基于apu的电动客车整车协调控制研究

基于apu的电动客车整车协调控制研究

由于电动汽车的需求有限，纯电动汽车存在着充电后短距离的问题，严重影响了纯电动汽车的普及。通过在纯电动汽车上加装一个增程器的方法来增加纯电动汽车的续驶里程,可以有效解决续驶里程短等问题。增程器是为了增加行驶里程而加装在纯电动汽车上的一个附加储能部件。本文设计的电动车所使用的增程器是辅助动力单元(APU)。增程式电动客车克服了传统燃油车高油耗、高排放以及纯电动车续驶里程低、成本高的缺点,具有应用推广价值。该技术的特点是以电为主,以油为辅;在动力电池电量低于某一定值后,APU启动,满足整车高速行驶时的电量平衡。本文以某型增程式城市电动客车为背景,详细描述了整车技术构型,提出了一套整车控制策略,着重阐述了该整车控制器的多能源动力分配策略、能量优化管理策略和整车控制器的硬件、软件设计实现。实际运行结果表明,该整车控制策略能有效减少电量消耗,延长电池寿命,增加续驶里程,解决了纯电动客车续驶里程短等问题。1增程式城市电动客车该增程式电动城市客车最高车速为80km/h,最大爬坡度为25%,续驶里程为140km。该型增程式城市电动客车能量源有2个:动力电池组和APU,主要实现快换、整车快充和车载APU系统自充续航。根据动力电池组的能量和不同的工况可以选择动力电池组、APU单独供电驱动或联合供电驱动,以获得最佳的能效性和能量利用率。该型增程式城市电动客车整车技术构型方案如图1所示。2apu系统故障工况整车控制器统一协调汽车各部件(如APU、电机、电池等)工作,是整车控制系统的中心枢纽。主要功能是采集汽车各类信号(如加速踏板信号、制动踏板信号等),对汽车整车和部件状态进行监测,并进行相应的故障处理。各部件控制器包括电机控制器、电池管理系统和智能仪表系统等。根据驾驶员操作意图和动力电池荷电状态计算出车辆运行所需要的APU输出功率和电动机转矩等参数,发送各种控制信号到相应的部件控制器,并由其控制各部件正确运行,以达到最佳的能量效率和排放指标。因此,整车控制器直接影响着整车的动力性、经济性和可靠性。能量分配策略是整车控制的核心,可根据整车动力电池的能量状况给驱动电机发送驱动命令和进行行驶模式的切换,并且合理管理APU系统,达到对能量的优化管理。当仪表开关处于混合动力模式时,根据能量状况,控制APU系统的启动和停止以及进行充电量的管理,控制车辆的行驶模式。2.1数据传输设计1)优先考虑安全性好与可靠性高的设计。2)为了保证系统的通用性和先进性,采用国际上电动汽车研发中通用的CAN2.0B协议实现数据传输。3)综合分析功能需求,在功能验证与样车开发试制时尽可能多采取软件实现,以便增强系统变更时的灵活性,设计定型后通过综合考虑系统可靠性与成本来设计软、硬件。4)硬件设计中,接口资源要有冗余设计,增强变更时的适应性。基本原则:兼容以前版本及相关车型,统一使用,输入、输出留备用接口。2.2模块化设计方法整车控制器(VCU)既有大量的数字量输入、输出,又有模拟量输入、输出,还有对外通讯的功能,因此电路设计比较复杂。需采用模块化设计方法,降低设计复杂度。控制器的元器件应选择成熟的部件,以满足汽车复杂、严格的环境要求和安全、可靠性要求。2.2.1/dc转换电路该整车控制器使用的供电电源为车载24V,经DC/DC转换器将24V电压转换为电路所需的+12V、+5V电压源。在电源输入前端加入二极管,完成反向保护。2级滤波电路有利于提高系统的抗干扰性。