ISG混合动力汽车整车控制器的设计

汽　车　工　程Aut omotive Engineering

2009(Vol 131)No 17

2009123

ISG 混合动力汽车整车控制器的设计

3

　　3江苏省工业高技术研究项目(BG2004016)资助。

原稿收到日期为2008年11月4日,修改稿收到日期为2008年12月26日。

袁银南1

,王　忠1

,钱恒荣2

,黄成海

2

(1.江苏大学汽车与交通工程学院,镇江　212013;2.一汽汽车公司无锡柴油机分公司,无锡　214026)

[摘要]　根据I SG 用于带增压柴油机的混合动力汽车的特点,设计了基于C AN 总线的I SG 混合动力汽车的整

车控制器,包括硬件的模块化设计、C AN 总线的应用设计及针对废气涡轮增压柴油机的I SG 混合动力汽车控制策略设计,并且详细介绍了其硬件设计方法以及部分主要模块和算法的程序流程图。实验结果表明,该控制器功能强大、性能可靠,能准确实现带增压柴油机的I SG 混合动力汽车的整车控制策略。

关键词:混合动力电动汽车;集成式起动机/发电机;控制策略

Design of Vehicle Contr ol Unit for ISG Hybrid Electric Vehicle

Y uan Y i n nan 1

,W ang Zhong 1

,Q i a n Hengrong 2

&Huang Chengha i

2

1.School of Auto m obile and Traffic Engineering,J iangsu U niversity,Zhenjiang 　212013;

2.W uxi D iesel Engine W orks,FAW J iefang Auto m otive Co m pany,L td .,W uxi 　214026

[Abstract]　Based on the features of integrated starter/generat or (I SG )when used in hybrid electric vehicles (HE V )with turbocharged diesel engine,a CAN bus 2based vehicle contr ol unit f or I SG HEV is designed,covering the modularized design of hardware,the app licati on design of CAN bus and the design of contr ol strategy of I SG HE V ,s pecifically ai m ed f or exhaust 2turbocharged diesel engine,with hardware design method and the p r ogra m fl ow chart of s ome key modules and algorith m s p resented in detail .The test results show that the contr ol unit has powerful functi on and reliable perf or mance and can accurately achieve the vehicle contr ol strategy for I SG HE V with turbo 2charged diesel engine .

Keywords:HEV;I SG;con trol stra tegy

前言

混合动力汽车在节能减排方面体现出巨大的优势,已成为当前的研究热点。为了降低混合动力汽车的制造成本和整车质量,采用小功率电动机的轻度混合动力汽车的研制开发引起了广泛关注

[1-2]

。

其中,制造成本最低,最容易实现批量生产的是采用集成式起动机/发电机技术的I SG 型轻度混合动力汽车

[3]

。I SG 型混合动力汽车中,电动机取代发动

机原有飞轮,直接与发动机曲轴相连,通过I SG 实现汽车发动机怠速停机、功率补偿、制动能量回收以及主动减振功能

[4]

,具有对原车技术继承性好、实施方

便、适用范围广等特点。而随着目前车用发动机柴

油化的趋势,废气涡轮增压技术已成为目前车用柴油机采用的主要技术之一,废气涡轮增压柴油机只有在高速或中高速时才能输出比普通发动机较高的转矩。废气涡轮增压柴油机处于加速工况时,由于废气涡轮增压器叶轮的惯性使得空气进气有着明显的滞后性,因此为了保证加速过程中烟度满足法规要求,加速过程中就必须相应地对发动机进油量进行,这样就使得加速转矩不足,进而造成加速无力的后果,采用I SG 不仅可以替代原来的起动机和发电机,同时在低速时提供辅助功率[5]

,以及减轻曲

轴的振动

[1]

,回收制动能量。这样不仅弥补了废气

涡轮增压发动机低速时输出转矩不足的缺陷,同时

・602　・汽　车　工　程2009年(第31卷)第7期

降低加速烟度,改善汽车的加速特性。文中的I SG 采用了外环式高效永磁电机,定子组体安装在飞轮壳内气缸体端面处,由16块永磁体组成的转子组体安装在发动机飞轮端面处,发动机飞轮作为转子铁芯。I SG 在增压柴油机上的改装结构实物图见图1

。

图1　I SG 用在废气涡轮增压发动机的改装实物图

I SG 型混合动力汽车的整车控制器是根据驾驶

员的操作、加速踏板位置、车速和发动机转速、水温等参数,按照一定的规则即控制策略,使发动机和电动机输出相应的转矩(或功率),以满足驱动轮驱动力矩的要求,以及实现柴油机、电机、蓄电池和传动系统的优化匹配。

