混合動力驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡介

并聯(lián)式混合動力汽車的驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。發(fā)動機通過機械傳動裝置與驅(qū)動橋連接，電動機通過動力復合裝置也與驅(qū)動橋相連，汽車可由發(fā)動機和電動機共同驅(qū)動或各自單獨驅(qū)動。并聯(lián)式混合動力電動汽車的結(jié)構(gòu)形式更像是附加了一個電動機驅(qū)動系統(tǒng)的普通內(nèi)燃機汽車.電動機起“調(diào)峰”作用:當汽車運行工況所需的功率超過了發(fā)動機的功率時，電動機從電池取得電能產(chǎn)生電磁力矩，并向驅(qū)動橋提供額外的驅(qū)動功率.有的并聯(lián)式混合動力電動汽車也有發(fā)電機，但其主要作用是向電池充電，以保持電池的荷電狀態(tài)(SOC)。

圖1　并聯(lián)式混合驅(qū)動系統(tǒng)簡圖

電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

電控系統(tǒng)以國際業(yè)界先進的CAN總線作為通信媒介，以智能化的多能源管理單元為控制核心，以五個功能相對獨立的智能化節(jié)點(前艙傳感器單元、室內(nèi)傳感器單元、電機驅(qū)動單元、電池管理單元及顯示單元)為輔助節(jié)點構(gòu)成網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。多能源通過CAN總線獲得系統(tǒng)當前的狀態(tài)信息，并根據(jù)此狀態(tài)信息產(chǎn)生控制命令，亦通過總線將命令發(fā)送到發(fā)動機控制單元、電機驅(qū)動器使兩種動力相互配合，以發(fā)揮混合動力汽車節(jié)能和環(huán)保的目的。各單元(或稱節(jié)點)在本設計中的統(tǒng)一編號：N1為多能源控制單元；N2為電機驅(qū)動器單元；N3為前艙傳感器單元；N4為室內(nèi)傳感器單元；N5為電池管理單元；N6為顯示單元。
圖2　電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1

1)多能源管理單元
是整個系統(tǒng)的指揮中心，它由性能較高的微處理器為核心，配合大容量的程序和數(shù)據(jù)存存器及總線接口構(gòu)成，由此它能對從總線上傳來的系統(tǒng)信息進行迅速處理，大容量的數(shù)據(jù)存儲器中存放了系統(tǒng)運行最佳狀態(tài)參數(shù)，這樣處理器就能及時并精確按控制策略對電機和發(fā)動機兩種動力進行最佳配合。當電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，它會及時對故障進行處理，保證系統(tǒng)的安全運行。

2)發(fā)動機控制單元
由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、D/A轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量接口及總線接口構(gòu)成。它的功能是通過總線接收多能源管理單元發(fā)出的對發(fā)動機的命令，進行判斷處理后通過模擬量輸出及開關(guān)量輸出對發(fā)動機進行控制，其中主要包括對發(fā)動機的空然比、點火系統(tǒng)等在各種工況下的控制。另外，本單元還會將執(zhí)行情況及其當前狀況(正常狀態(tài)還是故障狀態(tài))及時通過總線想多能源進行報告。

3)電機驅(qū)動控制單元
由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、D/A轉(zhuǎn)換、開關(guān)量接口及電機調(diào)速控制幾部分構(gòu)成。它的功能是通過總線接收多能源的對電機的控制命令并及時執(zhí)行，它主要控制電機的發(fā)電與電動狀態(tài)的切換、電機的轉(zhuǎn)速及輸出力矩的控制，通過總線向多能源管理單元報告電機的狀態(tài)如轉(zhuǎn)速、充電電流、放電電流及故障等狀態(tài)，當電機出現(xiàn)故障時能進行自處理以保證車輛的安全運行。

