1、第24卷第4期2007年4月公路交通科技Journal of Highway and T ransportation Research and DevelopmentV ol 124N o 14Apr 12007文章編號:10020268(200704015005收稿日期:20051106基金項目:北京市科委資助項目(Y 0304008041191;北京市組織部優秀人才資助項目(20042D1000102作者簡介:姚國春(1974-,男,安徽馬鞍山人,博士,從事電動汽車CAN 總線、嵌入式應用和計算機控制研究1(yaoguochun chargebroad 1com 新型混合動力汽車再生制動控

2、制系統的實現姚國春1,2,陳壽孫1,韓聚奎2,朱小林2(11清華大學電機工程與應用電子系,北京100084;21北京嘉捷博大汽車節能技術有限公司,北京100176摘要:介紹了混合電動汽車的兩種基本結構形式及C AN 總線的工作特性,論述了再生制動系統儲能裝置和控制系統的原理。分析比較常用的幾種儲能裝置,確定以蓄能器作為能量存儲設備,利用自主開發的C AN 智能模塊和嵌入式微計算機主控模塊,組成基于C AN 總線的混合動力電動汽車的新型再生制動能量控制系統,運用相應控制策略實現再生制動能量控制。通過實際使用表明:該系統具有控制優良、運行可靠、成本低、能量利用率高等優點,極具應用前景。關鍵詞:汽車

3、工程;混合動力汽車;C AN 總線;蓄能器;再生制動;能量回收控制系統中圖分類號:U469172文獻標識碼:ADevelopment of a Novel Regenerative Braking Energy Reclaim ControlSystem for Hybrid VehicleY AO G uo chun1,2,CHE N Shou sun 1,H AN Ju kui 2,ZH U X iao lin2(11Dept 1of E 1E 1,Tsinghua University ,Beijing 100084,China ;21Beijing Chargebroad Energy

4、 saving Vehide T echnologies C o 1Ltd 1,Beijing 100176,China Abstract :Basic structure forms for tw o types of hybrid vehicle and the per formance of C AN bus are introduced in this paper 1The energy storage device and principle of regenerative braking energy reclaim (R BER control system are als o

5、discussed 1Several usual energy stor 2age devices are analyzed ,and hydraulic accumulator is utilized as energy storage device 1A novel R BER control system based on C AN bus ,which is com posed of C AN based intelligent m odules developed on our own and central contol m odule with embedded micro co

6、m 2puter ,is designed 1Certain control strategy is realized on the system to reclaim the energy generated by braking 1Because of its advantages of g ood per formance ,reliable control ,low cost and high energy saving rate in practical use ,it has great potential in application 1K ey words :autom oti

7、ve engineering ;hybrid vehicle ;C AN Bus ;accumulator ;regenerative braking ;energy reclaim control system進入21世紀,隨著經濟和社會的發展,化石能源的日益緊缺,人們的生態環保意識日益增強,世界各國相繼出臺一些法規對汽車排放污染進行嚴格控制,汽車工業正在呼喚一種低污染、低耗節能的汽車技術,在目前技術條件下混合動力汽車是最佳解決方案。再生制動是電動汽車所特有的,在減速制動(剎車或者下坡時將車輛的部分動能轉換為可存儲的能量存儲在儲能裝置中,來增加電動汽車的行駛里程,特別適合用在頻繁走走停停的城

8、市公交運輸車輛上。再生制動能量控制系統是實現汽車制動能量回收的關鍵。1混合動力汽車與CAN 總線13混合動力汽車4將兩種或更多的能量轉換技術(如發動機、燃料電池、發電機和一種或多種能量存儲技術(如燃料、電池、超級電容器、飛輪集合于一體。這種混合了傳統和電動的驅動系統能夠明顯減少汽車排放和降低油耗,并可以達到傳統汽車同樣的行駛距離和便利的燃料補充。混合動力汽車是將消耗燃料的原動力單元(一般是發動機發電機組和可充能量儲存裝置的輔助動力單元(一般采用蓄電池組合用到一輛汽車上,其基本結構主要有串聯式和并聯式5,如圖1 。圖1混合動力汽車的基本結構Fig 11Basic structure types

9、of HE VC AN 總線是BOSCH 公司為現代汽車量身定做的一種總線,具有突出的可靠性、實時性和靈活性。電動汽車電控系統需檢測和交換大量數據,要連接各種電子控制單元(EC U ,采用C AN 總線只要兩個數據線就可將各系統連接起來,這樣減少傳統硬接線方式需要大量的配線線束和接線端子,可減輕重量,降低成本,縮短裝配時間,提高通信的可靠性。2再生制動能量回收儲能裝置及原理車輛制動時由于具有一定的速度和質量,因而具有一定的動能。傳統汽車剎車時因剎車片摩擦生熱而消耗能量,以達到制動。再生制動系統的作用是在施加制動時將汽車的動能轉換成其他形式的能量(如電能,化學能或機械能加以回收,回收的能量被送到

