（东风柳州汽车有限公司 广西 柳州545005）
摘要:本文从整车零部件匹配角度出发，在CAN总线技术的基础上系统性的分析了混合动力客车电控系统主要特点，介绍了康明斯高压共轨柴油机以扭矩为输入控制喷油和车辆驱动电机响应扭矩控制的特点，引申到混合动力客车的整车控制器设计和控制方法。提出设计一款基于Freescale S12X处理器平台的控制单元实现对发动机和电机的控制，并按照V型开发模式要求实现底层驱动和Simulink自动代码生成相结合的软件结构，开发上位机分析软件，实现并应用在混合动力客车上。
关键词: 扭矩分配 MAP图 自动代码生成
汽车动力纯电动驱动是我国汽车业中长期发展目标，受制于当前电池技术和工艺影响，混合动力汽车的技术开发和积累是更为务实的选择。发动机，电机，电池，变速箱作为混合动力客车上的主要部件之一，研究其控制部件即电控系统对于混合动力客车应用匹配有着重要意义。
1高压共轨柴油机电控技术简介
高压共轨柴油发动机采用电子控制单元（Electronic Control Unit简称 ECU）从传感器（油门位置、转速、大气状态、水温、共轨压力）获取信息，结合约束条件，查找预先设定好的MAP，调整喷油器的主喷，预喷和后喷（可选）时长，达到控制喷入气缸油量目的。博世高压共轨柴油机电控系统以转速为输入，结合转速、油门来控制油量和喷油时间，康明斯高压共轨柴油系统以扭矩为输入，控制最后的油量和喷油时间，下面以某6缸机为例介绍康明斯电控系统。
1.1从转速和油门到油量喷射
康明斯电控发动机采用霍尔传感器测量发动机转速和位置。曲轴和凸轮轴转速信号传感器将感应电压信号传给专用电路，该电路去除噪声，限制最大电压幅值并作超速保护后传送给ECU内部的CPU，CPU的TPU单元可计算得到转速。
油门内部为电位计形式电路，油门输出两路线性电压信号给ECU.通常采用1:2比例的双路信号。若同一个油门开度获得两个模拟信号差异超过阀值，即为油门故障。某种油门获得有效电压信号，经单片机内部10位AD转换为数字量，再查询油门MAP表线性插值即可得到油门百分比。当前油门下需求的扭矩小于外特性即为目标扭矩，若大于外特性即取外特性扭矩。对于发动机匹配不同车型，只需要修扭矩MAP即可。平滑的油门对应扭矩曲线适用于公交车场合，若要提高加速性能则需增大曲线斜率。
ECU获得目标扭矩后再根据发动机转速和目标扭矩查询扭矩-油量二维MAP，即可得到相应目标扭矩下的油量值，根据转速和油量二维MAP查询喷油正时，同理获得预喷开启时间，预喷油量，共轨轨压调节等，再经过瞬态和稳态以及高原，启动，排放等修正，即得到最终喷油时刻及时长。
1.2支持J1939协议的油门和转速及扭矩控制
J1939 多路通信使整车能够通过 J1939 数据通信替代硬件开关和实物控制发动机。关于总线油门和TSC1及负荷率原文请参见SAE-J1939-EEC2-SPN 91，和Torque/Speed Control#1-TSC1，EEC2- SPN 92 persent load at current speed [1]。下文介绍利用CAN总线控制发动机油门，转速和扭矩。
图1 转速控制模式发动机转速和负载
若选择扭矩控制模式，则Byte 1为02,Byte 3中的91H=145D,分辨率1，偏移量-125，即（145-125）%=20%，即当前转速下最大扭矩的20%。总线报文发出的扭矩在28%左右（该值为发动机估算值），转速则从怠速750rpm呈一定斜率上升，负荷稳定时加速度趋近于0，负荷突变较转速模式下小。状态切换初始时刻，负荷率突增，随后逐渐回归常态。
2电机驱动系统控制简述
电机驱动系统作为类似发动机功能单元的动力单元通常由电机和电机控制器组成。而电机控制器由电机控制器核心板，IGBT驱动电路，控制电源，结构和散热系统，高压开关控制电路组成。控制器核心板负责接收整车控制器的指令（如转速模式和扭矩模式）并反馈信息（如当前转矩，总线电流等），检测电机系统内传感器信息，根据指令和传感器信息产生逆变器开关信号；IGBT驱动电路接收CPU板开关信号并反馈信息（如各相电流），放大开关信号并驱动IGBT,提供电压隔离和保护功能；控制电源为CPU板和驱动电路提供多路相互隔离的电源；结构和散热系统则为电力电子模块散热，支撑组件安装并提供环境保护（如防水，防尘，撞击等）；高压开关控制电路负责接受信号将直流电源能量传递给逆变器，减少突然接通电路的大电流冲击。
