CN1996189A - 串联式混合动力车辆动力分配综合控制*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种串联式混合动力车辆动力分配综合控制***，属于混合动力车辆的行驶控制与能量管理技术领域，适用于串联式混合动力车辆的电机运动控制和多能源动力总成的能量管理，尤其是混合动力大客车和履带车辆。本发明包括硬件***和软件***两部分，硬件***基于外设部件互连标准PCI总线结构，由①数字信号处理器TMS320LF2407及其***电路、②信号采集与处理***、③CAN总线通讯控制***、④PCI总线及其控制***、⑤人机交互***、⑥DC－DC直流电源模块组成；软件***采用中断查询的结构方式。本发明的***稳定性好，能够实现串联式混合动力车辆的能量流的分配和管理，实现双侧电机独立驱动的协调控制。

Description

串联式混合动力车辆动力分配综合控制***
技术领域
本发明属于混合动力车辆(HEV，Hybrid Electric Vehicle)的驱动控制与能量管理(Driving Control and Energy Management)技术领域，特别涉及到串联式混合动力车辆(Serial HEV)的驱动控制与能量管理技术，更确切的说，本发明提出了一种串联式混合动力车辆动力分配综合控制***，适用于采用串联式混合动力***的大客车、履带式车辆等混合动力车辆。
背景技术
为了降低车辆排放对自然环境的污染和应对全球范围的原油价格上涨，电动车辆(EV，Electric Vehicle)技术目前成为汽车工程(Vehicular Engineering)领域的研究热点。与纯电动车辆(Pure EV)和燃料电池车辆(FCEV，Fuel Cell Electric Vehicle)相比，混合动力车辆(HEV，Hybrid Electric Vehicle)的成本相对低廉，而关键技术更易于突破，已成为发展迅速、应用广泛的电动车辆。
混合动力车辆分为并联式混合动力(Parallel HEV)和串联式混合动力(Serial HEV)两类。跟并联式混合动力结构相比，串联式混合动力车辆的发动机(Engine)与电动机(Motor)之间没有机械连接，驱动功率传递依靠电传动(Electric Driving)。由于串联式混合动力***结构简单，电动机功率容量大、低速大扭矩特性好，更适宜应用于大功率混合动力车辆。
串联式混合动力车辆的多能源动力总成一般由发动机-发电机组与动力电池组耦合而成，串联式混合动力车辆一般采用双侧电机“独立驱动，协调控制”的模式。因此，串联式混合动力车辆需要一个车辆动力分配的综合控制装置，一方面来实现多能源动力总成的能量管理，另一方面来实现双侧电机独立驱动的协调运动控制，实现车辆两侧主动轮的电子差速和车辆的无级变速。
但是，目前国内公知的车辆动力综合分配控制***仅应用于并联式混合动力车辆，而尚未检索到应用于串联式混合动力车辆的动力综合分配控制***。如专利文献《并联式混合动力电动汽车多能源动力总成控制器》(申请号02153979.0，公开号CN1465491A)所述的车辆动力综合分配控制技术可以应用于并联式混合动力汽车，能够对并联式混合动力电动汽车行驶过程中驱动能量的分配进行管理，但由于并联式混合动力车辆与串联式混合动力车辆的基本结构不同，而不适用于串联式混合动力车辆。目前，串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***的技术研究尚处于起步阶段。
发明内容
本发明针对串联式混合动力车辆的能量管理和动力分配(Power Distributing)的控制问题，提出了一种串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***(Power DistributingIntegrated Control System of Serial Hybrid Vehicle)，能够实现对发动机-发电机组(Engine-Generator)和动力电池组(Power Batteries)的两种动力源进行耦合管理，实现对车辆双侧独立驱动的电机进行运动控制，实现对两侧电机驱动力的合理分配和车辆两侧主动轮的电子差速。
本发明通过以下技术方案予以实现。
