混合動力汽車是一種由內燃機和電動機混合驅動的汽車，其主要特點是節(jié)能、環(huán)保。這種汽車在起步時用電動機驅動，消除了內燃機起步時由于燃燒不充分而排黑煙的現(xiàn)象。在汽車減速或剎車時，利用發(fā)電機把動能轉化成電能，貯存到蓄電池中，實現(xiàn)能量回收達到節(jié)能的目的。由于這種汽車是內燃機和電動機兩種動力并存，僅用傳統(tǒng)的針對內燃機的電控系統(tǒng)無法實現(xiàn)兩種動力的配合，因此開發(fā)混合動力車的全新電控系統(tǒng)是十分必要的。本文以一種電機并聯(lián)式混合動力汽車成功實現(xiàn)為背景，從系統(tǒng)角度介紹了混合動力汽車電控系統(tǒng)結構、功能及效果。

　　并聯(lián)式混合動力驅動結構簡介

　　并聯(lián)式混合動力汽車的驅動系統(tǒng)結構見圖1。發(fā)動機通過機械傳動裝置與驅動橋連接，電動機通過動力復合裝置也與驅動橋相連，汽車可由發(fā)動機和電動機共同驅動或各自單獨驅動。并聯(lián)式混合動力電動汽車的結構形式更像是附加了一個電動機驅動系統(tǒng)的普通內燃機汽車。電動機起“調峰”作用：當汽車運行工況所需的功率超過了發(fā)動機的功率時，電動機從電池取得電能產(chǎn)生電磁力矩，并向驅動橋提供額外的驅動功率。有的并聯(lián)式混合動力電動汽車也有發(fā)電機，但其主要作用是向電池充電，以保持電池的荷電狀態(tài)（SOC）。

　　混合動力汽車電控系統(tǒng)的結構、功能及如何實現(xiàn)設計

　　圖1　并聯(lián)式混合驅動系統(tǒng)簡圖

　　電控系統(tǒng)結構設計

　　電控系統(tǒng)以國際業(yè)界先進的CAN總線作為通信媒介，以智能化的多能源管理單元為控制，以五個功能相對獨立的智能化節(jié)點（前艙傳感器單元、室內傳感器單元、電機驅動單元、電池管理單元及顯示單元）為輔助節(jié)點構成網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示。多能源通過CAN總線獲得系統(tǒng)當前的狀態(tài)信息，并根據(jù)此狀態(tài)信息產(chǎn)生控制命令，亦通過總線將命令發(fā)送到發(fā)動機控制單元、電機驅動器使兩種動力相互配合，以發(fā)揮混合動力汽車節(jié)能和環(huán)保的目的。各單元（或稱節(jié)點）在本設計中的統(tǒng)一編號：N1為多能源控制單元；N2為電機驅動器單元；N3為前艙傳感器單元；N4為室內傳感器單元；N5為電池管理單元；N6為顯示單元。

　　圖2　電控系統(tǒng)結構圖1

　　1）多能源管理單元

　　是整個系統(tǒng)的指揮中心，它由性能較高的微處理器為，配合大容量的程序和數(shù)據(jù)存存器及總線接口構成，由此它能對從總線上傳來的系統(tǒng)信息進行迅速處理，大容量的數(shù)據(jù)存儲器中存放了系統(tǒng)運行狀態(tài)參數(shù)，這樣處理器就能及時并按控制策略對電機和發(fā)動機兩種動力進行配合。當電控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，它會及時對故障進行處理，保證系統(tǒng)的安全運行。

　　2）發(fā)動機控制單元

　　由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、D/A轉換電路、開關量接口及總線接口構成。它的功能是通過總線接收多能源管理單元發(fā)出的對發(fā)動機的命令，進行判斷處理后通過模擬量輸出及開關量輸出對發(fā)動機進行控制，其中主要包括對發(fā)動機的空然比、點火系統(tǒng)等在各種工況下的控制。另外，本單元還會將執(zhí)行情況及其當前狀況（正常狀態(tài)還是故障狀態(tài)）及時通過總線想多能源進行。