4)數(shù)據(jù)采集單元
由處理器、微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、開關(guān)量接口、A/D轉(zhuǎn)換、頻率變換及總線接口構(gòu)成。其功能是準確且及時檢測車輛系統(tǒng)的各參數(shù)如:發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車速、節(jié)氣門開度、剎車、水溫、真空度、擋位、空調(diào)狀態(tài)、鑰匙狀態(tài)、離合器狀態(tài)等，并通過總線傳送給多能源管理單元，多能源管理單元以此作為決策依據(jù).另外，此數(shù)據(jù)也作為顯示單元進行顯示的依據(jù)，因此，此單元是整個系統(tǒng)的眼睛。

5)電池管理單元
本混合動力車采用鋰電池組，此電池組由40個電池串聯(lián)而成，每個電池正常工作電壓為3.6V，為保證系統(tǒng)的安全及電池的可靠工作，對每個電池都配備一以功能較簡單微處理器為核心的控制器，每個控制器對其所管理的電池的電壓、容量、溫度參數(shù)進行檢測并通過485總線通知電池管理單元，同時控制器也對所管理的電池的充電及放電電流進行控制，防止電池過充和過放，以保證系統(tǒng)的安全.電池管理單元由較高級的微處理器和必要的外圍電路構(gòu)成，本單元通過RS485總線與各電池的控制器進行通信，收集各電池的當前狀態(tài)參數(shù)(電壓、容量、溫度)，并將這些信息進行處理后通過CAN總線通知多能源管理單元，同時也會將電池組的SOC傳送到顯示單元進行顯示。

6)顯示單元
顯示單元的構(gòu)成與其他單元大同小異，它的功能是接收CAN總線上的信息，對必要的信息如車速、發(fā)動機 轉(zhuǎn)速、里程、電池容量、充電電流、放電電流、水溫、油量及系統(tǒng)故障代碼進行顯示，在顯示方式上，采用無可動部件的高精度數(shù)字顯示，增加了顯示信息量并提高了可靠性，同時為了滿足司機習慣于看指針式模擬儀表的要求，也采用類似指針運動的發(fā)光二極管模擬舊式表的顯示。

硬件設計

從N3、N4、N6三節(jié)點的功能要求來看，若按功能對硬件進行分別設計可各取所需，減小節(jié)點體積和重量，但是，這樣不便于系統(tǒng)功能的擴展，也限制了節(jié)點的可靠性和互換性，故采取三節(jié)點硬件統(tǒng)一設計的方案，即三節(jié)點的硬件完全一樣，各節(jié)點的硬件可互換，每個硬件包括所有三節(jié)點所需要的硬件功能，另外，由于現(xiàn)代電子技術(shù)的進步，統(tǒng)一設計和分別設計的硬件之間的體積和重量的差別很小，對系統(tǒng)性能的影響可以說是微乎其微，更重要的是這樣的設計為后續(xù)進一步改進所需的系統(tǒng)擴展和冗余式可靠性設計奠定了硬件基礎(chǔ)。

硬件系統(tǒng)(圖3)以微處理器CPU為核心以及必要的外圍電路構(gòu)成.其中CPU為高性中央處理單元，具有豐富的功能和高速的處理能力，可快速進行大量的數(shù)學和邏輯運算，完全能滿足本電控系統(tǒng)的設計要求.程序存儲器中存放著實現(xiàn)各節(jié)點功能的軟件用以控制各節(jié)點的功能實現(xiàn)。數(shù)據(jù)儲存器電路用于系統(tǒng)內(nèi)存擴展，復雜的程序控制和運算需要大量的中間變量和緩沖區(qū)，內(nèi)存的擴展解決了這一問題.D/A轉(zhuǎn)換電路用于將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換模擬信號輸出，主要應用于輸出控制和信號的遠程轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換電路用于對系統(tǒng)的模擬量進行采集，即將被采集的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，所設計的轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換速度可達5微秒/路，分辨率為1/4096，每個節(jié)點可同時進行8路A/D轉(zhuǎn)換，完全可滿足任務書的技術(shù)要求.開關(guān)量輸出接口用于輸出節(jié)點的位控制命令，具有靈活的輸出控制，可直接或間接滿足各種功率輸出的控制要求，在本系統(tǒng)中的主要位控制信號有發(fā)動機的供油、空調(diào)、大小電機啟動選擇等信號。

