對于混合電動汽車，在實際運行中,，為了實現(xiàn)電動機與發(fā)動機之間的快速切換,，要求系統(tǒng)有較短的響應(yīng)時間;為了保證汽車運行的穩(wěn)定性，要求系統(tǒng)具有精確的電流定位;同時,，為了保證系統(tǒng)控制的可靠與準(zhǔn)確,，對系統(tǒng)采樣精度與控制速度的要求也較高。研究混合電動汽車的能量流控制策略,，關(guān)鍵在于研究電池與電動機和發(fā)動機之間的關(guān)系,。
在實際工作中,，混合電動汽車工作環(huán)境復(fù)雜、各種干擾因素的影響較大,，給研究其能量流狀態(tài)帶來了較大的困難,。能否在實驗室對動力電池的工作性能進行模擬與仿真呢？這樣,，不僅可以節(jié)省大量的人力物力,，而且對于混合電動汽車的設(shè)計和總成有很好的參照作用。
本文將介紹的混合電動汽車能量流仿真系統(tǒng)就是針對上述要求而設(shè)計的,，該系統(tǒng)可仿真混合電動汽車的實際工作環(huán)境,，為研究混合電動汽車控制策略提供了一個靈活、簡便,、高效的平臺,。
系統(tǒng)特點
整個系統(tǒng)采用組合式平臺搭建，根據(jù)仿真工作的要求,，按照工作電流的大小組合使用對應(yīng)的仿真模塊來構(gòu)成整個系統(tǒng)的能量控制部分,。采用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以大大減小整個系統(tǒng)的體積與功耗。
系統(tǒng)中集成了CAN2.0B和RS-232C接口,，可以與汽車內(nèi)的各種控制儀表進行通信與數(shù)據(jù)交換,，與汽車總控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)通信接口兼容,，能夠方便的移植到實際的混合電動汽車系統(tǒng)中,。同時，可以直接與計算機通信,，由計算機來控制系統(tǒng)的運行,，便于實現(xiàn)監(jiān)控與仿真。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
混合電動汽車能量流仿真系統(tǒng)主要由充電系統(tǒng),、放電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個部分組成,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在充電系統(tǒng)中,，采用高效率的脈寬調(diào)制方式（PWM）,，同時采用反饋穩(wěn)定控制系統(tǒng)，使得充電過程快速穩(wěn)定,。
在放電系統(tǒng)中,，采用節(jié)能型的能量回饋方式，將電能返回電網(wǎng)或者仍然回到充電系統(tǒng),，達到節(jié)能降耗的目的,。
在控制系統(tǒng)中，采用高速嵌入式微處理器,，具有抗干擾能力強,、響應(yīng)速度快,、控制方式靈活的特點。
1 充電系統(tǒng)
首先將電網(wǎng)電壓進行整流,，經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制,，再經(jīng)過隔離變壓器變換，然后進行整流穩(wěn)壓,，即可得到所需的工作電壓,。為了保證充電過程的快速穩(wěn)定，將電壓,、電流采樣值引入穩(wěn)定控制系統(tǒng),，使得充電過程快速穩(wěn)定。充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
圖2 充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2 放電系統(tǒng)
電池的放電系統(tǒng)采用能量回饋方式,。首先將動力電池的電能進行變換，送入中間緩沖器,，然后通過逆變方式將電能變換為三相交流,，這部分能量既可以用于返回電網(wǎng)，又可以將它再次送入充電系統(tǒng),，實現(xiàn)電能的重復(fù)利用,，同時可有效減少電流波動對電網(wǎng)的影響。放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
圖3 放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3 控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用基于高速嵌入式微處理器的控制系統(tǒng),。高速處理器能夠保證快速完成動力電池的充放電任務(wù)，并且通過數(shù)字濾波算法使系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力,。高精度的A/D,、D/A控制單元使得充放電過程動態(tài)穩(wěn)定，滿足控制要求,。轉(zhuǎn)換狀態(tài)用中斷方式通知CPU讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果,，保證系統(tǒng)的快速響應(yīng)。監(jiān)控計算機通過接口函數(shù)就可以控制系統(tǒng)的運行,，并且可以采集實時參數(shù)進行數(shù)據(jù)的分析,、處理與監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,。
圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
