CN2911753Y - 混合动力电动汽车多能源动力总成的集散式控制*** - Google Patents

混合动力电动汽车多能源动力总成的集散式控制*** Download PDF

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赵克刚
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Abstract

本实用新型涉及一种混合动力电动汽车的基于CAN总线的集散式多能源动力总成控制***。该***还包括中央监控器、CAN总线、通讯转换块及分总成部件内的电子控制单元，分总成部件内的电子控制单元分别通过其通讯转换块与CAN总线连接，CAN总线与中央监控器连接。通讯转换模块采用51芯片作为MCU，采用SJA1000作为CAN控制器。本实用新型采用较低成本实现混合动力电动汽车车载控制网络的实时监控和管理，抗干扰能力加强，易于***扩展，有利于实现整车优化监控策略。根据节点要求，还可以应用于传统汽车的车内控制局域网。

Description

混合动力电动汽车多能源动力总成的集散式控制***
技术领域
本实用新型涉及汽车车内局域网及混合动力电动汽车的多能源动力总成的集散式控制***。
背景技术
目前，国内和国际上对混合动力汽车(HEV)的研究和开发方兴未艾。这种车综合了传统汽车引擎驱动与电机驱动的两大优点，一是充分发挥了燃料发动机持续工作时间长、动力性好的优点；二是发挥电动机无污染、低噪声的好处，因而具有低油耗、低污染的特性。混合动力汽车在传统的内燃机汽车的基础上，新增了电机、电池等部件，从而需要电机控制器、电池管理***、能源总成控制***对发动机、电机进行协调控制，使各设备工作在高效区，提高能源的利用率，达到整车性能最佳。
控制器局域网(CAN总线)具有实时性强、传输距离远、抗电磁干扰能力强、成本低、多主站等特点。在实际HEV车控制***中都采用基于CAN总线的整车通讯控制***。电机控制器、变速器控制器、发动机的电子控制单元(ECU，electronic Control Unit)等电控设备、仪表仪器都采用CAN总线联成一体，进行信息的交换。
根据CAN总线和HEV控制***的特点，当前的研究，HEV整车的数字控制***(Direct Digital Control System，简称DDC)一般采用以下两种体系结构。
I/O DDC体系。该体系核心思想就是利用CAN总线来扩充I/O口。选择一台主控制器，植入控制主程序及底层I/O管理程序(含CAN总线I/O管理程序)；其它的现场控制器仅植入I/O支持程序及CAN通讯处理程序。这样就构成了I/ODDC体系，主程序将“I/O DDC”看成自己的I/O资源，底层I/O管理程序负责对全部I/O资源进行管理。这种方式***构成灵活，但对主控制器软硬件要求较高，加大了硬件成本和软件工作量。网络通讯实际上还是普通的一主多从方式。HEV整车通讯控制***采用该体系结构则不能充分发挥CAN总线的优势。
分散DDC体系。每一台现场控制器分别完成各自的控制工作没，同时如果需要从另一台现场控制器获取必要的信息，在任意时刻，它可以通过自己的CAN控制器向另一台索取。也就是说网络中所有现场控制器都具有同等地位。它们可以共享全部信息。该方式充分利用了CAN总线可以多主运行的特点。但是这样不太适合HEV控制中对各分总成协同工作以达到总体控制目标最优的要求。
实用新型内容
本实用新型的目的就是克服现有技术的缺点，提供一种信号传输可靠的、全数字化的，基于CAN总线混合动力电动汽车多能源动力总成集散式控制***。
本实用新型的目的通过如下装置实现：
混合动力电动汽车多能源动力总成的集散式控制***，包括CAN总线、中央监控器，通讯转换块及分总成部件内的电子控制单元，分总成部件包括发动机油门控制器、主离合器C0及AMT控制器、DC/AC逆变器控制器、双向DC/DC控制器、电池管理模块控制器和其他***控制器，分总成部件内的电子控制单元分别通过其通讯转换块与CAN总线连接，CAN总线还与中央监控器连接。
所述通讯转换模块包括MCU、CAN控制器和CAN收发器，所述CAN收发器一端与CAN总线连接，另一端与CAN控制器连接，CAN控制器还与MCU连接；所述MCU采用51系列单片机，并通过扩展接口芯片与开关量、模拟量及RS232/485接口连接；CAN控制器为SJA1000芯片，CAN收发器为PCA82C251芯片。