2.2.2智能控制器的发展趋势微控制器MCU作为整车控制系统数据处理的核心,要求具有高可靠性、速度快、系统资源丰富等特点,因此嵌入式高速MCU得到广泛应用,32位MCU已成为汽车整车控制器的发展趋势。本系统采用瑞萨科技的V850系列的32位MCU-μPD70F3380,工作频率为24MHz,具有128k片内FLASH、4k片内RAM、3路CAN控制器、112脚封装。2.2.3ad采集电路接受来自汽车传感器的各类模拟信号,经过滤波电路、放大电路后,通过AD采集进入MCU。对来自汽车的开关状态输入信号进行电平转换、光电耦合隔离,把开关信号送到MCU的相关引脚。2.2.4信号输出电路输出数字I/O信号,通过继电器控制,增大电路的驱动能力,向执行器输出具有驱动能力的开关信号。2.2.5mc与动力总成控制系统的can通信V85070F3380集成了3个CAN2.0B总线控制器,所以不需要额外添加片外CAN控制器。收发器采用TJA1050。采用CAN收发器来进行MCU与动力总成控制系统及其他控制器之间的CAN通信。CAN通信采用了共模扼流圈滤波等技术,抗干扰能力强,通信比较稳定。CAN通信能用于动力总成控制系统与MCU间的数据通信及程序的标定与诊断。CAN收发器波特率为250kbps,数据结构采用扩展帧(29位ID值)。VCU的硬件电路总体结构如图2所示,以瑞萨公司32位微控制器V85070F3380为核心与各模块电路相结合形成整车控制器硬件平台,可用于增程式电动客车的整车控制。2.3抗电磁干扰设计在汽车电子环境中,VCU会面临来自多方面的干扰,包括电源噪声、各种功率执行器产生的瞬变脉冲电压、电磁波信号发射等,这对系统的可靠性会产生非常不利的影响。为了提高控制系统的工作可靠性和耐久性,就必须在硬件系统设计阶段采取相应的措施以提高其抗干扰能力。电磁兼容性已成为汽车电子控制系统设计中越来越受到重视的一个问题。VCU硬件系统在不同的设计阶段应采取相应的抗电磁干扰措施。1)电源部分采取防反接、稳压、低通滤波器及解耦等措施,可有效抑制外界电磁干扰,提高电源可靠性。采用DC/DC电源隔离模块实现控制器内部电源与输入电源电气隔离,模拟地与数字地分离,最后经0欧姆电阻连接,减少相互之间耦合干扰。2)对进出VCU的I/O信号,通过RC滤波、电容滤波、光电隔离等电路,滤除信号噪声。3)合理的PCB布局和模块隔离模拟电路、数字电路以及大功率驱动电路等电路模块互相独立并隔离,避免相互干扰。4)选用高稳定性、高可靠性的汽车级元件,并尽量选择集成度高的元件,能减少电路板元件数量,使电路布局简单,缩短焊盘和连线之间的距离。3整辆车的控制策略3.1增程式城市电动客车整车控制策略能量管理和驾驶控制功能是整车控制策略的核心部分。通过加速踏板的位置信息识别驾驶员的驾驶意图,并且通过整车控制器设置的驱动控制算法输出电机控制器调速电压,控制电机的转速。由于带增程器的电动车有2个能量源,分别是动力电池组和APU。所以需要通过整车控制器协调2个能量源。车载APU系统以及动力电池组共同组成串联混合动力系统的2个动力源,整车具有纯APU系统驱动、纯电动驱动、混合动力驱动等3种工作模式。为满足市区特殊路段的纯电动行驶要求,对整车设置功能模式开关:纯电动行驶、混合动力行驶,具体由驾驶员选择操控。在混合动力行驶模式下,工作模式的合理切换和双动力的合理调整由整车控制器实施。本文设计的增程式城市电动客车的整车控制策略包括2部分:驾驶控制策略和能量管理策略。整车控制器的多能源管理和控制指令计算逻辑示意图如图3所示。3.2整车控制器控制逻辑驾驶员仪表板工作模式开关置于“纯电动行驶”。