　　3）電機驅動控制單元

　　由微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、D/A轉換、開關量接口及電機調速控制幾部分構成。它的功能是通過總線接收多能源的對電機的控制命令并及時執(zhí)行，它主要控制電機的發(fā)電與電動狀態(tài)的切換、電機的轉速及輸出力矩的控制，通過總線向多能源管理單元電機的狀態(tài)如轉速、充電電流、放電電流及故障等狀態(tài)，當電機出現(xiàn)故障時能進行自處理以保證車輛的安全運行。

　　4）數(shù)據(jù)采集單元

　　由處理器、微處理器、程序和數(shù)據(jù)存儲器、開關量接口、A/D轉換、頻率變換及總線接口構成。其功能是準確且及時檢測車輛系統(tǒng)的各參數(shù)如：發(fā)動機轉速、車速、節(jié)氣門開度、剎車、水溫、真空度、擋位、空調狀態(tài)、鑰匙狀態(tài)、離合器狀態(tài)等，并通過總線傳送給多能源管理單元，多能源管理單元以此作為決策依據(jù)。另外，此數(shù)據(jù)也作為顯示單元進行顯示的依據(jù)，因此，此單元是整個系統(tǒng)的眼睛。

　　5）電池管理單元

　　本混合動力車采用鋰電池組，此電池組由40個電池串聯(lián)而成，每個電池正常工作電壓為3.6V，為保證系統(tǒng)的安全及電池的可靠工作，對每個電池都配備一以功能較簡單微處理器為的控制器，每個控制器對其所管理的電池的電壓、容量、溫度參數(shù)進行檢測并通過485總線通知電池管理單元，同時控制器也對所管理的電池的充電及放電電流進行控制，防止電池過充和過放，以保證系統(tǒng)的安全。電池管理單元由較的微處理器和必要的外圍電路構成，本單元通過RS485總線與各電池的控制器進行通信，收集各電池的當前狀態(tài)參數(shù)（電壓、容量、溫度），并將這些信息進行處理后通過CAN總線通知多能源管理單元，同時也會將電池組的SOC傳送到顯示單元進行顯示。

　　6）顯示單元

　　顯示單元的構成與其他單元大同小異，它的功能是接收CAN總線上的信息，對必要的信息如車速、發(fā)動機 轉速、里程、電池容量、充電電流、放電電流、水溫、油量及系統(tǒng)故障代碼進行顯示，在顯示方式上，采用無可動部件的高數(shù)字顯示，增加了顯示信息量并提高了可靠性，同時為了滿足司機習慣于看指針式模擬儀表的要求，也采用類似指針運動的發(fā)光二極管模擬舊式表的顯示。

　　硬件設計

　　從N3、N4、N6三節(jié)點的功能要求來看，若按功能對硬件進行分別設計可各取所需，減小節(jié)點體積和重量，但是，這樣不便于系統(tǒng)功能的擴展，也限制了節(jié)點的可靠性和互換性，故采取三節(jié)點硬件統(tǒng)一設計的方案，即三節(jié)點的硬件完全一樣，各節(jié)點的硬件可互換，每個硬件包括所有三節(jié)點所需要的硬件功能，另外，由于現(xiàn)代電子技術的進步，統(tǒng)一設計和分別設計的硬件之間的體積和重量的差別很小，對系統(tǒng)性能的影響可以說是微乎其微，更重要的是這樣的設計為后續(xù)進一步改進所需的系統(tǒng)擴展和冗余式可靠性設計奠定了硬件基礎。

　　硬件系統(tǒng)（圖3）以微處理器CPU為以及必要的外圍電路構成。其中CPU為高性中央處理單元，具有豐富的功能和高速的處理能力，可快速進行大量的數(shù)學和邏輯運算，完滿足本電控系統(tǒng)的設計要求。程序存儲器中存放著實現(xiàn)各節(jié)點功能的軟件用以控制各節(jié)點的功能實現(xiàn)。數(shù)據(jù)儲存器電路用于系統(tǒng)內存擴展，復雜的程序控制和運算需要大量的中間變量和緩沖區(qū)，內存的擴展解決了這一問題.D/A轉換電路用于將處理后的數(shù)字信號轉換模擬信號輸出，主要應用于輸出控制和信號的遠程轉換，A/D轉換電路用于對系統(tǒng)的模擬量進行采集，即將被采集的模擬信號轉換為數(shù)字信號，所設計的轉換電路的轉換速度可達5微秒/路，分辨率為1/4096，每個節(jié)點可同時進行8路A/D轉換，完全可滿足任務書的技術要求。開關量輸出接口用于輸出節(jié)點的位控制命令，具有靈活的輸出控制，可直接或間接滿足各種功率輸出的控制要求，在本系統(tǒng)中的主要位控制信號有發(fā)動機的供油、空調、大小電機啟動選擇等信號。