本实用新型综合I/O DDC体系和分散DDC体系的优点，提出一种集散式混合动力电动汽车监控***。主要思路是“集中管理，分散控制”，在分散DDC网络中增加中央监控器(Supervisory Controller)。在CAN总线条件下，中央监控器的设定为最高优先级，可以有效的利用中央监控器的能力。在该控制体系下，任一节点发送信息都是主动的。也就是说只有中央监控器在逻辑上认为它应该给各现场控制器发送信息时才会占用总线，一旦发送完成则不再占有总线。而各现场控制器本身也是主动向中央控制器发送信息。这样充分利用了CAN网络通讯的多主通讯的优势，总线本身也可以有较长的空闲时间。无论那个节点有紧急信息，都可以立刻占有总线，启动发送。***的实时性，可靠性大幅度提高。
HEV整车控制策略最终目的是为了提高效率，减少排放，就是将采用石化燃料的发动机必须被控制在其自身最佳的工作区域内；电机宜与发动机的功率分配应随时根据整车运行工况及功率需求进行恰当调整；制动能量要尽可能回收；能量储存装置的工作状态需要随时监控，以便决定是否需要向其充电或停止工作。以集散式HEV控制***为载体的先进控制策略一般不以某一参量，而是几个参量的综合优化作为目标函数，由中央监控器及监测通讯网络***根据检测到的各种参数，如车速、加速踏板开启角度、电池的剩余电量等，确定理想的运行条件，并控制发动机、变速器、各电机、储能器及其它部件来满足这些运行条件。基于CAN总线的集散控制***可以很好满足HEV优化控制，协调各分总成工作的要求。
在传统的通讯设计思想中，每传送一帧命令或数据时，都需要进行通讯设备之间的握手，以检测通讯设备是否在线。事实上，每发送一个命令/数据包，也就等于发送一个握手信息，当在所约定的时间内没有接收到回应信号，即表示握手失败，无法与对方建立通讯链路。而在每传送一帧前，凭空加入检测对方是否在线的握手信号，只会给通讯带来负担，且加大出错概率。同样，任何一方接收到信息时，都要给对方发出是否已正确接收的回应。但在本实用新型的CAN总线协议中已经定义了回应位，所以在软件设计中无须上述过程，信息传输效率大为提高。
上述针对基于CAN总线的混合动力电动汽车的集散控制***具有如下优点：
1、全数字化。利用CAN总线实现信号传输全数字化，提高信号的可靠性，准确性。
2、控制的完全分散性。该***的控制单元全部分散到现场，控制回路由现场控制器实现，提高了控制的动态性能。
3、集中管理。现场总线中允许中央监控器根据车况用数字通讯的方式对现场控制器进行操作和调整，易于实现HEV整车控制的先进优化控制策略。
4、充分利用CAN总线多主通讯和广播式数据通讯的特点，在满足实时性的需要同时，也保证不丢失数据和损失带宽。
综上所述，基于CAN总线的集散控制***控适合于HEV的整车通讯控制，该***利用CAN作为汽车计算机网络总线，使汽车各离散控制单元能够共享所有信息和资源，达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高***可靠性和维护性、降低成本的目的；增设了中央监控器可以更好的匹配和协调各子***，适于采用先进的优化控制策略，有利于更好的提高整车性能。
附图说明
图1为HEV多能源动力总成的集散式控制***结构框图；
图2为图1中CAN总线通讯转换块结构框图；
图3为实施例1中CAN总线***智能节点的通讯部分电路原理图；
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
如图1所示，混合动力电动汽车动力总成的集散控制***包括中央监控器1、CAN通讯总线2、通讯转换块3以及分布在各分总成部件内的电子控制单元，分总成部件包括发动机油门控制器4、主离合器C0及AMT控制器5、DC/AC逆变器控制器6、双向DC/DC控制器7、电池管理模块控制器8和其他***控制器9。发动机油门控制器4、主离合器C0及AMT控制器5、DC/AC逆变器控制器6、双向DC/DC控制器7、电池管理模块控制器8和其他***控制器9的ECU通过通讯转换块3与CAN通讯总线2连接，CAN通讯总线2与中央监控器1连接。
中央监控器1实质上是个装有控制策略及算法软件的微型计算机，通过网络***不断采集各分总成各部件ECU的信号，计算确定各部件的工作状态和功率输出并加以显示，按控制策略向各部件ECU发出协调工作的指令；各分总成的ECU根据从网络上接收的指令和信息使相应的执行器动作，控制部件的运行状态、提供要求的功率，并把相关部件的当前状态信号经通讯转换模块由CAN网络传回给中央监控器。