開關(guān)量輸入電路用于采集系統(tǒng)的開關(guān)量，如:鑰匙開關(guān)信息、離合器狀態(tài)信息及空調(diào)狀態(tài)信息等信號.顯示接口電路用于將被顯示信號實時傳送到顯示器，顯示器采用數(shù)字化高亮度的LED顯示，提高了顯示的精度，同時又保留了原有儀表的模式，以便使用者有一個過渡的過程，不致產(chǎn)生不習慣的感覺.頻率變換電路用于將系統(tǒng)的速度信號(發(fā)動機轉(zhuǎn)速和車速)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一制式的脈沖信號以便微處理器進行識別和測速。CAN總線電路由總線控制器和收發(fā)控制電路構(gòu)成，它負責接收和發(fā)送總線信息，使各節(jié)點通過總線相連接，使電控系統(tǒng)成為靈活的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。

圖3　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

軟件設計

前艙傳感器節(jié)點(N3)的軟件設計
N3節(jié)點所要完成的任務為：1)實時檢測車速、轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門、水溫、真空度的參數(shù)值；2)檢測本節(jié)點故障；3)按通信協(xié)議完成總線數(shù)據(jù)傳輸.本節(jié)點的多數(shù)任務要求有很高的實時性，因此本節(jié)點的軟件策略為：1)對車速、轉(zhuǎn)速及總線通訊采用中斷方式處理；2)定時啟動A/D轉(zhuǎn)換，為滿足任務要求的實時性，定時間隔為20μs，用以及時對節(jié)氣門、水溫、真空度的數(shù)字化測量；3)空閑時間查詢系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測系統(tǒng)是否正常，若有故障，對故障進行相應的處理。這樣，即可以實時處理車速、轉(zhuǎn)速和通訊中斷又可使CPU處于多任務狀態(tài)，提高了系統(tǒng)資源的利用率。

室內(nèi)傳感器節(jié)點(N4)的軟件設計
N4節(jié)點所要完成的任務為：1)實時檢測鑰匙開關(guān)狀態(tài)、離合器狀態(tài)、空調(diào)狀態(tài)及剎車的參數(shù)值；2)檢測本節(jié)點故障；3)按通信協(xié)議完成總線數(shù)據(jù)傳輸.本節(jié)點的軟件策略為：1)對鑰匙開關(guān)狀態(tài)、離合器狀態(tài)、空調(diào)狀態(tài)等開關(guān)量的檢測及總線通訊采用中斷方式處理；2)定時啟動A/D轉(zhuǎn)換，為滿足任務要求的實時性，定時間隔為20μs，用以及時對剎車信號的數(shù)字化測量；3)空閑時間查詢系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測系統(tǒng)是否正常，若有故障，對故障進行相應的處理。

顯示節(jié)點(N6)的軟件設計
N6節(jié)點所要完成的任務為:1)對車速、里程、充電電流、放電電流及電池容量等參數(shù)進行實時顯示；2)及時完成大小電機的啟動控制和發(fā)動機的供油控制；3)檢測本節(jié)點故障；4)按通信協(xié)議完成總線數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)點的軟件策略為：1)對總線通訊、大小電機的啟動控制和發(fā)動機的供油控制采用中斷方式處理，以保證控制、通訊的及時性；2)定時刷新顯示，為滿足實時性，定時刷新時間間隔為20ms；3)空閑時間查詢系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測系統(tǒng)是否正常，若有故障，對故障進行相應的處理。

通信機制設計

本車各單元之間大量數(shù)據(jù)傳送通過CAN總線來完成，這也是本混合動力電控系統(tǒng)的一個與眾不同的特色，由于CAN總線的使用，減輕了電控系統(tǒng)的線束重量，降低了系統(tǒng)的復雜性。另外，由于CAN總線是差分傳輸?shù)囊环N抗干擾能力很強的現(xiàn)場總線，從而保證了系統(tǒng)通信的可靠性。