各种电机转矩-转速特性在加减速或速度调节情况下都服从运动学方程Te-TL=J* dn/dt（Te为电磁转矩，TL为负载转矩，J为转动惯量，n为电机转速）,对于恒定负载或者突加减负载，只需要控制电机电磁转矩即可。
3 整车电控技术原理和设计
混合驱动的车辆其牵引力多于一个驱动源，驱动源从不同的储能器中获得必要的能量。即是内燃机和电动机以及相应的储能器的组合。根据驱动源的基本组合形式，分为并联混合驱动和串联混合驱动。
①对于并联式混合动力客车可类比传统柴油车的控制方式，由司机加速踏板开度和制动踏板开度，发动机及电机转速，并结合发动机水温等约束条件分配二者扭矩。
②对于串联或者增程式混合动力客车，为了尽可能使得发动机转速位于经济区域，需对发动机转速和发电机扭矩进行控制。除了发动机和电机自带的ECU，需要另外设计整车控制器（Vehicle Control Unit 简称VCU）。
3.1 整车控制原理
串混或增程式系统主要驱动力来自驱动电机，根据电机转速【EM_n】和加速踏板[Acc_pedal]及制动踏板[Brake_pedal]查询扭矩需求得到驱动电机的需求扭矩，再结合APU（即发动机-发电机系统所能提供的电流限制）得到电机的目标扭矩，该目标扭矩由整车控制器经过CAN报文发送给电机控制器，而电机需求扭矩转化为能量需求并结合电池（或者超级电容）电压以及剩余电量SOC转化为APU电流需求，再经CAN总线实现对发动机转速和发电机扭矩（或者励磁PWM）需求。
对于并联混合动力，如图2，发动机和电动机的扭矩分别传递给传动装置，发动机、电动机和传动装置的机械配合会使得扭矩在相应的情况下叠加。VCU根据当前档位、车速、加速踏板开度、刹车踏板开度等传感器信息，估算总体扭矩，通过能量分配算法和电池充电状态条件给定分配发动机扭矩和电机扭矩目标初值，跟发动机实际输出扭矩和电机实际输出扭矩进行反馈比较，通过发动机控制和电机控制算法进行调节，最终达到动力平稳传递输出的目的。文献[3]介绍了并联混合动力的动态控制保持动力传递平稳的方法。
图2并联混合动力的动态协调
3.2 VCU硬件结构
采用freescale S12X系列处理器的VCU，负责采集挡位，加速踏板和制动踏板信息，并根据转速或者车速信息，发送扭矩命令给电机控制器和发动机ECU。
发动机ECU的RAM设计为1-2MB，单片机自身RAM通常难以达到，而S12X处理器RAM仅为64KB，可通过地址数据总线扩展，在标定变量不是特别大的情况设定某个RAM地址区域用于MAP和可调整参数标定，可标定数万个浮点型变量和若干一维和二维MAP。通常使用CAN Calibration Protocol(CCP)协议 [4]。
3.3 VCU软件结构
软件结构的开发可以在Matlab的Simulink环境下完成，在Matlab的Simulink环境下开发者只需要构建思路和算法分析，控制算法即可在该环境下完成并经过RTW转化为C代码，大幅增加了算法可读性和移植性。
4 结论
本文以扭矩为切入点分析发动机和电机控制的共性从而扩展应用到混合动力客车研发是本文的主要脉络。建立在Freescale S12X处理器平台的整车控制器可实现simulink算法生成代码，并通过扭矩命令（或者转化为发动机油门）实现对发动机控制和电机控制并应用到混合动力客车整车电控系统开发。
【参考文献】
1．《SAE J1939-71 Vehicle Application Layer》
2．《电力电子技术手册》（美）Muhammad H.Rashid主编 陈建业等译 机械工业出版社2003.11 562-605
3. 《并联式混合动力系统转矩协调控制》童毅 清华大学博士学位论文,2004
4．《基于CCP协议的混合动力整车控制器标定系统及其底层驱动的开发》胡佳等
汽车科技,2010,(4)
论文作者:张钊威
论文发表刊物:《科技中国》2016年4期
论文发表时间:2016/6/22
标签：扭矩论文; 转速论文; 发动机论文; 电机论文; 油门论文; 混合动力论文; 整车论文; 《科技中国》2016年4期论文;