串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，包括硬件***和软件***两个部分，其硬件***基于外设部件互连标准总线(PCI Bus，Peripheral Component Interconnect Bus)结构，由数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)TMS320LF2407及其***电路、信号采集与处理***、控制器局域网总线(CAN Bus，Controller Area Network Bus)通讯控制***、外设部件互连标准总线(PCI Bus)及其控制***、人机交互***(MMIS，Man-MachineInteractive System)、DC-DC直流电源模块组成；其软件***采用中断查询(InterruptionInquiry)的结构方式，由CAN总线通讯控制模块、信号采集与处理模块、双侧电机独立驱动的控制策略模块、多能源动力总成的能量管理策略模块、人机交互模块组成。
所谓外设部件互连标准总线(PCI Bus，Peripheral Component Interconnect Bus)，是由美国英特尔(Intel)公司提出的局部总线标准，用于支持CPU与外设之间的高速数据通讯，由一个专门的桥接电路来进行对PCI总线的通讯管理，在个人电脑和工业控制领域应用广泛。而所谓控制器局域网总线(CAN Bus，Controller Area Network Bus)，是由德国博世(Bosch)公司提出的支持分布式实时控制(Distributed Real-time Control)的串行通讯网络，用于嵌入式控制器的通讯***和工业现场开放式的通讯***，在汽车工业领域应用广泛。
综合控制***的硬件***基于外设部件互连标准(PCI)总线通讯的结构模式，由3块主电路板组成，分别为控制主板、工控主板和PCI总线板，其拓扑结构如下：由数字信号处理器(DSP)TMS320LF2407作为核心的控制运算单元，与地址总线、数据总线和ROM、RAM等***设备一起构成控制主板的核心部分；而信号采集与处理***与核心运算控制单元直接相连，CAN总线通讯控制***与核心运算控制单元直接相连，PCI总线控制***与核心运算控制单元直接相连，这三个***构成了控制主板的其他部分。人机交互***基于工业控制主板PCI6871及其***设备，通过PCI总线板与核心控制单元相连接。而DC-DC直流电源模块与每个***直接相连并为其供电。综合控制***作为一个CAN结点，通过CAN总线与整车分布式控制网络相连接。
信号采集与处理***，包括8路模数转换(A/D)、8路开关转换(I/O)、2个CAN总线接收邮箱及其驱动电路等。信号采集与处理***采用光电信号隔离、电压、电流信号转换、电压信号放大、数模信号不共地、信号线路屏蔽等抗干扰措施，保证信号采集的准确性和稳定性。信号采集与处理***主要功能包括，实时的采集和转换加速踏板、制动踏板和转向盘的A/D信号；实时的采集、处理档位和静音行驶的I/O信号，以及通过CAN总线接收和处理电机转速、母线电流、动力电池组荷电状态、发动机冷却水温等数据帧信号。
数字信号处理器TMS320LF2407具有2个事件管理器模块，每个模块包括2个16位通用定时器、8个16位PWM通道、3个16位全比较单元、3个捕获单元以及两个编码脉冲电路QEP，另有2个8通道10位的A/D转换器以及局域网络控制器(CAN)模块等资源，因此，该DSP适合于电机的运动控制和多能源的能量管理。以数字信号处理器(DSP)为主体的核心运算控制单元主要承担着整车控制策略，包括双侧电机独立驱动的控制策略、多能源动力总成的能量管理策略等。DSP接收信号采集与处理***传递的车辆各***的反馈信号和驾驶员控制信号，并根据相应控制算法和控制逻辑计算得出电机目标转速、发动机目标转速以及动力电池组的充放电等指令，并通过CAN总线将指令下达到各子***。
人机交互***，主要由工业控制主板PCI6871和硬盘、键盘、液晶显示器等外设组成，该***通过PCI总线与DSP交换数据和指令。虚拟仪器界面实现实时的车辆数据信息显示，后台程序实现实时的车辆数据存储的功能，虚拟仪器能够对车辆异常信号和紧急状态做出反应，以声、光的形式向驾驶员报警；另外，驾驶员能够通过虚拟仪器界面来设定和修改综合控制***的参数。
PCI总线控制***是综合控制***的内部总线***，由PCI总线桥控芯片PCI9030、外挂EEPROM及其驱动电路组成，用来实现对PCI总线的通讯管理，即通过PCI总线来实现DSP与工控机的数据、指令的交换和共享。