　　開關量輸入電路用于采集系統(tǒng)的開關量，如：鑰匙開關信息、離合器狀態(tài)信息及空調狀態(tài)信息等信號。顯示接口電路用于將被顯示信號實時傳送到顯示器，顯示器采用數(shù)字化高亮度的LED顯示，提高了顯示的，同時又保留了原有儀表的模式，以便使用者有一個過渡的過程，不致產(chǎn)生不習慣的感覺。頻率變換電路用于將系統(tǒng)的速度信號（發(fā)動機轉速和車速）轉換為統(tǒng)一制式的脈沖信號以便微處理器進行識別和測速。CAN總線電路由總線控制器和收發(fā)控制電路構成，它負責接收和發(fā)送總線信息，使各節(jié)點通過總線相連接，使電控系統(tǒng)成為靈活的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)。

　　圖3　硬件系統(tǒng)結構框圖

　　軟件設計

　　前艙傳感器節(jié)點（N3）的軟件設計

　　N3節(jié)點所要完成的任務為：1）實時檢測車速、轉速、節(jié)氣門、水溫、真空度的參數(shù)值；2）檢測本節(jié)點故障；3）按通信協(xié)議完成總線數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)點的多數(shù)任務要求有很高的實時性，因此本節(jié)點的軟件策略為：1）對車速、轉速及總線通訊采用中斷方式處理；2）定時啟動A/D轉換，為滿足任務要求的實時性，定時間隔為20μs，用以及時對節(jié)氣門、水溫、真空度的數(shù)字化測量；3）空閑時間查詢系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測系統(tǒng)是否正常，若有故障，對故障進行相應的處理。這樣，即可以實時處理車速、轉速和通訊中斷又可使CPU處于多任務狀態(tài)，提高了系統(tǒng)資源的利用率。

　　室內傳感器節(jié)點（N4）的軟件設計

　　N4節(jié)點所要完成的任務為：1）實時檢測鑰匙開關狀態(tài)、離合器狀態(tài)、空調狀態(tài)及剎車的參數(shù)值；2）檢測本節(jié)點故障；3）按通信協(xié)議完成總線數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)點的軟件策略為：1）對鑰匙開關狀態(tài)、離合器狀態(tài)、空調狀態(tài)等開關量的檢測及總線通訊采用中斷方式處理；2）定時啟動A/D轉換，為滿足任務要求的實時性，定時間隔為20μs，用以及時對剎車信號的數(shù)字化測量；3）空閑時間查詢系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測系統(tǒng)是否正常，若有故障，對故障進行相應的處理。

　　顯示節(jié)點（N6）的軟件設計

　　N6節(jié)點所要完成的任務為：1）對車速、里程、充電電流、放電電流及電池容量等參數(shù)進行實時顯示；2）及時完成大小電機的啟動控制和發(fā)動機的供油控制；3）檢測本節(jié)點故障；4）按通信協(xié)議完成總線數(shù)據(jù)傳輸。本節(jié)點的軟件策略為：1）對總線通訊、大小電機的啟動控制和發(fā)動機的供油控制采用中斷方式處理，以保證控制、通訊的及時性；2）定時刷新顯示，為滿足實時性，定時刷新時間間隔為20ms；3）空閑時間查詢系統(tǒng)狀態(tài)，以檢測系統(tǒng)是否正常，若有故障，對故障進行相應的處理。

