混合动力汽车整车控制器开发

蔡宗慜

摘 要：混合动力汽车能够有机组合发动机、电机及动力电池等部件，能够将内燃机汽车、电动汽车的优势充分发挥出来，是降低石油消耗及减少二氧化碳排放的重要方法。整车控制器在混合动力汽车开发中，是各类控制措施的最终运行载体，是满足汽车动力系统协同工作的重要部件。为此，必须重视混合动力汽车整车控制器开发。本文结合ISG混合动力汽车，分析了汽车转矩需求、发动机工作区优化及整车控制策略，并利用实车试验，实现了多种工作模式，表明此整车控制器开发具有可行性。

关键词：混合动力汽车；整车控制器；实车试验；车辆转矩

在社会经济高速发展的今天，当前世界汽车工业发展面临着两大挑战，即能源短缺与环境污染，开展新能源汽车研究已经刻不容缓。相比传统汽车，混合动力汽车不仅具备内燃机车的特征，同时还具备电动车的优点，在经济性提升与减少污染排放方面意义重大。因混合动力汽车需要各个部位部件的相互协作，要求在一定控制措施下持续、快速地切换工作模式，因此对整车控制系统开发提出了更高的要求，作为混合动力汽车的关键性控制部件，整车控制器需按照驾驶员加速踏板位置、档位等操作及蓄电池荷电状态等，将运行所需的所有参数准确计算出来，如发动机、电动机输出功率等，进而达到全部动力部件运动协调，保证正常行驶电动汽车，与此同时，还可利用行车充电、制动能量回收等获取更高能量效率。由此可见，于汽车动力性、经济性及可靠性而言，整车控制器开发影响巨大。

1 整车控制器设计

1、混合动力汽车系统分析

某混合动力汽车系统结构属于典型单轴并联式结构，整车工作模式包括纯汽油机驱动、混合动力驱动、再生制动等。车辆运行时，利用各种硬件线路整车控制器进行相关参数采集，如车辆状态、驾驶员意图等。通过极速运行的CPU与控制端口进行预设控制算法及管理策略的执行，并利用CAN总线、开关输出端口等将指令、信息传送给动力系统执行部件，以此实现有效控制。

2、车辆转矩需求分析

相比传统汽车，混合动力汽车转矩需求基本一致，利用加速踏板驾驶员可将其驱动转矩需求充分反映出来。可通过公式表示驾驶员驱动需求转矩。

其中，加速踏板开度可由α表示；

当前转速下发动机最大转矩可由Temax表示；

当前转速下电机最大转矩可由Tmmax表示。

于混合动力汽车来讲，为避免动力电池组过放电，必须对电池组充电，其决定因素为电池组荷电状态系数SOC，电池组充电需求电流计算公式如下：

其中，电池组最大允许充电电流可由Ichgmax表示；

所需充电转矩可由Tchg表示；其公式如下：

其中，ISG电机控制器直流端电压可由U表示；

ISG电机转速可由n表示。

则总转矩需求可由下式表示：

3、发动机工作区优化

由发动机工作特征分析，低速、小负荷状态下，发动机具有较低效率，及较高的燃油消耗。通过相关条件，可进行最小、最佳及最大优化工作转矩的确定，则发动机优化工作区则位于最小、最大优化工作转矩曲线内。

通过调节ISG电机，保证在最佳优化工作转矩曲线及发动机优化工作区控制发动机工作。如转矩需求在最小优化工作转矩以下，则必须将发动机节气门开度适当加大，保证在优化工作区内控制发动机工作，ISG电机可被多余转矩驱动发电，进行电池充电。如转矩需求在最小、最大优化工作转矩间，此时其模式为发动机单独驱动模式。如需求转矩在最大优化工作转矩以上，发动机利用电机助力可持续在优化工作区内工作。如电机产生阻力转矩最大值后，依旧与需求转矩不符，则需持续将节气门开度增大，并不断加大发动机转矩输出，达到车辆转矩需求。

4、软、硬件设计

（1）软件设计。Code Warrior4.6是整车控制器软件设计环境，配置Freescale16位仿真器。实车试验过程中，可进行试验数据的及时采集及记录，并能及时更新控制器内的控制策略参数。基于此，选取VisuaIC++与CAN卡所反映的驱动接口进行采集数据、在线调试软件的开发，该软件能够将CAN卡内采集的相关信息全面显示、储存及回放，且利用车载计算机通过CAN网络在E2ROM内写入控制策略参数，以此更新控制策略参数。

（2）硬件设计。控制器硬件是混合动力汽车整车控制器开发的重点，具体内容如表1所示。

2 混合动力汽车整车控制器工作模式验证

为对整车控制器及其控制策略开发进行验证，需做好实车试验工作，具体如下：

1、发动机起动。选取ISG电机替代传统起动机，如START档为钥匙开关位置，ISG电机可接收到整车控制器调速模式指示，每分钟目标转速为800r。整车控制器可闭合继电器，并将发动机控制器接通，随后开始起动车辆，达到喷油、点火的目的。

2、行车充电。加速踏板在30—50s之间约有10%开度，如油门为此开度，此时发动机工作效率、负荷较低。如不断增加油门开度，约40%时，则ISG电机可通过多余转矩驱动，实现发电、电池充电功能。

3、纯发动机驱动。加速踏板在50到70s之间约为33%开度，此时0为充电转矩需求，如工作转速不变，油门为68%开度时即可与驾驶员驱动需求转矩相符。按照发动机工作特征，该阶段发动机工作效率高。

4、混合驱动。加速踏板在205到215s之间时，其开度约为100%，此时为最大开度值。ISG电机同时助力，每米输出转矩为100N左右。252V为母线电压，100A为母线电流。

5、停车充电。电池组荷电状态系数较低的情况下，则处于停车状态，此时可将发动机开启进入充电阶段，该过程针对加速或制动踏板整车控制器无任何反应。按照目标充电及具体充电电流之间的差异，整车控制器可进行油门开度的适当调节，形成一个闭环控制系统。该系统中电机工作模式为调速状态，每分钟目标转速为1200r，保证在过低发动机转速下仍能启动汽车，不会出现熄火现象。

3 结束语

综上所述，随着社会经济的快速发展，我国能源消耗愈加严重，为缓解能源短缺问题，必须重视新能源的开发及利用。相比传统汽车，在保护环境、节约能源方面混合动力汽车更具优势。为提升混合动力汽车性能，必须重视整车控制器开发，做好整车控制器设计，通过实车试验，验证整车控制器及其控制策略開发的合理性、正确性，确保其更快更好地发展。

参考文献

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