DC-DC直流电源模块采用电路隔离等抗干扰措施，将车载的24V电源输入变换为3.3V或5V，该模块直接与各个***相连并为其为供电。
综合控制***的软件***采用功能模块化的思想和中断查询的结构模式。软件***由5个功能模块组成，分别为CAN总线通讯控制模块、信号采集与处理模块、双侧电机独立驱动的控制策略模块、多能源动力总成的能量管理策略模块、人机交互模块。软件***设置两级外部中断，分别定义为定时器中断和CAN中断。因此，软件***能够实现串联式混合动力车辆的双侧电机独立驱动的协调控制，实现多能源动力总成的能量分配和管理。
所谓中断查询的结构模式，是指CPU每间隔一个时间周期，就进入一次中断等待循环，在该循环中，如果CPU检测到外部中断请求信号，则按照优先级的顺序来响应和处理中断请求；当一个中断请求处理完毕，CPU返回中断等待状态或处理优先级更低的中断请求。
信号采集与处理模块按照预设的转换逻辑，将信号采集与处理***传递到DSP的数模转换信号、开关量转换信号和数据帧信号进行实时处理，用以判断驾驶员的操作意图和车辆的运动状态。
双侧电机独立驱动的控制策略模块，承担着控制车辆运动的主要控制逻辑，该控制策略根据行驶工况不同分为5种驱动模式，分别为：停车怠速模式、前进模式、倒车模式、中心转向模式以及空挡状态模式；驾驶员基于工况判断，通过档位手柄来手动切换不同的驱动模式。DSP实时的接收驾驶员指令和车辆运动状态的反馈信息，按照预置模式的车辆运动控制逻辑，同时计算出双侧电机的转速或转矩指令，通过CAN总线下达到两侧电机的控制器，进而实时的调节双侧电机的转速和驱动力，实现对双侧独立电机的最佳耦合控制。由于双侧主动轮之间无机械连接而分别由独立电机驱动，因此，实时、精确、协同的控制两侧电机的转速对保证车辆安全和实现驾驶意图尤为重要。
多能源动力总成的能量管理策略模块，承担着管理发动机-发电机组和动力电池组的复合式动力源能量流动的控制逻辑，分为3种动力驱动模式，分别为混合驱动模式、纯电动模式和电传动模式。车辆根据运动状态和驾驶员指令，自动切换动力驱动模式。每种动力驱动模式的思想主要包括总体功率平衡、输出功率跟踪、动态功率补偿和合理使用电池的策略。其控制逻辑是，首先，DSP接收驾驶员指令、发动机-发电机组和动力电池组的状态反馈信息，实时的判断车辆行驶状态，计算功率需求和功率供给；其次，根据总体功率平衡的策略计算发动机和动力电池组的目标功率；再次，根据输出功率跟踪的策略切换动力电池组的充、放电工作模式，调节发动机转速及发电机的电压输出；同时，根据电机动态响应快于发动机动态响应的特性，对整车功率消耗进行动态补偿；最后，为了合理使用电池，要实时检测动力电池组状态，使其荷电状态(SOC，State of Charge)在预设的范围内变化。多能源动力总成的能量管理策略模块的作用在于，一方面，多能源动力总成动态调整功率输出，既可以满足整车功率需求，又可以降低发动机油耗；另一方面，合理管理电池的充、放电，维持其正常的循环使用寿命。
人机交互模块，采用基于LabVIEW语言开发的虚拟仪器(VI，Virtual Instrument)技术，遵循模块化的程序结构，实现车辆与驾驶员交互的功能。所谓虚拟仪器，是基于图形化计算机语言开发的人机交互界面，易于实现数据图形化显示和参数修改。首先，人机交互模块具有实时显示车辆状态信息的功能，工控机PCI6871通过PCI总线与DSP通讯，接收整车状态信息，通过虚拟仪器界面显示在液晶显示器上；其次，虚拟仪器的后台程序实时的保存车辆状态信息；再次，虚拟仪器具备异常情况和紧急情况下自动报警的功能；最后，***预留了人机交互接口，驾驶员通过虚拟仪器界面修改综合控制***的***控制参数。
CAN总线通讯***，包括硬件和软件两个部分。硬件方面，采用数字信号处理器TMS320LF2407***自带的CAN控制器和CAN收发器PCA82C250，CAN控制器具有2个发送邮箱，2个接收邮箱，2个自由配置邮箱。CAN控制器与收发器之间采取高速光电隔离技术来防止电磁干扰。软件方面，CAN总线通讯控制模块遵循CAN2.0的技术规范，兼容SAE J1939(SAE，Society of Automotive Engineers，即美国汽车工程师协会)的通讯协议。综合控制***作为整车分布式控制网络的一个CAN节点，具有最高的优先权等级。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：串联式混合动力车辆可以实现双侧电机的“独立驱动，协调控制”，实现了车辆两侧主动轮的电子差速和车辆的无级变速等柔性控制。综合控制***兼顾车辆的动力性和经济性，对多能源动力总成进行能量分配和管理，降低了车辆的油耗，保护了动力电池组的循环使用寿命。