10、儲能裝置里,例如高速飛輪、超大電容器、蓄電池、蓄能器、彈力裝置以及各種熱系統等,儲存起來供以后需要時就可以釋放出來。根據城市工況,制動能量一般占到汽車行駛中消耗總能量的30%40%6。而在傳統的制動系統中這些能量一般是以制動摩擦產生熱量的形式被白白浪費了。混合動力汽車的制動裝置同其他汽車一樣,是為汽車減速或停車而設置的,通常具有兩套制動系統,傳統的摩擦制動和電子控制的再生制動。混合電動汽車的再生能量系統核心和技術難點主要是儲能裝置和控制系統。儲能裝置主要有3種形 式:一種是機械儲能器,即高速飛輪,是利用加速飛輪儲能;另一種是電儲能,又分為蓄電池儲能和超級電容儲能,汽車多余能量通過發電機給電儲能

11、器充電儲存,電儲能器通過電動機釋放能量;還有一種是液壓蓄能器,通過液壓馬達回收或釋放能量。在這3種儲能器中,機械儲能器由于只是能量的轉移而沒有改變能量的形式,能量損失最小,效率最高,但技術難度高。目前儲能器使用較多的是電儲能器,而本文采用蓄能器作為儲能裝置,同傳統的蓄電池以及超級電容相比,具有成本低、控制簡單、充放能量速度快、使用壽命長等優點,表1為幾種儲能裝置比較。采用蓄能器由于中間能量轉換環節少,有利于提高能量利用率,圖2為采用蓄能器的能量轉換框圖,其中箭頭連線表示能量流向。高壓蓄能器用作儲能,低壓蓄能器作保壓油箱,防止泵工作噪聲與失效。表1幾種儲能裝置的比較T ab 11Per form

12、ance com paris on of four energy storages鎳氫電池鋰電池超級電容蓄能器比能量(W h kg -150120213215比功率(W kg -12002805001000快速充放性能3C 5C 011C 3C 較快快快快工作溫度-2050-1046-2060-45100安全性差極差較好極好使用壽命次120080060040030000超過整車壽命能量管理復雜精度低極復雜精度低復雜精度高簡單精度高成本高極高高低圖2采用蓄能器作儲能量裝置的能量轉換框圖Fig 12Schematic diagram of energy system with hydraulica

13、ccumulator as energy storage變量泵馬達作為汽車動能與液壓蓄能間的轉換元件3,可分別以泵或馬達的形式工作,從而實現能量雙向轉換。車輛制動時,變量泵馬達以泵的形式工作,車輛的動能帶動變量泵旋轉,同時把低壓液壓油壓入高壓蓄能器轉換為高壓油,實現能量的回收轉化。制動能量在釋放時,這時變量泵馬達以馬達的方式工作,高壓蓄能器中的油推動馬達旋轉,推動車輛前行。能量回收中汽車動能與液壓蓄能間能量轉換可以用公式7表述為:12M (u 20-u 21=P V (n 0-n 1t ,(1u 0=2rn 0,u 1=2rn 1,151第4期姚國春,等:新型混合動力汽車再生制動控制系統的實現

14、式中,M為車輛制動時的質量,kg;u0為制動開始時車輛的速度,ms;u1為制動結束時車輛的速度,ms;P 為液壓系統的工作壓力,Pa;V為液壓泵(馬達排量, m3r;n0為制動開始時液壓泵的轉速,rmin;n1為制動結束時液壓泵的轉速,rmin;t為制動時間,s;r為車輪半徑,m。上述工作過程沒有考慮能量轉換過程中的損失,這種損失主要取決于制動裝置中的機械傳動和液壓傳動的效率。實際過程從運行中車輛的可回收動能E經過液壓泵先變為液壓能E1(轉換效率1,在液壓系統由泵到蓄能器再到馬達過程因能量損失變為E2 (效率2,再通過液壓馬達又轉為行車動能E3(轉換效率3。設為經過整個能量系統回收剎車動能再次

15、轉為車輛動能的總轉化效率。E3=3×E2=3×2×E1=3×2×1×E0(2=E3E0=3×2×1(31=92%;2=98%;3=91%=82%(2004年美國EPA技術報告數據。最低1=80%;2=90%;3=80%=60%。因此平均下來液壓再生制動能量總轉化效率約70%。按制動能量占總行車耗能的40%算,這樣理論上再生制動系統可節能達30%。3再生制動能量回收控制系統的設計311再生制動能量回收控制系統的硬件設計整個再生制動能量控制系統由開關量測量模塊、開關量控制模塊、模擬量采集模塊和主控制顯示模塊等5個節點組

16、成。其中主控制顯示模塊為帶C AN接口卡的嵌入式計算機,主要作用是實現控制策略和顯示汽車運行狀態,顯示選用液晶顯示器。其他開關量和模擬量模塊都是采用單片機89C52和S JA1000獨立C AN控制器組成的C AN智能節點8,用于采集測量信號和控制輸出。需要采集的信號:模擬量有車速、轉速、蓄能、剎車和油門;開關量有空檔和倒檔。需要控制的信號:回收控制、釋放控制、起機控制和停機控制。根據各控制對象優先級不同,將C AN智能節點用I D撥碼開關設置成不同的地址,圖3為整個控制系統框圖。312再生制動能量回收控制系統的軟件設計31211C AN總線用戶通信協議制定C AN總線技術規范有C AN210