如图2所示，通讯转换块主要由MCU33、CAN控制器32和CAN收发器31组成。CAN收发器31一端与CAN总线2连接，另一端与CAN控制器32连接，CAN控制器32还与MCU33连接。MCU31采用51系列单片机，并通过扩展接口芯片与开关量35、模拟量36及RS232/485接口37连接。如图3所示，MCU33为51系列单片机中的一款W78E51芯片，CAN控制器32采用SJA1000芯片，CAN收发器31采用PCA82C251芯片。SJA1000芯片支持CAN2.0A和CAN2.0B协议，同时支持11位和29位识别码，可达24MHZ的时钟频率和1Mbit/s的位速率，支持错误分析功能、监听模式和自我测试模式。
CAN总线通讯转换模块根据通讯协议，将对应的CAN总线信号转化为控制对应分总成控制器所需的数字开关量、模拟量或RS232/485通讯信号；同时将分总成控制器反馈回的数字开关量、模拟量或RS232/485通讯信号转化为CAN总线信号。如自动变速箱AMT采用的是RS-232通信接口，为了能连接在CAN局域网络上，通过CAN总线通讯转换块将AMT控制器的RS-232信号转换为CAN总线通信信号；同时将CAN网络上发送给AMT控制器的信号转换为RS-232信号。RS-232网络通信部分具体是在W78E51的UART接口连接一片MAX232芯片，把单片机串行口发送的数据信号转换为标准的RS-232负逻辑电平信号；又把RS-232网络上的负逻辑信号转换为串口信号给单片机使用。
通讯转换模块中的接口两方的数据接收都设置成为中断方式，数据的发送在主程序中进行。将RAM分为两个区，一个区用来作为CAN网络收发数据区，另一个区则作为RS232网络收发数据区。两边收发数据时，则将收到的数据临时存放于RAM中，等待另一边网络空闲时，将存放于RAM中的数据发送出去。这样可以很好的解决两种通信由于速率不同造成的不同步问题。
主监控器与分总成部件内的电子控制单元的分节点控制器通讯过程由以下步骤组成：
1.主监控器发出开始指令，各节点由待机状态转入工作状态，总线通讯开始。
2.总线进入广播式的多主通讯模式，各节点向外发出采集的数据，主监控器不断接受各节点的数据
3.主监控器向总线发出发送控制控制参数指令，对应的节点接收数据。
4.分控根据接受到的参数控制具体对象，同时读取控制对象的状态，存入内存。
5.主监控器进入状态检测，如果有必要，转入对某节点的一对一通讯。
6.主监控器取出数据计算，准备进入下个循环。
实施实例2
如附图1所示，集散控制***中，DC/AC逆变控制器6采用的是RS-485通信接口，CAN总线通讯转换模块结构与RS-232转换模块类似，只需将MAX232换为75LBC84即可，其它结构及应用同实施例1。
实施实例3
如附图1所示集散控制***中，双向DC/DC控制器7是使用模拟量和开关量控制的，相应CAN总线***智能节点需要可以通过并口连接AD0809扩展模拟量采样，通过并口连接DAC0832扩展模拟量输出控制，通过普通IO口连接TLP521扩展开关量的输入与输出功能，以实现通讯转换功能，其它结构及应用过程同实施例1。

Claims (2)

1、混合动力电动汽车多能源动力总成的集散式控制***，包括CAN总线，其特征在于，该***还包括中央监控器，通讯转换块及分总成部件内的电子控制单元，分总成部件包括发动机油门控制器、主离合器C0及AMT控制器、DC/AC逆变器控制器、双向DC/DC控制器、电池管理模块控制器和其他***控制器，分总成部件内的电子控制单元分别通过其通讯转换块与CAN总线连接，CAN总线还与中央监控器连接。
2、根据权利要求1所述的混合动力电动汽车多能源动力总成集散控制***，其特征在于，所述通讯转换模块包括MCU、CAN控制器和CAN收发器，所述CAN收发器一端与CAN总线连接，另一端与CAN控制器连接，CAN控制器还与MCU连接；所述MCU采用51系列单片机，并通过扩展接口芯片与开关量、模拟量及RS232/485接口连接；CAN控制器为SJA1000芯片，CAN收发器为PCA82C251芯片。
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