附图说明
图1  串联式混合动力车辆动力分配综合控制***的硬件***结构框图；
图2  串联式混合动力车辆动力分配综合控制***的外设部件互连标准总线(PCI Bus)结构框图；
图3  串联式混合动力车辆动力分配综合控制***的软件***结构流程图；
图4  串联式混合动力车辆虚拟仪器***的软件结构框图；
图5  串联式混合动力车辆动力传动***的基本结构
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步说明。
动力分配综合控制***是串联式混合动力车辆分布式控制网络(DCN，DistributedControl Network)的最高控制***，具备如下功能：实现对整车控制和状态信号的采集与分析；实现对双侧电机独立驱动的协调控制；实现对串联式混合动力总成的能量分配和动力源管理；实现人机交互功能，实现在紧急状态下和异常状态下的声、光报警功能。
该动力分配综合控制***可以应用于串联式混合动力车辆。串联式混合动力车辆动力传动***的基本结构和工作原理为：发动机通过增速箱串联发电机，构成了发动机-发电机组并发出三相交流电，再通过整流/逆变一体化装置连接到直流母线的输入端；而动力电池组由蓄电池成组串联而成，通过功率电子开关与整流/逆变一体化装置并联到直流母线的输入端；发动机-发电机组和动力电池组构成了串联式混合动力车辆的多能源动力总成。直流母线的输出端并联两台变频器，而每台变频器的输出端分别连接到一台三相交流电动机，即构成了双侧独立驱动电机及其控制***；直流母线的电流通过变频器转化为三相交变电流，驱动电动机运动；双侧驱动电机直接驱动车辆双侧的主动轮以获得车辆的驱动力。可见，串联式混合动力车辆具备如下两个特点：首先，发动机与主动轮之间并无机械连接，驱动功率完全依靠电传动来实现，因此，对以发动机为主的多能源动力总成进行管理非常必要；其次，双侧电机相互独立、分别驱动，车辆双侧主动轮之间无机械连接，完全依赖双侧电机独立驱动的控制策略实现车辆主动轮的电子差速。
驾驶员启动串联式混合动力车辆的总电源开关，动力分配综合控制***和车载分布式控制网络立即启动工作。
信息采集***实时的采集加速踏板A/D信号、制动踏板A/D信号、转向盘A/D信号、车辆档位I/O信号和静音行驶I/O信号，经过信号放大、滤波、转换等处理后传递到DSP；车载分布式网络控制***按照预先设置，通过CAN总线每50毫秒的工作周期，发送电机转速、发动机转速、母线电压、母线电流等数据帧信息到DSP。
动力分配综合控制***的双侧电机独立驱动的控制策略，根据行驶工况不同可以分为5种驱动模式，分别为：停车怠速模式、前进模式、倒车模式、中心转向模式以及空挡状态模式；驾驶员根据行驶工况来判断驱动模式，并通过换档手柄来手动切换。DSP基于驾驶员指令、车辆当前的驱动模式和实时的驱动状态，经过双侧独立驱动的控制逻辑的判断和控制算法的运算，确定混合动力车辆的最佳驱动状态和两侧电机的目标转速指令，并通过CAN总线通讯***将指令传递到双侧电机的控制器，实现混合动力车辆的两侧驱动力的合理分配，保证了车辆在各种工况下的动力性。
动力分配综合控制***的多能源动力总成的能量管理策略，保证发动机工作在燃油经济性高而排放低的工作区域，兼顾动力电池组的荷电状态的合理范围，以降低发动机油耗和排放为目标。多能源能量管理策略按照能源耦合状态分为3种动力模式，即混合驱动模式、纯电动模式和电传动模式。当车速低于预设参数时，发动机自动关闭，由动力电池组单独驱动车辆，即为纯电动模式；当车辆爬坡或车速较高时，发动机维持在大负荷区域，与动力电池组合力驱动车辆行驶，即为混合驱动模式；当动力电池组荷电状态低于预设参数时，发动机满负荷运行，驱动车辆的同时，给动力电池组充电，也为混合动力模式；当车辆性能要求不高，可以使动力电池组不参与工作，由发动机单独驱动车辆，即为电传动模式。
DSP基于驾驶员指令、车辆当前的驱动模式和实时的功率需求，经过多能源能量管理策略的控制逻辑的判断和控制算法的优化，选择合理的动力模式，并确定发动机的目标转速和动力电池组的充、放电状态，并通过CAN总线通讯***将指令传递到发动机-发电机组控制器和电池管理***。