1　I SG 控制系统总体设计

I SG 混合动力汽车整车控制系统采用分层分布

式控制方案,第1层为整车控制器(HCU );第2层为各子系统的控制器,其中包括发动机控制器、电机控制器和电池控制器、动力转向、智能仪表、ABS 、直流电源隔离模块DC /DC,诊断节点,标定节点等各子系统的控制器。HCU 根据实时测量的驾驶员操控信息、车辆行驶信息以及各子系统实时反馈的信息,通过计算和逻辑推理向各子系统控制器发送控制指令,并由各子系统控制器控制各子系统的运行,从而实现HCU 对整车的控制。

I SG 控制系统的功能:(1)实时而准确可靠地

测取驾驶员操控信息,如加速踏板信号、离合器踏板信号、制动踏板信号、挡位信号、空调等各种开关信号以及车辆行驶信息,如车速信号等,以获得汽车的运行工况;(2)与第2层控制器的信息实时通信与交互控制,文中采用CAN 总线通信方式;(3)标定监测功能采用基于CAN 总线通信的标定监测系统和在线故障诊断功能。根据上述功能,确定输入I SG 控制器的信号主要包括启动开关、油门位置及其变

化率、车速信号、发动机转速信号、冷却水温信号、制动信号,I SG 控制器通过启动开关、油门位置、制动信号与车速信号来判断驾驶员的操作意图以及当前汽车的运行工况。通过发动机的转速、油门位置、水温来确定当前发动机的最优工作状态,由当前汽车的运行工况和发动机的最优工作状态来确定电机所处的工作模式。

2　I SG 控制系统硬件设计

控制系统硬件电路主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、A /D 接口电路、转速采集电路、开关量输入整车控制器。由整车控制器按照给定的控制策

略与算法程序协调电机和发动机的工作,输出整车需要的开关状态与P WM 调制波。I SG 整车控制系统ECU 硬件总体结构示意图见图2

。

图2　硬件电路结构图

车速信号由霍尔式转速传感器将转速信号通过

上拉、硬件整形,转换为电压脉冲信号,经硬件电路滤波、整形后送到MCU 的中断引脚,MCU 通过计算转过相邻两齿之间的时间算出转速。

由温度传感器将冷却水温度信号转换为电压信号,经硬件电路滤波、钳位后送到MCU 的A /D 引脚,作为判断发动机工作状态的辅助信号。

油门位置信号由位置传感器测得,经滤波后,为增加驱动能力用电压跟随器送到MCU;在位置信号后加微分电路使其输出位置微分信号,即油门位置的变化速度,来判断驾驶员是否急加速或急减速,油门位置电路以及油门位置微分电路见图3。

发动机转速信号由电磁式转速传感器输出后,经R 6和C 18滤波,经稳压二级管钳位后,再由R 37、R 18、R 31、R 39和3个三级管以及比较器整形成脉冲信号,输入MCU 的外部中断引脚。发动机转速测量电路见图4。　　发动机的启动信号与制动信号等开关量经滤波与钳位后直接送到MCU 的并行口,电路见图5。

2009(Vol 131)No 17袁银南,等:I SG 混合动力汽车整车控制器的设计・603　・

图3　

油门位置电路

图4　

发动机转速测量电路

图5　开关量的输入电路

　　系统CAN 总线电路采用PCA82C250,为CAN

总线收发器。为匹配总线阻抗,总线的两端分别接

有2个120

Ω电阻。物理总线选用了屏蔽双绞线。电路原理图见图6。

3　控制策略

传统I SG 混合动力汽车常采用转矩分离式控制

策略[6-7]

,它用于汽油机混合动力汽车时,因汽油机转速较高,电机与之匹配时低速效率较低,使得控制策略采用低速或1挡时不助力,而文中的I SG 电机使用在废气涡轮增压柴油机上,转速较低,同时因废气涡轮增压器只有在高速或中高速时才能有效增加发动机的进气压力,因而只保证了其高速或中高速时的性能,低速时输出转矩较低,即不能同时兼顾高低速时的性能。文中电机通过结构改进使得电机的低速效率明显改善,同时电机的高效率区覆盖了柴油机的转速范围,所以文中的控制策略将弥补发动机低速输出转矩不足和加速烟度较高的缺陷。I SG 混合动力汽车的控制策略见图7

。

图6　CAN 总线硬件电路图

・604　・汽　车　工　程2009年(第31卷)第7

期

图7　I SG 混合动力汽车的控制策略

　　I SG 混合动力汽车控制策略根据车速和从离合器传递过来的转矩需求,计算出I SG 电机应该输出的辅助转矩,剩余的转矩则由发动机提供。I SG 按照以下准则输出转矩:(1)汽车加速时,根据所需转矩和加速度值,I SG 辅助发动机工作;(2)当汽车减速制动时,I SG 工作在发电机状态,回收一部分制动能量;(3)当汽车行驶速度低于一设定值时,制动过程不再回收能量;(4)汽车行驶在1挡和低速、油门位置大于设定值时,I SG 辅助发动机工作。文中I SG 混合动力汽车没有纯电动工况,在大多数情况下发动机都工作。只当同时满足以下几个条件时,发动机才关闭:(1)蓄电池S OC 值小于设定的最低S OC 值;(2)汽车处于减速或驻车工况;(3)汽车速度低于一个设定值;(4)驾驶员没有进行换挡操作;(5)发动机的冷却系统温度大于设定值。根据驾驶员选择的汽车运行模式,如经济模式、动力模式等,MCU 自动改变系统输入参数,例如增大电动机提供辅助转矩的最大与最小值等,来适应不同的模式。

