公交车制动能量再生系统电控单元的设计

张小东,曲金玉,张益瑞,梁力艳

(山东理工大学交通与车辆工程学院,山东 淄博 255049)

随着汽车工业的迅猛发展,燃油紧缺、环境污染成为目前世界上亟待解决的突出问题,各国都在研究减少燃油消耗和降低排放的汽车环保节能技术,其中再生制动能量回收技术是有效手段之一.公交车主要运行在城市道路中,行车速度慢,并且频繁处于起步、制动和怠速状态,导致传统的内燃机客车的油耗大,排放高,是城市污染的重要源头.提高公交车的能量利用率具有十分重要的社会效益和经济效益.以电能方式储存制动能量的制动能量回收系统通过电机回收/再生制动能量,该方式是目前研究的主要方向,但其主要应用对象为电动汽车[1-2].并联式液压制动能量再生系统与公交车原有机械式动力传动系统并行联接,通过对公交车较少的改动即可实现公交车制动能量的回收和再生,从而提高车辆能量利用率,达到公交车节能减排的目的.研究表明,安装并联式液压制动能量再生系统后节油率达到20%,各种其他排放指标下降20%～50%,效果显著[3-4].

1 液压式制动能量再生系统构成

液压式制动能量再生系统由液压蓄能器、液压油路控制单元、变量液压泵/马达、电磁离合器、变速箱和电子控制单元构成,控制系统结构如图1所示.其中,变速箱实现液压制动能量再生系统与公交车动力传动系统的并行联接;电磁离合器连接变量液压泵/马达与变速箱,通过电磁离合器的通电/断电实现并联式液压制动能量再生系统与公交车动力的传递/断开;变量液压泵/马达是系统的能量转化元件,实现机械能与液压能之间的双向转换;液压蓄能器储存高压液压油是系统的储能元件;液压油路控制单元由多个电磁换向阀和管路组成;电子控制单元通过各种传感器识别驾驶员的意图和车辆的工作状态、调整各执行器的控制参数,并驱动各种执行器[5].

图1 液压式制动能量回收系统结构原理图

2 电子控制系统的组成

并联式液压制动能量再生系统电子控制系统如图2所示.电子控制单元分为电源模块、输入信号调理模块、输出信号调理模块和微处理器.

图2 电子控制系统结构原理图

电子控制单元的输入信号有点火开关信号、使能开关信号、蓄电池电压信号、蓄能器压力信号、制动踏板位置信号、加速踏板位置信号等.输入信号反映了驾驶员的操作意图和公交车的运行状态,微处理器根据输入信号识别液压式制动能量再生系统的工作模式.

输出信号为电磁离合器继电器控制信号、电磁换向阀控制信号、变量液压泵马达排量比例调节机构的调整电流,通过对继电器、电磁阀以及泵/马达的驱动控制,实现对液压制动能量再生系统工作状态的调节.在微控制器的控制下实现并联式制动能量再生系统与公交车原动力传动系统的协同工作,实现驾驶员的操作意图.

显示模块用来指示系统的工作状态,包括电源指示灯、报警指示灯、蓄能器储能状态指示灯和系统工作状态指示灯.通信模块通过SPI总线实现微控制器与扩展芯片的通信,UART接口电路实现控制系统与上位机的通信.

2.1 主控芯片选择

本系统采用美国Silab的高速混合信号ISP FLASH微控制器C8051F005作为本系统的微处理器.该微控制器特点如下[6]:(1)高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS);(2)8通道12位的片上SAR ADC,可编程转换速率,最大100kbps,可编程放大器增益;(3)2304字节内部数据RAM,64K字节FLASH存储器,可以在系统编程;(4)4个通用16位计数器、定时器阵列,硬件SMBus、SPI及两个UART串口;(5)5个16位捕捉/比较模块和一个专用16位定时计数器,可方便的实现PWM输出和脉宽的测定,只需要较少的CPU干预.

2.2 电源电路设计

电子控制单元中微处理器C8051F005使用2.7～3.3V供电电源,变量液压泵马达排量比例调整机构的驱动电压为24V,驱动电流为200～600mA;输入信号调理模块和输出信号调理模块需要5V电压.电子控制单元对电源模块的要求复杂,同时,作为车载控制电路要求对抗干扰性有很高的要求.英飞凌公司的LT3437是能够在3.3～60V宽输入电压范围内获得高效率的降压式开关稳压器,可以满足要求苛刻的汽车环境的要求[7].本设计中使用LT3437实现蓄电池24V电压到5V电压的转换;由低压差稳压芯片AS1117构成5V～3.3V的电源供电电路.为保证微控制器C8051F005的工作稳定性,设计了专门的供电电路提供数字电压+3VD1和模拟电压AV+,供外部扩展电路使用的3V电压由+3VD2提供.电路如图3所示.

