高善銘

(哈爾濱工業(yè)資產(chǎn)經(jīng)營有限責任公司 哈爾濱 150001)

0 引言

HEV大巴采用燃油和電力兩種驅動方式，然而，如何提高行駛能量效率，延長了續(xù)駛里程，是急需解決的一個關鍵問題。其中能量回饋是解決該問題的主要措施，能量回饋包括制動能量回饋與滑行能量回饋兩種［1］。CAN通信在電動車中應用時，使用兩根信號線就能實現(xiàn)對車速、發(fā)動機轉速、加速度、剎車踏板、油門踏板、檔位信號的共享和各個控制系統(tǒng)之間的通信［2］。該通信方式的設計使傳輸線束簡潔可靠、節(jié)約銅材、維護方便。

文中重點研究基于CAN總線的混合制動能量回饋系統(tǒng)，將CAN總線引入到電動車的能量回饋系統(tǒng)當中，利用電機與逆變器的工作特點實現(xiàn)具有ABS機械制動和電機回饋制動相結合的能量回饋模式。要實現(xiàn)安全、高效的回饋減速制動，還要與傳統(tǒng)的摩擦制動配合工作中，考慮大巴運行狀態(tài)、剎車踏板位置、電池SOC狀態(tài)、電池充電功率、電機發(fā)電能力等因素，才能節(jié)約電動車的電池能量［3］，減少制動時的機械磨損。

1 整車系統(tǒng)的結構

隨著安全環(huán)保節(jié)能要求的不斷提高，以及車內(nèi)設施的逐漸增多，電控系統(tǒng)原有的點對點控制方式將造成龐大的布線系統(tǒng)，加劇了粗大的線束與汽車有限空間之間的矛盾。同時導線的抗干擾性較差，特別是在大巴啟動、剎車、高頻電源充電的高噪聲環(huán)境中傳輸數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)信號傳輸不穩(wěn)定，甚至錯誤。

本系統(tǒng)由八個節(jié)點構成，包括:動力總成控制器、電機控制器、充電機控制系統(tǒng)、AMT、ABS、EPS、電池管理系統(tǒng)、組合儀表系統(tǒng)。總線通訊速率為250 kb/S，系統(tǒng)框圖和節(jié)點SA地址如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2 制動能量回饋系統(tǒng)

機械制動是由剎車氣壓系統(tǒng)來驅動閘片液，以摩擦制動片產(chǎn)生制動力矩。ABS制動是當車輛的減速度達到了ABS節(jié)點激活的門限值的時候，ABS系統(tǒng)被激活并獨立調節(jié)車輛的剎車過程。電機的回饋制動分為高速制動和低速制動。高速制動是大巴在下坡時電機轉速超過理想空載轉速，電機控制節(jié)點控制電機發(fā)電;低速制動是制動時將大巴的機械能轉化為電能，產(chǎn)生制動力矩，并將能量回饋到動力電池組中。

在車輛制動能量回饋工況中，保持制動踏板的感覺及駕駛柔順性是首先要考慮的，因此根據(jù)運行狀況分為電機能量回饋和后輪機械制動、電機能量回饋和前后輪同時機械制動、ABS防抱死制動。

系統(tǒng)采用鋰動力電池，此電池具有高倍率充電特性，可以提高回饋制動的比例。電動車廣泛應用于城市公交車，在公交路線中有頻繁的制動動作，但只有很小部分需要很大制動力矩。當動力總成節(jié)點檢測到剎車信號時，通過CAN網(wǎng)絡與電機控制節(jié)點電池管理系統(tǒng)節(jié)點共享信息，來確定能量回饋制動和后輪機械制動力矩的比例;動力總成節(jié)點檢測車速，如果未能滿足要求，前輪的機械制動啟動;車速較高時，前后輪同時制動可能出現(xiàn)抱死，車輛打滑，大巴不易控制，這時通過ABS 節(jié)點完成回饋制動［4－5］。

3 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)中電機轉速、車速、加速度、剎車踏板位置由電機控制節(jié)點和動力總成節(jié)點檢測，并將運行信息通過CAN總線實現(xiàn)共享［6］。

3.1 相關信號檢測設計

電機轉速由脈沖編碼器測量。電機每轉一周產(chǎn)生1 024個相位差90°的A，B路方波信號，經(jīng)74HC14施密特觸發(fā)器整形后接到TMS320LF2407的QEP單元，確定轉速和旋轉方向。用MEMS加速度計測量加速度，并通過I2C方式送入動力總成節(jié)點μPDF70F3239控制器中。

剎車信號是由安裝在剎車總泵中的閥門開度傳感器檢測。閥門開度傳感器與踏板位置有線性關系，且送出電壓信號，送入到動力總成節(jié)點μPDF70F3239控制器12位A/D轉換器。

3.2 CAN 網(wǎng)絡設計

本系統(tǒng)的核心是CAN網(wǎng)絡設計。以電機控制器節(jié)點為例，詳細介紹網(wǎng)絡接口的硬件設計。

在電機控制器節(jié)點中，選用TI公司推出的帶有片上CAN口的TMS320LF2407，其核心采用哈佛結構，具有專門的硬件乘法器，利用其可編程帶死區(qū)PWM實現(xiàn)電機的矢量控制。選用低功耗SN65HVD230為控制器和物理總線之間的驅動芯片，提高在過壓、高溫、高共膜等惡劣環(huán)境中總線的差動發(fā)送能力和CAN控制器的差動接收能力。

