【doc】带增程器的纯电动汽车整车控制器设计

【doc】带增程器的纯电动汽车整车控制器设计 带增程器的纯电动汽车整车控制器设计 第3O卷第1期 2012年01月 佳木斯大学(自然科学版) JournalofJiamusiUniversity(NaturalScienceEdition) Vo1.30No.1 Jan.2012 文章编号:1008—1402(2012)01—0069—04 带增程器的纯电动汽车整车控制器设计? 钱多年 (同济大学中德学院.上海200127) 摘要:主要介绍带增程器纯电动整车控制器的设计.首先定义整车控制器的功能.通过 动力蓄电池荷电状态SOC逻辑门限控制策略,当电池SOC低于门限值后,燃料电池开启,起到增 程器的作用.通过仿真软件和数学计算评价整车的经济性和动力性,设定SOC门限值为0.4.使 用MPC555芯片作为整车控制器的硬件平台.利用Matlab/Simulink及其子模块Stateflow建立控 制模型,通过RTW,TLC等语言编译器生成机器码,使用CANape和MPC555的CAN标定线下载 到芯片.最终完成整车调试和标定. 关键词:增程器;燃料电池;控制策略 中图分类号:U469.72文献标识码:A 伴随着日益严重的大气污染和能源危机,传 统交通工具一汽车的可持续发展面临越来越严峻 的形势.研发电动车作为解决上述问题的有效途 径,得到了越来越广泛的认可…. 但由于目前蓄电池储能有限,纯电动汽车存在 一 次充电后续驶里程短的问题.笔者考虑采用在纯 电动汽车上加装一个增程器的来增加纯电动 汽车的续驶里程. 增程器是为了增加纯电动汽车行驶里程而加 装在纯电动汽车上的一个附加储能部件.通常用户 可以在出行时根据行驶里程需求确认是否安 装L2】.本文设计的电动车所使用的增程器是燃料 电池. 整车控制器的基本功能对驾驶员的一些操作 指令及传感器信号进行数据采集,根据车辆运行状 况,控制电机,电池,增程器及外围执行机构安全, 稳定,科学的工作. 1整车控制器功能定义 1.1整车控制器功能介绍 整车控制器VMS的控制对象为整个动力系 统,主要包括电机,动力蓄电池,增程器和仪表.并 在各部件控制器(如电机控制器MC,动力蓄电池 控制器BMS,增程器控制器等)的配合下完成包括 能量管理,故障诊断等. 整车控制器VMS通过与其他各控制器之间的 CAN网络接口实现分布式现场总线控制 ?'—雾蓁……—一充电机?竺! . }电机控制. …… 整r———-—一 奎高速CAN霾磊嚣控 ?制 器 仪表 一一一 : 图1CAN总线网络 1.2能量管理和驾驶控制功能 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两个能量源,分别是 动力蓄电池和燃料电池.所以需要通过整车控制器 ?收稿日期:201I一12—14 作者简介:钱多年(1986一),男,上海人,同济大学中德学院在读硕士研究生. 70佳木斯大学(自然科学版)2012年 协调两个能量源. 20km/h匀速充电行驶里程 1I.9…,…m……,一…,… { 11.8 11.7 11.6i………一一…一 0.3040.50.8 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 公交车工况 13 12.9 "Okm/h~J速充电 f驶里程 l2.8 l2.7 1.3故障诊断功能 30km/h匀速充电行驶里程 / 7.9 7.8 7.7 斗公交车工况7?6 7.5 7.4 7.3 7.2 市中心工况 30km/h匀速充电 行驶里程 图2不同工况不同SOC门限值下续航里程 当动力系统各部件控制器(如增程器,BMS,充 电机控制器等)监测到该部件性能参数超出控制 范围,通过CAN网络将该故障传输给整车控制器. 根据实测数据偏离门限值的多少,故障分为三级. 当一级故障发生时,整车控制器控制整车停车 并切断动力电.当二级故障发生时,整车控制器关 闭相应部件.当三级故障发生时,整车控制器将该 故障显示到仪表,起到警示作用. 图3整车控制器电气原理图 2整车控制策略 本论文设计的带增程器电动车整车控制策略 包括两部分:驾驶控制策略和能量管理策略. 2.1驾驶控制策略 整车控制器在接受到加速踏板位置信号,档位 市中心工况 信号和钥匙信号,即驾驶员驾驶意图后,根据加速 踏板从零到最大开度和电机从零到最大转速正比 的对应关系,输出电机控制器调速电压,控制电机 目标转速.而通过档位信号控制电机正反转. 同时考虑到动力蓄电池SOC余量,当电池SOC 余量低于0.25时,对电机的目标转速减半 e蛘$?