選用Microchip公司的PIC18F6720為主控制器，該MCU片內(nèi)集成多通道的10位精度的采樣轉(zhuǎn)換器,，可以方便的采集電池的電壓,、充電電流、放電電流和電池溫度等多種信號;內(nèi)置兩個串行通信接口，可以與上位機進行異步通信;SPI接口可以用來擴展內(nèi)部總線;PWM輸出可以對回路電流進行調(diào)節(jié)等,?？刂葡到y(tǒng)電路如圖5所示。
圖5 控制系統(tǒng)電路
4 人機交互
通過LCD顯示器可以直觀的顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)和電池工作情況,，具有良好的人機交互界面,。在控制系統(tǒng)中設(shè)置了短路與過熱保護，故障報警指示,，最大限度達到系統(tǒng)的安全可靠,，保護系統(tǒng)與動力電池的安全。圖6為LCD顯示的示意圖,。
（a）工作狀態(tài)
（b）測試狀態(tài)
圖6 LCD顯示示意圖
通信系統(tǒng)
系統(tǒng)內(nèi)建了兩種通信總線：CAN2.0B和RS-232C,。
1 CAN總線通信
CAN總線是專為解決現(xiàn)代汽車中各種控制器、執(zhí)行機構(gòu),、監(jiān)測儀器和傳感器之間的數(shù)據(jù)通信而開發(fā)的總線式串行通信技術(shù),。但CAN只包括了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在汽車工程師協(xié)會SAE推薦的標(biāo)準(zhǔn)SAE J1939進一步規(guī)范了汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn),。
J1939采用CAN2.0B的擴展幀格式,。進一步定義了CAN數(shù)據(jù)幀仲裁域中的標(biāo)識位。29位ID的格式如表1所示,。
一個協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）包括7個預(yù)定的域,。它們是優(yōu)先級、保留位,、數(shù)據(jù)頁,、PDU格式、PDU細節(jié),、源地址和數(shù)據(jù)域,。CAN數(shù)據(jù)幀中的SOF,、SRR,、IDE和RTR部分控制域，CRC,、ACK和EOF沒有包括在PDU,。
數(shù)據(jù)域為0～8字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)需要使用9～1785字節(jié)來表達某個參數(shù)組時,，數(shù)據(jù)通信將由多個CAN數(shù)據(jù)幀完成,。
2 RS-232C通信
RS-232C用來與監(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)與控制命令通信，根據(jù)監(jiān)控計算機的控制指令來執(zhí)行相應(yīng)的動作,，同時將系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)傳遞到監(jiān)控計算機系統(tǒng),。
監(jiān)控計算機使用查詢方式與仿真系統(tǒng)通信。數(shù)據(jù)格式分為數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)體及校驗碼三部分,。數(shù)據(jù)頭用于判斷該條信息的類別,，以便接收到數(shù)據(jù)信息后做出對應(yīng)的處理;數(shù)據(jù)體存放真正要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息;校驗碼采用奇偶檢驗碼來對整條數(shù)據(jù)進行校驗。在系統(tǒng)中統(tǒng)一采用“@”作為傳輸數(shù)據(jù)的開始,，“：”作為傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)束,，如表2所示。
對于命令信息只有信息頭和校驗碼,，對于數(shù)據(jù)信息則還包括了數(shù)據(jù)體部分,。在上下位機通信期間，數(shù)據(jù)發(fā)送方會在相同的時間間隔內(nèi)重復(fù)發(fā)送相同的數(shù)據(jù),，直到收到對方的應(yīng)答信息;若在一定時間間隔內(nèi)仍未收到應(yīng)答信息,，則表示出現(xiàn)通信故障，數(shù)據(jù)發(fā)送失敗,。接收方收到數(shù)據(jù)后,，會根據(jù)數(shù)據(jù)頭、數(shù)據(jù)尾及校驗碼判斷數(shù)據(jù)是否完整,、正確,。若是則回復(fù)表示成功接收的應(yīng)答信息，否則等待發(fā)送方繼續(xù)發(fā)送,。
如果一條數(shù)據(jù)分成多次發(fā)送的時候,，采用的是發(fā)送—應(yīng)答模式，即每當(dāng)收到應(yīng)答信息后才發(fā)送下一條數(shù)據(jù),。
系統(tǒng)性能指標(biāo)
混合電動汽車能量流仿真系統(tǒng)為研究混合電動汽車提供了一個硬件平臺,，適用于鉛酸、鎳氫,、鋰離子等大功率動力電池系統(tǒng),。系統(tǒng)實時顯示電池的充、放電狀態(tài),，發(fā)動機工作狀態(tài),、能量流動狀態(tài)等重要參數(shù)。
系統(tǒng)的性能參數(shù)如表3所示,。
結(jié)論
本系統(tǒng)最大限度地降低了混合電動汽車的前期研發(fā)投入,，較好的解決了通常軟件仿真中建模復(fù)雜、準(zhǔn)確性低,、難以實用的問題,。根據(jù)仿真系統(tǒng)的工作狀態(tài)，可以驗證控制效果,，來調(diào)整混合電動汽車的控制策略與控制參數(shù),，從而為混合動力汽車的設(shè)計,、性能預(yù)測和分析提供了一種有效的手段。