喻博軒

基于節(jié)能理念的電動(dòng)汽車節(jié)能控制器探究

喻博軒

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

隨著傳統(tǒng)汽車的能源和環(huán)境問題日益突出，電動(dòng)汽車憑借其清潔和使用可再生能源的優(yōu)勢(shì)被逐漸研究與廣泛使用，逐漸取代傳統(tǒng)汽車。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的重要系統(tǒng)，它的傳動(dòng)效率在電動(dòng)汽車的能耗方面起著重要影響。提供了一種電動(dòng)汽車電機(jī)的節(jié)能控制器，采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，在保證電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的節(jié)能控制。

電動(dòng)汽車；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；節(jié)能控制器；單片機(jī)

近年來，隨著中國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，人們對(duì)于生活的質(zhì)量要求也越來越高，從居家生活到出行方式都發(fā)生著潛移默化的改變。在出行方式的選擇方面，汽車憑借其快速、方便等優(yōu)勢(shì)成為大部分家庭必不可少的交通工具，同時(shí)，汽車行業(yè)的發(fā)展也帶來了資源短缺和環(huán)境污染等重要問題[1]。為了順應(yīng)社會(huì)發(fā)展，改善環(huán)境問題，新能源汽車逐漸取代傳統(tǒng)的燃料汽車，成為汽車未來的發(fā)展方向。

隨著國(guó)家大力支持電動(dòng)汽車的發(fā)展，越來越多的企業(yè)開始由傳統(tǒng)燃料汽車向新能源汽車轉(zhuǎn)型[2]。隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程也在迅速提高，甚至成為純電動(dòng)汽車占領(lǐng)市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。目前市面上已經(jīng)開始在售的純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程已達(dá)到500 km，雖然純電動(dòng)汽車解決了燃料消耗問題，但耗電量并不少，因此長(zhǎng)續(xù)航里程的純電動(dòng)汽車還是不能達(dá)到節(jié)能減排的效果。

1 電動(dòng)汽車節(jié)能控制器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心，其傳動(dòng)效率直接影響電動(dòng)汽車的能耗[3]。因此對(duì)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車節(jié)能減排的重要因素。本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車節(jié)能控制器，采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池放電的合理控制和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)及調(diào)速的電流分配，在確保電動(dòng)汽車具有長(zhǎng)續(xù)航里程的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

電動(dòng)汽車節(jié)能控制器主要由控制器、電動(dòng)機(jī)和信號(hào)分析器組成，包括主控制芯片、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、制動(dòng)發(fā)電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、濾波計(jì)算模塊、阻力度計(jì)算模塊、坡度計(jì)算模塊、CAN總線連接模塊、和熱量管理模塊等。

1.1 主控制芯片的設(shè)計(jì)

電動(dòng)汽車節(jié)能控制器的主控制芯片采用89C51單片機(jī)芯片，通過收發(fā)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過CAN總線將采集到的數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，單片機(jī)的控制決策模塊對(duì)車輛行駛過程中的功率進(jìn)行計(jì)算，控制決策模塊測(cè)量得到在空載、半載和滿載狀態(tài)下，控制車輛的扭矩輸出的曲線，并根據(jù)當(dāng)前的車輛控制預(yù)期速度，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使車輛以當(dāng)前的速度區(qū)間內(nèi)最節(jié)能的速度行駛。

1.2 節(jié)能控制器的各模塊的功能

節(jié)能控制器各模塊的功能如下。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

從CAN總線上采集實(shí)時(shí)信號(hào)，包括車速、轉(zhuǎn)速、扭矩等動(dòng)力信號(hào)。

1.2.2 濾波計(jì)算模塊

濾波計(jì)算模塊包括速度濾波器、加速度濾波器和扭矩濾波器，為阻力度計(jì)算模塊提供精確性保證，濾除速度、加速度、扭矩信號(hào)內(nèi)的高頻噪聲，提高數(shù)據(jù)的精確度。

1.2.3 阻力度計(jì)算模塊

計(jì)算車輛當(dāng)前所受阻力情況，決定開始節(jié)能控制或終止節(jié)能控制的關(guān)鍵模塊。

1.2.4 坡度計(jì)算模塊

控制器擴(kuò)展電路模塊，融合動(dòng)力數(shù)據(jù)和傳感器估算當(dāng)前GPS對(duì)應(yīng)坡度，并通過通信模塊將數(shù)據(jù)傳回中心，為節(jié)能應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2.5 IPD控制