增強電機控制器的抗干擾能力，TMS320LF2407通過高速光耦HCPL600與SN65HVD230相連，實現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點之間的電氣隔離，光耦兩側獨立供電，實現(xiàn)完全隔離。

原理圖如圖2。SN65HVD230的 CANH和CANL引腳各自通過一個5Ω的電阻與CAN總線相連，起到限流的作用，免受過流的沖擊。CANH和CANL之間與地并聯(lián)二個30PF的小電容，起到濾除總線上高頻干擾和一定電磁輻射的能力。CANH和CANL與地之間分別反接一個保護二極管，當CAN總線上有較高的復電壓時能夠起到一 定的過壓保護的作用。

3.3 動力總成節(jié)點設計

系統(tǒng)的中心處理器采用汽車級別32位控制器μPDF70F3239，帶有4路CAN口，是控制系統(tǒng)的樞紐—網(wǎng)關。通過CAN通信和直通方式接收來自不同ECU的信號并按照預設的控制策略發(fā)送控制信號，以完成HEV大巴不同工作狀態(tài)的切換和切換過程的協(xié)調控制。

系統(tǒng)的ABS控制器采用了帶有CAN接口的32位控制器TMS320F28016。負責驅動制動分泵，實施機械制動和ABS制動并能完成自身的故障診斷。

圖3 動力總成網(wǎng)絡拓撲圖

4 能量制動回饋系統(tǒng)程序架構設計

文中系統(tǒng)是一個由多個控制器組成的大系統(tǒng)，為增強程序的可移植性和多個嵌入式工程師協(xié)同工作，采取模 塊結構。整個架構包括主程序、模擬量采樣子程序、數(shù)字量采樣子程序、數(shù)據(jù)發(fā)送子程序、數(shù)據(jù)接受子程序、節(jié)點自檢程序、中斷子程序等模塊［7］。

車速信號由電機轉速信號推到得到。電機控制器定時器T0定時打包車速數(shù)據(jù)幀發(fā)送到總線。節(jié)點自檢程序由上電時自動檢測和定時器定時自動檢測兩部分構成，確保各個單元工作正常。為了程序的實時性和可靠性各個節(jié)點嵌入實時操作系統(tǒng) μC/OS－II。

圖4 系統(tǒng)軟件設計流程

5 節(jié)點電磁兼容設計

考慮到HEV大巴工作在惡劣，干擾嚴重，多種噪聲的工況中，各個節(jié)點除具有完善的功能外，還應具有強的抗干能能力。硬件抗干技術是節(jié)點設計中首選的抗干擾措施。

①精心挑選元器件

②混合動力電動汽車上電機設備中的IGBT和功率二極管工作時，會產(chǎn)生很強的電磁干擾，尤其是共模干擾較為嚴重。因此有必要在電池組與整車之間連接高頻旁路電容，抑制干擾源。

③采用光電耦合器將外部通信接口與內(nèi)部CPU電路隔離開來，可以阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

④汽車中輸入信號的頻率比較低，加低通布線盡可能的短和直，濾波器切斷高頻干擾的傳播。

⑤PCB中的高頻信號(如晶振的時鐘信號)的布線盡可能的短和直。

⑥數(shù)據(jù)線地址控制線要盡量的短，減少對地電容。

⑦地址線長度盡可能的一致，以免造成各線的阻抗差異過大。使地址信號傳輸過程中到達終端的波形差異過大，形成控制信息的非同步的干擾。

⑧根據(jù)解耦電容的工作原理，芯片盡量從儲能電容吸收能量，減少從電源線上吸收的能量。人為增加解耦電容。

⑨采用DC/DC變換模塊，提供穩(wěn)定的隔離電源，對不同節(jié)點分別供電，可以有效地消除電源干擾和共地產(chǎn)生的干擾。

⑩多層板能偶減小共模阻抗和感性耦合。

因為文中系統(tǒng)通信頻率較高故采用抗電磁干擾性能強的雙絞高溫屏蔽電纜。再加上CAN總線本身強有力的糾錯能力，使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定。

6 結論

文中系統(tǒng)是在大巴的制動系統(tǒng)的基礎上發(fā)展而來，在HEV大巴運行階段，數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定。實際運行所做的統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)能夠使城市HEV大巴的續(xù)使里程增加20%。能量回饋效率的優(yōu)化是個動態(tài)尋優(yōu)過程，算法非常復雜，無法通過離線試驗得出一勞永逸的經(jīng)驗公式，因此在動力總成節(jié)點建立一個模型參考自適應系統(tǒng)，對重要參數(shù)進行在線辯識。

［1］張毅，楊林等.電動汽車能量回饋的整車控制［J］.汽車工程，2005(1):25－27.

［2］陳顯奎.CAN總線在大中型客車中的應用［J］.電子技術.2007(z3):52～63.

［3］肖玉萍.混合動力電動汽車電池管理系統(tǒng)［D］.北京工業(yè)大學碩士學位論文，2005.6.

［4］過學迅，張靖.混合動力電動汽車再生制動系統(tǒng)的建模與仿真［J］.武漢理工大學學報，2005(1):116－120.

［5］萬佳，黃菊花，等.ADWI80B在混合運動汽車運動造型及參數(shù)匹配上的應用［J］.森林工程，2008(1):41－44.

［6］Jean J.Labrosse著，邵貝貝等譯.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS－II［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003(8).

［7］任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS－II原理及應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005(8).