基于DSP的混合动力汽车能源总成控制系统

摘要：分析了混合动力汽车能源总成控制技术的发展趋势，针对长丰集团CFA6470HEV型混合动力汽车的特点，利用数字信号处理器(DSP)的快速运算能力及强外围功能，实现了基于DSP技术的混合动力汽车能源总成控制系统的设计和运行。测试结果表明，CFA6470HEV 在混合模式(HEV)下的油耗、最高车速、加速性能均优于燃油模式(ICE)，而它运行在燃油模式下即等价于CFA6470G。另外，若能将发动机的出力纳入控制，有望进一步降低油耗，减少尾气排放。

关键词：混合动力汽车；能源总成控制；DSP软件开发

引　言

混合动力汽车(HEV)有多种动力参与汽车驱动，一般指的是燃油发动机和电机这两种动力。这种车综合了传统汽车引擎驱动与电机驱动的两大优点。主要能源仍然是汽油、柴油。混合动力汽车既充分发挥了燃料发动机持续工作时间长、动力性好的优点，又可以发挥电动机无污染、低噪声的好处，具有低油耗，低污染的特性。并且，混合动力汽车可以在运行过程中维持电量的均衡，不象纯电动汽车需要配备专用的充电器等配套设备。在不远的将来，混合动力车将与传统燃油车、纯电动车形成三足鼎立的局面。

针对混合动力汽车多种动力协调控制，提出了能源总成控制的概念。根据整车的运行状况分配各动力设备的出力，使各动力设备工作在高效区，提高能源的利用率，使整车性能最佳。能源总成控制系统作为混合动力汽车的中央处理器，要求实时性高、运算能力强。数字信号处理器(DSP)具有高达数十MIPS 的数据吞吐能力，短至几十ns的指令周期，外围功能强，在混合动力汽车能源总成控制系统中具有十分重要的应用价值。

基于DSP技术的混合动力汽车能源总成控制系统设计
　
　长丰集团CFA6470HEV混合动力汽车以CFA6470G四轮驱动越野车为平台，去掉了分动箱，发动机仅驱动后桥，电机以镍氢动力电池为能源驱动前桥，前轮、后轮通过地面摩擦力达到速度一致。能源总成控制系统根据整车的状态协调控制发动机的启停、电机的出力。整个CFA6470HEV功能结构图如图1所示，其在混合模型(HEV)、燃油模式(ICE)下的性能比较见表1。

图1　CFA6470HEV功能结构图

表1　CFA6470HEV在混合模式(HEV)、燃油模式(ICE)下的性能比较

1)硬件设计　
基于DSP的混合动力汽车能源总成控制系统的原理设计框图如图2所示。该系统采用的DSP是TI公司的TMS320LF2407A，外部时钟频率为15MHz，2倍频后系统时钟达30MHz。TMS320LF2407A内嵌CAN核，通过两片光电隔离器6N137，外接CAN收发器PCA82C250A，便可实现与混合动力汽车上的电机控制器、电池管理系统的CAN通讯，从而获取电机转速、车速、电池剩余电量、充放电电流等信息。TMS320L F2407A通过A/D模块采集经AD210AN隔离放大的加速踏板行程。整车的发动机状态(IE)、刹车信号(BK)、加速踏板开关(TPs)、纯电动模式开关(PEV)、混合动力模式开关(HEV)、刹车位置信号(BKs1，BKs2)、空调信号(AC)、档位信号(RK)经光电隔离后送入TMS320L F2407A的I/O模块。同时TMS320L F2407A通过I/O模块外接隔离放大模块输出分离离合器信号(CD)、结合离合器信号(CE)、主继电器通断信号(BS)、发动机点火熄火信号(IG)。另外，TMS320L F2407A的SCI口外接MAX232可实现于上微机的通讯，上位机通过串口可监视整车的状态、下传参数、采集数据以备分析。如图2所示，开关量输入输出、模拟量输入、CAN通讯都采用了隔离模块，防止干扰进入DSP，提高了能源总成控制系统的可靠性。

图2　混合动力汽车能源总成控制系统原理框图

2)软件设计
程序主流程如图3所示。首先进行系统初始化和系统自检；自检通过则读取整车的状态信息:模式开关、加速踏板行程、倒车信号、档位信号、刹车信号、发动机状态、电机状态、电池状态，其中电机电池状态通过CAN总线获取，采用CAN中断接收，主程序中查询读取，以减少CAN中断服务程序占用CPU的时间；先进行怠速判断，即车速为零时间超过5s且发动机已点火，则将发动机熄火；然后根据所获得的状态信息判断汽车是前进还是倒车，若是倒车，则进入倒车模式，否则判断是否踩了刹车，若踩了，则进行能量回收，若没踩刹车，则根据模式开关的状态进入相应的工作模式。混合动力汽车有3种工作模式: 纯电动模式(PEV)、混合动力模式(HEV)、燃油模式(ICV)。

图3 　程序主流程

在纯电动模式下，能源总成控制系统根据加速踏板行程及电池剩余电量控制电机出力，驱动前桥，拖动汽车运行。混合动力模式下，由电机出力启动汽车运行；当车速达到24km/h时，点火发动机，结合离合器，将发动机加入驱动，当系统确认发动机工作正常后，让电机逐步退出驱动；当加速踏板行程较大(行程>80%)且电池电量充足时，电机再次加入驱动，作为整车的辅助动力，与发动机共同驱动整车；当电池电量不足且车速>30 km/h、加速踏板行程不是很大(行程<75%)时，由发动机提供能源，通过电动机给电池充电。

结　语

采用DSP技术的混合动力汽车能源总成控制系统处理速度快、实时性强，已成功应用于湖南省“十五”计划重点攻关项目：长丰集团CFA6470HEV 混合动力汽车。该车以四缸的发动机+电机实现了六缸发动机的驱动性能，加速性能好，油耗、尾气排放均达到了国家混合动力汽车的标准。测试结果表明CFA6470HEV在混合模式(HEV)下的油耗、最高车速、加速性能均优于燃油模式(ICE)，而CFA6470HEV 运行在燃油模式下即等价于燃油车CFA6470G。另外，若能将发动机的出力纳入控制，有望进一步降低油耗、减少尾气排放。