癌舞,剐j-''0 '1.j?渤0张龄.礤jI, {接4?X,鬣? % 女瑚m 端毒隽;蒜^201T;一:, ,!_c.:::誊薏暑.育苎鸷毒捧: 隶嗵霸窀}号崤, . 5 巍穗瓣挂磕崩 裤整毫嚣鬻世^ fII留砰tt屯B I她辞— 翱s毫靠麓霞稽晕i棼^ :?%=受释哥赫邕:帮』l 豫嘲l:寓W:奄薜5导羹邕".溜} ?=hg舸奠{%:{j0 如t铺毒基熊 J?K:;' ,? :K,? 驺I.w膳:lc}甜? Selimr_饼 l饕女em童0 蔫寡魅巷飘:^融a :《0颦卜g:? 穰寇醺c?西"口 .譬士希a 图4blPC555芯片的接口定义 第1期钱多年:带增程器的纯电动汽车整车控制器设计7l 2.2能量管理策略 对于拥有两个能量源的电动车,能量管理策略 是整车控制策略中最重要的一环.. 目前研究较多的能量管理策略主要有三种,第 一 种是逻辑门限控制策略;第二种是自适应控 制策略;第三种是基于模糊逻辑或神经网络的 只能控制策略. 本文采用逻辑门限控制策略,而评价指标包括 三部分:蓄电池充放电经济性,动力性和能否体现 增程器概念.当电池SOC低于门限值后,燃料电池 以恒功率2kW开始工作,起到增程器的作用.由于 燃料电池工作时,一部分功率提供汽车克服行驶阻 力,剩余的功率还能给动力蓄电池充电,所以在选 择启动燃料电池对应的动力蓄电池SOC门限值 时,要考虑到电池充放电的经济性.使电池在充放 电效率最高的区域工作. 本文使用Matlab的插件Advisor2002,通过带 增程器的电动车在SOCf-j限值分别为0.3,0.4, 0.5和0.8时启动燃料电池,仿真燃料电池从开启 到氢气耗尽行驶里程加上燃料电池充电电能提供 车辆纯电动行驶的里程,以此为指标评价充放电经 济性. 选择较符合电动车工作的工况,包括:20km/h 和30km/h的等速巡航工况,公交车工况(CYC— NewYorkBus)和城市中心工况(CYC—NYCC). 图2所示为在不同工况,不同SOCf-i限值下, 电动车的续航里程.可以发现,当动力蓄电池SOC 下降到0.3—0.4时,启动燃料电池,可以得到最好 的经济性能. 然后考量动力性.为保证车辆在开启燃料电池 后,电动车仍有足够的能量保证动力性的需求,设 计电动车以10km/h的车速连续爬15%坡度的工 况.计算电动车在不同SOC门限值下开启燃料电 池直到动力蓄电池电能耗尽(动力蓄电池SOC低 于0.2),所行使的距离.以SOC门限值0.4为例. 首先计算爬坡所需电机功率. == (mgf.cosa+m2g~sinte+CaAlV5~,V =×(570×9.8×O.018×c.s8.535+570×9.8×sin8.535+Q三)×1o = 3.40(kW)(1) 表1整车控制器(VMS)功能定义 由于爬坡所需功率大于燃料电池提供的功率, 此时动力蓄电池和燃料电池同时输出电能提供给 爬坡所需的功率.已知动力蓄电池额定电压128V, 额定容量40Ah.以SOC门限值0.4为例,可以计算 出从燃料电池开启直到动力蓄电池电能耗尽爬坡 的距离. 128×40×(0.4一SOC):×—P2+— P~ '77充放电 一 p燃料电池×燃料电池 128×40×l(o.4一o-2)=,x3百400+350—2000× t=0.436h=1568.2s S=坡't=10×0.436=4.36(km)(2) 表2所示为在不同SOCf-I限值下从燃料电池 开启直到动力蓄电池电能耗尽爬坡的距离.随着 SOC门限值下降,电动车动力性能变弱.同时考虑 到增程器的概念,需要在动力蓄电池电量尽量低的 情况下再开启增程器,所以选择当动力蓄电池SOC 降到0.4时开启燃料电池. 表2爬坡里程 soc值 O.3 O.4 O.5 O.8 2.63 4.36 5.65 9.45 72佳木斯大学(自然科学版)2012年 3硬件设计及软件开发 3.1硬件设计 文本使用MPC555芯片作为整车控制器的硬 件平台.MPC555微控制器是一款高性能高速32 位单片机,片内含有64位的浮点单元,448KB的 FlashROM,26KB的SRAM和6KB的TPU专用 RAM,4KB专用ROM. 整车控制器的输人输出数据,可以通过两种途 径和外围机构联系.一种是通过CAN通讯,另一种 通过MPC555的A/D,D/A和I/O口,输出输入模 拟量和开关量.图3和图4所示为整车控制器电 气原理图和MPC555芯片的接口定义. 3.2软件开发 整车控制器的软件部分主要是获取CAN通讯 及硬件接口的输人数据后,通过能量管理,驾驶控 制以及故障诊断的控制及计算,输出开关量及模拟 量给各个部件控制器. 