　　通信機制設計

　　本車各單元之間大量數(shù)據(jù)傳送通過CAN總線來完成，這也是本混合動力電控系統(tǒng)的一個與眾不同的特色，由于CAN總線的使用，減輕了電控系統(tǒng)的線束重量，降低了系統(tǒng)的復雜性。另外，由于CAN總線是差分傳輸?shù)囊环N抗干擾能力很強的現(xiàn)場總線，從而保證了系統(tǒng)通信的可靠性。

　　CAN總線簡介

　　CAN總線是德國Bosch公司20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議。CAN已成為國際標準（ISO-11898），是具有國際標準的現(xiàn)場總線，規(guī)范2.0A和2.0B。CAN總線可支持8/16位CPU，可與各種處理器接口或組成智能化儀器儀表；可工作于多主工作方式，任一節(jié)點任一時刻均可主動發(fā)送信息，不分主從，通訊方式靈活，可方便的構成多機容錯系統(tǒng);節(jié)點可分成不同優(yōu)先級，滿足不同的實時要求；采用非破壞性總線仲裁技術，多點同時發(fā)送時，優(yōu)先級低的節(jié)點，主動停止發(fā)送，優(yōu)先級高的不受影響繼續(xù)發(fā)送，有效的避免了總線沖突;可采用點對點、一點對多點及全局廣播等方式傳送和接收數(shù)據(jù)，直接傳送距離達10km/5Kbps，速率達1Mbps/40m，總線上的節(jié)點數(shù)據(jù)理論值達2000個，實際由于時延可達110個；采用短幀結構每一幀有效字節(jié)8個，傳輸時間短，受干擾概率低，重新發(fā)送快；通訊介質可采用雙絞線及光纖；用戶接口簡單、編程方便；溫度-40℃～+125℃工作；節(jié)點故障時有自動關閉總線功能，可以與總線脫離，不影響總線操作；每幀具有CRC校驗和其它檢測措施，保證出錯率極低；具有很高的適應性;接口收發(fā)器具有瞬時電壓保護，RT抑制、熱保護、短路保護等。

　　通信協(xié)議

　　本系統(tǒng)在CAN2.0A協(xié)議基礎上定義通信協(xié)議。N1節(jié)點發(fā)出命令，N2～N6節(jié)點接受后不發(fā)確認信號，N1節(jié)點收到N2～N6節(jié)點的信息后判斷是否正確，如果不正確或在規(guī)定的時間內收不到N2～N6幀，則重新發(fā)命令，重發(fā)超過規(guī)定的次數(shù)為通訊故障；N2～N6幀發(fā)出信息，N1節(jié)點接受后，不發(fā)確認信息，N2～N6節(jié)點在規(guī)定的時間內收不到N1節(jié)點的命令，則為通訊故障;N6節(jié)點收到N1幀上電復位后的幀時在規(guī)定的時間內回答，在運行時若N6無故障，則不回答N1.節(jié)點數(shù)據(jù)幀基本結構定義如下：

　　系統(tǒng)中每個節(jié)點數(shù)據(jù)幀用ID區(qū)別，每個節(jié)點可定義多個不同的數(shù)據(jù)幀，用以傳送不同的信息。

　　性能分析

　　表1為混合動力汽車與傳統(tǒng)汽車性能對比，從測試參數(shù)來看混合動力汽車的動力和經(jīng)濟性方面均比傳統(tǒng)汽車要優(yōu)越，其排放也達到了“歐2”標準，而且通過測試可知，其尾氣中因不完全燃燒而產(chǎn)生的CO和NOx量要比傳統(tǒng)汽車要少。

　　結束語

　　提出了一種由智能節(jié)點和CAN總線通信網(wǎng)絡構成的混合動力汽車的電控系統(tǒng)，在國內混合動力車的控制系統(tǒng)中以CAN總線構成網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，CAN總線良好的性能在此得到了驗證。從性能角度看，在電控系統(tǒng)控制策略的控制下，混合動力汽車的發(fā)動機能限度工作在高效率和低排放的狀態(tài)下，同時也可將部分能量進行回收，達到了混合動力的節(jié)能和環(huán)保目的。另外，由于電機動力的加入也提高了汽車的動力性能?？梢詳喽ǎS著電控系統(tǒng)技術的進一步發(fā)展，混合動力汽車必將成為綠色汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱點。