CAN總線簡介
CAN總線是德國Bosch公司20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN已成為國際標準(ISO-11898)，是具有國際標準的現(xiàn)場總線，規(guī)范2.0A和2.0B。CAN總線可支持8/16位CPU，可與各種處理器接口或組成智能化儀器儀表；可工作于多主工作方式，任一節(jié)點任一時刻均可主動發(fā)送信息，不分主從，通訊方式靈活，可方便的構(gòu)成多機容錯系統(tǒng);節(jié)點可分成不同優(yōu)先級，滿足不同的實時要求；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，多點同時發(fā)送時，優(yōu)先級低的節(jié)點，主動停止發(fā)送，優(yōu)先級高的不受影響繼續(xù)發(fā)送，有效的避免了總線沖突;可采用點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送和接收數(shù)據(jù)，直接傳送距離達10km/5Kbps，速率最高達1Mbps/40m，總線上的節(jié)點數(shù)據(jù)理論值達2000個，實際由于時延可達110個；采用短幀結(jié)構(gòu)每一幀有效字節(jié)8個，傳輸時間短，受干擾概率低，重新發(fā)送快；通訊介質(zhì)可采用雙絞線及光纖；用戶接口簡單、編程方便；溫度-40℃～+125℃工作；節(jié)點故障時有自動關(guān)閉總線功能，可以與總線脫離，不影響總線操作；每幀具有CRC校驗和其它檢測措施，保證出錯率極低；具有很高的適應性;接口收發(fā)器具有瞬時電壓保護，RT抑制、熱保護、短路保護等。

通信協(xié)議
本系統(tǒng)在CAN2.0A協(xié)議基礎(chǔ)上定義通信協(xié)議。N1節(jié)點發(fā)出命令，N2～N6節(jié)點接受后不發(fā)確認信號，N1節(jié)點收到N2～N6節(jié)點的信息后判斷是否正確，如果不正確或在規(guī)定的時間內(nèi)收不到N2～N6幀，則重新發(fā)命令，重發(fā)超過規(guī)定的次數(shù)為通訊故障；N2～N6幀發(fā)出信息，N1節(jié)點接受后，不發(fā)確認信息，N2～N6節(jié)點在規(guī)定的時間內(nèi)收不到N1節(jié)點的命令，則為通訊故障;N6節(jié)點收到N1幀上電復位后的第一幀時在規(guī)定的時間內(nèi)回答，在運行時若N6無故障，則不回答N1.節(jié)點數(shù)據(jù)幀基本結(jié)構(gòu)定義如下：

系統(tǒng)中每個節(jié)點數(shù)據(jù)幀用ID區(qū)別，每個節(jié)點可定義多個不同的數(shù)據(jù)幀，用以傳送不同的信息。

性能分析
表1為混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車性能對比，從測試參數(shù)來看混合動力汽車的動力和經(jīng)濟性方面均比傳統(tǒng)汽車要優(yōu)越，其排放也達到了“歐2”標準，而且通過測試可知，其尾氣中因不完全燃燒而產(chǎn)生的CO和NO_x量要比傳統(tǒng)汽車要少。


結(jié)束語

提出了一種由智能節(jié)點和CAN總線通信網(wǎng)絡構(gòu)成的混合動力汽車的電控系統(tǒng)，在國內(nèi)混合動力車的控制系統(tǒng)中以CAN總線構(gòu)成網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，CAN總線良好的性能在此得到了驗證。從性能角度看，在電控系統(tǒng)優(yōu)秀控制策略的控制下，混合動力汽車的發(fā)動機能最大限度工作在高效率和低排放的狀態(tài)下，同時也可將部分能量進行回收，達到了混合動力的節(jié)能和環(huán)保目的。另外，由于電機動力的加入也提高了汽車的動力性能?？梢詳喽?，隨著電控系統(tǒng)技術(shù)的進一步發(fā)展，混合動力汽車必將成為綠色汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱點。