2.3 MOS管驱动电路设计

系统输出的开关量有控制电磁离合器结合/分离、控制电磁换向阀保压、回收和再生动作、强制卸压溢流阀的打开和关闭,功率驱动使用超效应管实现接通和关断电路.功率场效应管驱动芯片采用凌特公司的T LE6230 GP,其具备足够大的驱动功率同时还可以通过SPI总线接口完成输出控制功能和诊断功能,从而分辨对每路输出进行控制、实时故障检测;还可以获得每路输出状态的信息:正常运行、过载、对地短接和负载开路等[8].电路设计如图4所示.

图3 电子控制系统电源电路

2.4 变量液压泵马达有效排量驱动电路的设计

变量液压泵马达排量调整用比例电磁铁实现,比例电磁铁调整方式分模拟调整方式和PWM调整方式两种.其中,模拟调整方式特点是电流控制精确,缺点是持续供电消耗能量大,抗干扰能力差.PWM调整方式使功率MOS工作在开关状态,能量消耗小,本系统的驱动方式采用PWM控制方式.该电路采用飞思卡尔公司生产的全桥驱动芯片33486 A配合微控制器输出的PWM信号输出驱动电流范围为200～600mA.该芯片具有驱动功率大的特点同时还可以通过ST端指示过热、过电流故障的功能,并且在系统不工作的保压状态时通过WAKE端置低电平可使驱动电路处于低功耗的睡眠状态或者正常工作状态[9].在Cur_R端可复制芯片的驱动电流,接3欧姆的下拉电阻实现电流-电压的转换,通过微处理器的AD采样控制程序修正PWM的脉宽,驱动电路原理图如图5所示.

3 电子控制系统程序设计

系统控制单元的控制程序采用C语言编写.从功能上分为主程序模块、制动能量回收子程序模块和制动能量再生子程序模块以及显示和数据采集等子程序,本文将介绍主程序调度模块、制动能量回收子程序模块和制动能量再生子程序模块.

主程序工作流程图如图6所示.主程序调度模块的主要功能为系统上电时初始化微处理器各特殊功能寄存器使系统处于待工作状态,初始化输出信号端口使液压式制动能量回收系统处于正常的工作状态,若检测到系统初始化不正常,产生报警.若系统初始化正常则打开中断并启动定时器T4,此时,主程序进入循环状态循环检测系统的工作状态.定时器T4依次触发扫描子程序、显示子程序和串口通讯子程序.当扫描子程序时间到时,单片机通过AIN0、AIN1和AIN2端口采集蓄能器压力信号、加速踏板位置信号和制动踏板位置信号,并根据信号的数值修改控制系统工作的状态标志位:保压、制动能量回收和制动能能量释放.显示子程序时间到达时,系统运行显示子程序指示蓄能器压力储存状态和系统工作状态.串口通讯子程序时间到达时,通过UART0与上位机通讯.主程序在循环部分通过判断系统工作状态标志位进入制动能量回收子程序模块、制动能量再生模块.

图4 电子控制单元开关量输出驱动电路

图5 变量液压马达调整电流驱动电路

图6 主程序流程图

4 结束语

本文着重介绍了液压式制动能量再生系统的电子控制系统的输出信号驱动电路和电源电路.电子控制单元使用了满足汽车复杂工作环境要求的功率驱动集成电路T LE6230 GP和33486 A,大大提高了系统输出信号的反应速度和抗干扰性能.经过试验检验系统的反应速度和控制性能均满足要求.

[1]王军,熊冉,杨振迁.纯电动大客车制动能量回收系统控制策略研究[J].汽车工程,2009,31(10):932-937.

[2]杨寅,熊鹏,陈统卓,等.基于超级电容的电动车制动能量回收技术研究[J].电子技术应用,2009(3):73-76.

[3]彭玲玲.能量回收系统在城市公共汽车上的应用[J].能源研究与信息,2008,24(3):152-155.

[4]彭婕.嘉捷博大首推液压混合动力公交车[J].城市车辆,2008(3):18.

[5]曲金玉,李鸣,任传波,等.公共汽车制动能量再生系统控制器的设计[J].山东理工大学学报(自然科学版),2006,20(3):99-102.

[6]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:416-419.

[7]Linear Technology Corporation.Data Sheet LT 3437[EB/O L].[2010-01-08].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/109754/LINER/LT3437.html.

[8]Infineon Technologies AG.Data Sheet T LE6230GP[EB/O L].(2002-10-26)[2010-1-8].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/80189/INFINEON/T LE6230GP.html.

[9]Freescale Semiconductor Inc..Data Sheet 33486A[EB/OL].(2005-12)[2010-1-8].http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/187704/FREESCALE/33486A.html.