使汽車電動(dòng)機(jī)達(dá)到車速控制的要求，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況與控制預(yù)期的差別進(jìn)行動(dòng)態(tài)PID控制。

1.2.6 熱量管理模塊

根據(jù)所述溫度信息調(diào)整電動(dòng)機(jī)的功率和電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的功率，使所述大功率器件的溫度維持在預(yù)設(shè)的溫度區(qū)間內(nèi)。

1.2.7 制動(dòng)發(fā)電模塊

當(dāng)汽車制動(dòng)時(shí)，使電動(dòng)機(jī)以發(fā)電模式工作，將車輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能。

1.2.8 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩。

2 電動(dòng)汽車節(jié)能控制器的實(shí)現(xiàn)

2.1 PID控制器的實(shí)現(xiàn)

PID控制器是將偏差的比例計(jì)算、積分計(jì)算和微分計(jì)算通過線性組合構(gòu)成控制量，將被控對(duì)象進(jìn)行控制。在整定PID控制器參數(shù)時(shí)，可以參照控制器的參數(shù)與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能之間的定性關(guān)系。為了減少需要整定的參數(shù)，先可以采用PI控制器。為了保證系統(tǒng)的安全，在調(diào)試開始時(shí)應(yīng)設(shè)置比較保守的參數(shù)，比如比例系數(shù)不要太大，積分時(shí)間不要太小，以避免出現(xiàn)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定或者超調(diào)量過大的異常情況。給出一個(gè)階躍給定信號(hào)，根據(jù)被控量的輸出波形可以獲得系統(tǒng)性能的信息，例如超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間。應(yīng)根據(jù)PID系數(shù)與系統(tǒng)性能的關(guān)系，反復(fù)調(diào)節(jié)PID的參數(shù)。如果階躍響應(yīng)的超調(diào)量太大，經(jīng)過多次振蕩才能穩(wěn)定或者根本不穩(wěn)定，應(yīng)減少比例系數(shù)、增大積分時(shí)間。如果階躍響應(yīng)沒有超調(diào)量，但是控制量上升過于緩慢，過度時(shí)間太長(zhǎng)，應(yīng)按相反的方向調(diào)整參數(shù)。如果消除誤差的速度較慢，適當(dāng)可以減少積分時(shí)間，增強(qiáng)積分作用。反復(fù)調(diào)節(jié)比例系數(shù)和積分時(shí)間，如果超調(diào)量仍然較大，可以加入微分控制，微分時(shí)間從0逐漸增大，反復(fù)調(diào)節(jié)控制器的比例、積分和微分部分的參數(shù)。PID控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)原理圖

2.2 信號(hào)分析器的實(shí)現(xiàn)

2.2.1 阻力度計(jì)算

阻力度計(jì)算用于決策何時(shí)開啟節(jié)能控制，何時(shí)需要關(guān)閉節(jié)能控制。當(dāng)汽車處于平穩(wěn)行駛狀態(tài)下時(shí)開啟節(jié)能控制，汽車行駛狀態(tài)穩(wěn)定，因此可以盡量多地控制電池輸出而不影響司機(jī)的操作。關(guān)閉節(jié)能控制的時(shí)機(jī)如下：上坡時(shí)，司機(jī)往往需要降擋并拉高轉(zhuǎn)速度來保證車輛的上坡力矩，如果進(jìn)行節(jié)能控制會(huì)導(dǎo)航車輛上坡無力甚至無法上坡；剎車時(shí)，此時(shí)需要由司機(jī)完全主導(dǎo)動(dòng)力系統(tǒng)，不可進(jìn)行額外干預(yù)否則會(huì)引起安全問題；怠速下坡時(shí)，此時(shí)額外控制反而省電。