运用Matlab/Simulink及其子模块Stateflow建 立控制模型,利用RTW首先对Simulink模块方图 以ASCII码的形式存储在mode1.rtw的模型中间描 述文件.然后由目标语言编译器(TLC)生成代码: 包括系统目标文件,模块目标文件,目标语言编译 器函数库.生成自定义的联编文件,即mode1.mk. 程序创建过程将调用联编实用程序,而该程序对编 译器程序进行调用,生成机器码,通过CANape和 MPC555的CAN标定线下载到芯片. 3.3整车调试和标定 整车调试包括弱电调试和强电调试两部分.弱 电调试涉及整车控制器,动力蓄电池控制器,增程器 控制器,电机控制器,仪表及档位,钥匙位置等部分. 当整车弱电调试完毕,确定各控制器及部件能 在钥匙于1位置,整车低压上电以后,通过CAN通 信实现控制电路续电器和各控制器开闭.开始高压 上电,接通电机和燃料电池.同时标定油门踏板开 度和电机转速之间的对应关系,并证实整车控制器 设定的能量管理控制功能,根据动力蓄电池SOC 的数值自动控制燃料电池的开闭. 最后在试车场进行路试,验证车辆是否达到设 计预期的动力性和续航里程的指标. 4总结 本文介绍了增程器这个在国内比较先进的概 念,同时定义了带增程器电动车使用的整车控制器 的功能.最后介绍了整车控制器及其控制策略的设 计流程.希望给电动车控制系统设计与控制起到一 定的借鉴作用. 参考文献: [1]ShimizuH,eta1.J,BlandC.AdvancedConceptsinElectricVe— hieleDesign[J].IEEETram.OnIndustrialElectronics,1997, 44(1):14—18. [2]尤寅,宋珂,尹东晓.带Range—Extender纯电动汽车动力系 统设计[J].北京汽车,2010,21(3):70—74. [3]KimuraA,eta1.DriveForceControlofaParallel—aeriesHybrid System.JSAEReview,1999,20(3):337—341. [4]JohnsonVH,eta1.HEVContmlStrategyforReal—timeOpti— mizationofFuelEconomyandEmissions.SAEPaper2000一O1 — 1543,2000. [5]BanmannBM,cta1.MechatronieDesignandControlofHybrid ElectricVehicles.IEEE/ASMEZhns日c瞳OftMechatronics. 2000,5(1):58—72. DesignoftheVehicleManagementSystemoftheElectricAuto withRange—.extender QIANDuo—?nian _(ChineseandGermanCollege,TongjiUniversity,s~ghai200127,China) Abstract:Thefunctionofthevehiclemanagementsystemoftheelectricautowasdefinedinthispaper. Thechargingstateofbatterywereusedforthecontrolstrategy.WhentheSOCislowerthanthethreshold,the fuelcellwillbestartedandworkastherange— extender.Accordingtotheresultoftheeconomicanddynamical performanceofthevehiclefromsimulationandcalculation,thethresholdofSOCwasfixedon0.4.Thechip MPC555wasusedforthevehiclemanagementsystem.ThemodelofcontrolstrategyisbuiltwithMatlab/Simu— linkandStateflow,andthencompiledwithR阿 andTLCintomachinelanguage,whichisdownloadedintochip withCANapeandCAN—Bus.Finallythevehicleistestedanddemarcated. Keywords:range—extender;fuelcell;controlstrategy