4　程序设计

控制程序采用面向驾驶员的思路,通过驾驶员所做的动作来判断当前驾驶员的操作意图,根据汽车运行状态判断汽车的工况,来查表选择发动机、发电机/起动机所处的模式,再根据控制策略计算电机与发动机的目标转矩。主程序框图如图8所示。

5　实验验证

文中控制器采用V 型模式设计流程和模块化设

计方法,实验首先搭建控制器样机硬件平台,为便于通过实时硬件系统中运行被控对象的模型,对控制器产品样机进行测试,缩短测试周期和费用,

设计了

图8　主程序框图

控制对象的硬件在环回路仿真系统

。硬件在环实验图9　硬件在环实验原理图

原理见图9。CAN 总线通信

[8]

实验按照J1939的协

议格式定义通信协议。波特率设置为250k bit/s,采用扩展帧格式发送数据。各个数据帧标识符见表

2009(Vol 131)No 17袁银南,等:I SG 混合动力汽车整车控制器的设计・605　・

1。CAN 总线部分实验结果见表2。

表1　各个数据帧标识符

数据帧

扩展帧标识符(识别码)

282726252423222120191817161514131211109876543210RTR 整车发送给电机的数据帧000000000010000000011000000100

00H 20H 18H 10H 电机对整车的检查应答110000000001100000010000000110

C0G 18H 10H 18H 电池对整车的检查应答11000000000

1100000010000000010

C0H 18H 10H 08H 整车检查电池请示帧110000000000100000001000000100

C0H 08H 08H 10H 整车检查电机请求帧110000000000100000011000000100

C0H 08H 18H 10H 整车请求电池数据帧011000000001000000001000000100

60H 10H 08H 10H 电池发送给整车的数据帧

1

1

1

1

1

10

60H

18H

10H

08H

表2　CAN 总线部分实验结果

汽车工况启动开关制动开关发动机转速/r ・m in -1

油门位置/

%车速/

km ・h -1

SOC /%整车控制器发送的数据

电机控制器接收的数据

电机工况起步

闭合断开000

8003H 0FFH 03H 0FFH 启动起步闭合断开200007003H 0FFH 03H 0FFH 启动爬坡断开断开140080215001H 55H 01H 55H 助力爬坡断开断开150090224001H 4CH 01H 4CH 助力加速断开断开150060605001H 4CH 01H 4CH 助力加速

断开

断开

1600

70

50

40

01H

41H

01H

41H

助力

　　按图7描述的控制策略,在JB /T9773.2—1999《柴油机冷启动性能试验方法》要求条件下,发动机均可以启动,且在0℃时,可以满足快速启动功能与发电功能。表用I SG 的废气涡轮增压发动机的外特性见图10。该控制策略可以弥补发动机低速输出转矩不足和加速烟度较高的缺陷,以及利用发电机吸收制动能量。实验证明了控制器的硬件和底层驱动的设计符合既定的设计要求,能够准确及时地采集输入信号和输出控制信号,可以完成设定的控制策略,具有良好的可靠性。

图10　I SG 用于废气涡轮增压发动机的外

特性转矩曲线与原机对比图

6　结论

文中I SG 混合动力汽车整车控制系统的硬件设计中兼顾功能和可靠性,采用模块化设计方法降低了成本、缩短了研发周期,有利于硬件设计的标准化、系列化,为混合动力系统的开发打下了基础。该控制系统的控制策略设计在本田insight 混合动力汽车的转矩分离控制策略的基础上进行改进,适应了I SG 在增压发动机上的应用,实验证明该改进的策

略可以满足系统的设计需要,整车控制器的硬件和底层驱动的设计符合既定的设计要求,能够准确实时地采集输入信号和输出控制信号,可以完成设定的控制策略,具有良好的可靠性。为增加控制系统的可扩展性和可移植性,内核可采用基于OSEK/VDX 协议的实时操作系统,使控制器功能更强大。

(下转第633页)

　・

图11　AFS+VT D控制框图

向发展,保证并提高了车辆的整体性能。

(3)为进一步提高车辆的综合性能,还可在前述的两个子系统进行集成控制的基础上,继续引入主动抗侧倾控制等电子底盘控制系统,形成多个子系统集成控制,实现真正的汽车底盘一体化控制。

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(上接第605页)

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