2.2.2 濾波計(jì)算

在阻力度計(jì)算模塊中，用到的速度、加速度、扭矩信號(hào)都需要進(jìn)行濾波處理。因?yàn)槠嚨妮敵鲚S上通常都有轉(zhuǎn)速傳感器，可以很容易地將其采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)化為汽車的車速，如果對(duì)車速信號(hào)直接差分，雖然可以得到汽車的加速度，但由于這樣獲得的加速度信號(hào)噪聲很大，很難應(yīng)用于汽車的控制系統(tǒng)。需要對(duì)車速信號(hào)進(jìn)行濾波、差分、再濾波的處理獲得良好實(shí)時(shí)性和精度的汽車縱向加速度。濾波算法模塊需要借助數(shù)字信號(hào)處理算法，首先進(jìn)行車輛信號(hào)功率譜估計(jì)，得到截止頻率，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波類型、濾波階數(shù)。濾波器計(jì)算實(shí)質(zhì)為一個(gè)長(zhǎng)序列的浮點(diǎn)乘法求合運(yùn)算，因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)選型時(shí)需要注意核心處理器的浮點(diǎn)運(yùn)算能力。計(jì)算之后處理效果理想情況下應(yīng)該為一光滑曲線。同理，還需要對(duì)扭矩等信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到處理后的信號(hào)再送入阻力度計(jì)算模塊中。

2.2.3 坡度計(jì)算

目前跟據(jù)汽車動(dòng)力數(shù)據(jù)測(cè)量道路坡度的方法主要以車輛勻速行駛為主，計(jì)算等速行駛時(shí)功率：

式（1）中：e為總功率；f為滾動(dòng)阻力消耗功率；w為風(fēng)阻消耗功率；i為坡度阻力消耗功率。

從一個(gè)較短的時(shí)間窗來看，勻速行駛的汽車的滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻、空調(diào)消耗功率近似恒定，而總功率消耗主要取決于道路坡度大小。在現(xiàn)實(shí)條件下，不可能一輛車始終保持勻速行駛。因此需要挖掘許多車輛的行駛數(shù)據(jù)，從每輛車經(jīng)過一段路線的勻速片段中挖掘出整個(gè)線路的坡度變化曲線。再按照數(shù)據(jù)清洗、整體融合步驟挖掘出整個(gè)路段的坡度變化曲線。數(shù)據(jù)清洗后保留的數(shù)據(jù)是所有車輛近似勻速行駛的片段，這樣做的目的是排除加速度對(duì)功率變化的影響，并且由于在勻速片段上車輛的速度質(zhì)量不變，因此道路摩擦阻力消耗功率相等、風(fēng)阻消耗功率近似相等，汽車功率變化主要受坡度因素影響。

3 電動(dòng)汽車節(jié)能控制器的節(jié)能效果

扭矩輸出曲線指某一汽車以某個(gè)負(fù)載、某個(gè)擋位、某個(gè)坡度行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)需要輸出的力矩曲線。擋位一定、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，由于車速是車輛行駛中最主要的操作因素也是決定行駛時(shí)間的主要因素，而轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)萬有特性表中的油耗率參數(shù)，因此車速轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)曲線對(duì)油耗和控制汽車工作狀態(tài)十分重要。在確定汽車主減速比和傳動(dòng)比參數(shù)的情況下計(jì)算出關(guān)系曲線或者實(shí)際測(cè)量出關(guān)系曲線。根據(jù)所設(shè)定速度值，盡量在一個(gè)區(qū)間內(nèi)將速度往最節(jié)能的方向調(diào)整，同時(shí)根據(jù)阻力度的變化，實(shí)時(shí)估算車輛的空滿載狀態(tài)，及時(shí)切換負(fù)載曲線，從而確定節(jié)能區(qū)間。

4 結(jié)語(yǔ)

此次研究基于節(jié)能理念設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)汽車節(jié)能控制器，采用89C51單片機(jī)芯片作為控制系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過其控制決策模塊，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，保證車輛在空載、半載和滿載狀態(tài)下，控制車輛的扭矩、轉(zhuǎn)速，使車輛以當(dāng)前的速度區(qū)間內(nèi)最節(jié)能的速度行駛，從而在降低電動(dòng)汽車的功率下消耗。通過節(jié)能效果實(shí)驗(yàn)，表明本文設(shè)計(jì)的一種電動(dòng)汽車電機(jī)的節(jié)能控制器能在保證電動(dòng)汽車的續(xù)航里程的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車的節(jié)能控制。

［1］顏孝勇.純電動(dòng)汽車整車控制器開發(fā)及控制策略研究［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2020（9）：20-21.

［2］陸廣華，田愛軍，王德銘.混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（6）：84-87.

［3］詹慧貞，范珍珍.電動(dòng)汽車節(jié)能控制器的設(shè)計(jì)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2019，42（20）：99-102.

U469.72

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.18.018

2095－6835（2020）18－0050－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