动力分配综合控制***的人机交互***，硬件基于工业控制主板PCI6871及液晶显示器、键盘、硬盘等***设备，软件基于由LabVIEW语言开发的图形化的虚拟仪器界面，人机交互***通过PCI总线与DSP交换数据和指令。人机交互***具有如下几个方面的功能：第一，液晶显示器LCD通过虚拟仪器界面实时显示车辆的重要信息，给驾驶员一个图形化界面的反馈，反馈信息包括瞬时车速、里程、双侧电机的转速、发动机的转速、母线电压、母线电流等；虚拟仪器界面每秒刷新一次。第二，人机交互***实时的在后台存储车辆运行数据，包括整车各子***的重要数据以及整车运行数据记录，为车辆故障诊断、***优化积累数据。第三，人机交互***具有自动报警功能，当异常情况或者紧急情况出现时，***能够及时以声、光信号警告驾驶员，例如，控制回路电压过低、电机温度过高或者冷却水路压力下降时，虚拟仪器会按照不同的紧急等级，显示不同颜色的信号灯闪烁，以提醒驾驶员及时处理。第四，该***具有驾驶员反作用于控制***的功能，驾驶员可以在虚拟仪器界面修改***控制参数，并通过PCI总线将修改指令传递到DSP，进而调节控制***。

Claims (10)

1.一种串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，包括硬件***和软件***，其特征是，其硬件***基于外设部件互连标准PCI总线结构，由数字信号处理器TMS320LF2407及其***电路、信号采集与处理***、控制器局域网CAN总线通讯控制***、外设部件互连标准PCI总线及其控制***、人机交互***、DC-DC直流电源模块组成；其软件***采用中断查询的结构方式，由CAN总线通讯控制模块、信号采集与处理模块、双侧电机独立驱动的控制策略模块、多能源动力总成的能量管理策略模块、人机交互模块组成，能够实现串联式混合动力车辆多能源动力总成的能量分配和管理，实现双侧电机独立驱动的协调控制。
2.根据权利要求1所述的串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，其特征是，综合控制***的硬件结构中，数字信号处理器与人机交互***之间采用外设部件互连标准PCI总线结构，而软件***采用中断查询的结构方式。
3.根据权利要求1所述的串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，其特征是，该综合控制***采用数字信号处理器TMS320LF2407来实现双侧电机独立驱动的控制策略和多能源动力总成的能量管理策略。
4.根据权利要求3所述的串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，其特征是，该综合控制***的驱动控制策略能够实现双侧电机独立驱动的协调控制，实现双侧电机驱动力的合理分配和车辆双侧主动轮的电子差速。
5.根据权利要求3所述的串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，其特征是，该综合控制***的能量管理策略能够控制多能源动力总成满足串联式混合动力车辆的功率需求，实现对发动机-发电机组和动力电池组的能量分配和管理。
6.根据权利要求1所述的串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，其特征是，该综合控制***运用工控机来实现人机交互功能。
7.根据权利要求1所述的串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，其特征是，该综合控制***通过基于LabVIEW语言的虚拟仪器技术来实现人机交互功能。
8.根据权利要求1所述的串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，其特征是，人机交互***能够实现***在异常情况和紧急情况下自动报警的功能，实现驾驶员对车辆综合控制***参数的调节和修改功能。
9.根据权利要求1所述的串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，其特征是，该综合控制***具有CAN总线通讯控制接口、数据显示与数据存储接口。
10.根据权利要求8所述的串联式混合动力车辆的动力分配综合控制***，其特征是，CAN总线通讯接口符合CAN2.0的技术规范，兼容SAE J1939的通讯协议。
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