整车控制器控制逻辑描述:直接把驾驶员踏板采集值输出到驱动电机,控制器不实施能量分配策略计算。控制逻辑:λa*=λa3.3控制方案设计指标驾驶员仪表板工作模式开关置于“混合动力行驶”。混合动力工作模式的合理切换和双动力的合理调整由整车综合控制器实施。整车控制器控制逻辑描述:APU输出功率主要用于驱动车辆行驶,在APU输出功率动态调节过程中,动力电池组输出峰值功率作为补偿。控制逻辑:1)驾驶员踏板指令λa*=λaλa∗=λa2)APU输出功率指令Ρ*AΡU=ΡΣ*+ΡB*P∗APU=PΣ∗+PB∗式中:PΣ*为由驾驶员踏板给定的驱动功率需求值;PB*为由动力电池组SOC调整策略给定的功率输出值。为避免APU的频繁开关和动态调节,作如下约束:功率输出值约束:Min{P*APU}≤P*APU≤Max{P*APU}功率加载步长约束:ΔΡAΡU≤{5kW/s当AΡU处于稳态⌶况时3kW/s当AΡU处于动态调节⌶况时ΔPAPU≤{5kW/s3kW/s当APU处于稳态⌶况时当APU处于动态调节⌶况时功率卸载步长约束:ΔΡAΡU=ΔΡ*AΡU-ΡAΡUΔPAPU=ΔP∗APU−PAPU即APU输出功率可以直接按照目标值进行卸载。3)驾驶员期望的驱动功率输出计算Ρ*∑=f(λ*a,nm)P∗∑=f(λ∗a,nm)即驱动功率目标值是驾驶员踏板和当前电动机转速的函数,具体计算式为Ρ*Σ≤{Ρmaxnmnnηm‚λ*anm≤nnηm=50%+30%nn(nn-nm)3kW/s‚nm>nnηm=85%式中:nn为电机额定转速;nm为电机当前转速;Pmax为电机峰值功率;ηm为电机驱动系统平均效率。为避免计算功率的波动和毛刺,需要对驾驶员踏板信号进行一次数字滤波。4)动力电池组SOC调整策略设定动力电池组目标SOCt为50%,动力电池组最大SOCmax为70%,动力电池组最小SOCmin为30%。控制策略描述:当动力电池组SOC实测值高于目标值时,动力电池组不主动充电;当动力电池组SOC实测值低于目标值时,动力电池组补充充电功率;当动力电池组SOC实测值高于最大值时,APU系统主动关机,直至动力电池组SOC实测值达到最小值时再主动启动;当动力电池组SOC实测值低于最小值时,APU主动启动,直至动力电池组SOC实测值达到最大值时再主动关闭。Ρ*B={Ρ*Σ-Ρ*AΡU‚SΟC∈[SΟCt,SΟCmax]ΡC.maxSΟCt-SΟCSΟCt-SΟCmin‚SΟC∈[SΟCmin,SΟCt]式中PC.max为动力电池组补充充电最大功率,PC.max=30kW。4软件设计与产品软件系统结构按功能分为2个部分:底层硬件驱动和控制策略的优化实施。4.1端口初始化和配置底层硬件驱动是实现整车控制器控制策略的核心,它是MCU与外部进行数据交换的基础。在进入主程序之前首先要对MCU所使用的端口进行初始化,根据实际需要合理配置端口的类型,设置相应的时钟和定时器,设置AD采集模块、CAN通信模块,配置CAN总线的通信速率,设置相应的中断向量和看门狗定时器等。底层硬件驱动主要负责完成处理器对通信信息的采集和处理。4.2控制器发展性测试控制策略实施是在主程序中进行。在整车控制器上电后,首先需进行初始化,然后判断该车的低压和高压是否正常;通过判断钥匙开关来决定电动车辆当前所处的状态;通过CAN网络上来自其他控制器的报文,判断控制器是否掉线,并将处理结果放入相应的消息对象中,由中断服务程序发布;主要负责整车多能源的分配和能量优化策略的实施,根据动力电池的状态信息来确定APU的运行状态,实现整车能量优化控制目标。程序主循环中,通过采集来自油门踏板和制动踏板的信号,按照整车