17、A和C AN210B,本文C AN智能節點和C AN卡中S JA1000工作于C AN210B協議的PeliC AN模式下,既可以支持擴展的29位標識符(擴展幀格式,也可以支持標準的 11圖3再生制動能量控制系統框圖Fig13Scheme of regenerative braking energy control system位標識符(標準幀格式。設計了基于命令+參數的通訊協議,對開關量測量控制,模擬量采集輸出都規定了不同的命令字。下面以標準楨格式介紹自定的簡單通訊協議數據格式,見表2。PeliC AN模式下標準幀有11個字節數據,其中1字節的幀信息,2字節的標識碼I D1和I D2,8字節

18、的數據DAT A1DAT A8。因是標準幀也是數據幀,幀信息高兩位FF和RTR都為0,即表示為后4位的數據長度代碼D LC;I D1用模塊地址來表示,I D2保留為00。DAT A1用作多幀的索引字節,對單獨一幀則是00;DAT A2用作命令字,具體定義見表3。其中應答幀中返回的命令字加上40H以示區別,如接收到復位模塊命令后,模塊執行軟件復位的同時,返回命令字43H,來表示操作成功。DAT A3DAT A8則為命令所帶的參數,對于模擬量兩個字節表示一個模擬量,十六進制表示0F FF對應模擬量電壓滿量程5V,一幀最多可傳三個模擬量數值,多幀用DAT A1來索表2自定協議的標準數據楨格式T ab

19、12S tandard data frame form of communication protocol幀信息ID1ID2DAT A1DAT A2DAT A3DAT A4數據目標00索引命令參數1參數1長度地址字字高八位低八位表3命令字定義T ab13Definition of directive codes名稱命令字命令參數返回參數觸發模塊01無發送周期+總線狀態改變發送周期02發送周期發送周期軟件復位模塊03無無查模擬量輸入04無輸入模擬量查開關量輸入05無輸入開關量置模擬量輸出06輸出模擬量輸出模擬量置開關量輸出07輸出開關量輸出開關量251公路交通科技第24卷引;而對于開關量一個字節

20、8位對應8個開關量,某位1表示開關量通,某位0表示開關量斷。31212C AN 智能模塊的程序設計C AN 智能模塊軟件主要包括C AN 通訊部分和功能執行部分(比如開關量測量或控制,模擬量采集或輸出。C AN 初始化包括對模式寄存器、總線定時寄存器0和1(位定時參數、時間分頻寄存器(Peli 2C AN 模式還是BasicC AN 模式、輸出控制寄存器、驗收代碼寄存器、驗收屏蔽寄存器以及中斷使能寄存器(開放接收中斷等等的初始化。C AN 智能模塊報文的發送采取主動和應答相結合的方式,主動方式周期性發送數據,且發送周期可以通過發命令設置,便于組網時靈活應用,而應答方式則用中斷方式響應其他節點請

21、求而發送數據。嵌入式計算機可以從總線上取數據或主動索取數據相結合。C AN 智能模塊中斷響應主控模塊要求其發送數據的指令,如模塊觸發,改變發送周期,軟件復位模塊,檢測輸入控制輸出等,若接收不正常,則復位C AN 控制器,使其能重新正常工作。C AN 通訊的工作波特率為500kbps 。31213主控制模塊的軟件組成和流程再生制動能量回收控制系統通過屏蔽雙絞線把C AN 智能模塊和主控制模塊連接起來,通過采集測量模塊將汽車的一些行車狀態和司機儀表板操控信號數據,發到C AN 總線上,主控制模塊采用中斷方式接受數據,這樣可以及時響應司機的操控,在主控制模塊運行再生制動能量管理的控制策略,及時將處理

22、結果再次發到C AN 總線上,控制模塊中斷接收命令控制能量回收釋放以及起停機。主控制模塊的軟件由3部分組成:C AN 通訊部分,再生制動能量管理部分,以及汽車行車狀態顯示。汽車行車狀態采用液晶屏顯示車速、檔位和剎車油門等運行狀況,以及蓄能器蓄能量值等。主控模塊C AN 通訊部分初始化時,要注意保持總線通訊波特率也要設成500kbps ,與各測控模塊設置的一致,否則無法通訊啦。還要將驗收屏蔽寄存器AMR 各位設置為全1,就不用對驗收代碼寄存器ACR 的對應位進行驗收濾波,這樣就能接收各個不同I D 標識的測控模塊發來的信息。此外,主控模塊采用從C AN 總線上獲取數據與定期查詢各采集測量模塊的數

23、據相結合的方式,還能控制各模塊是否發送,發送的間隔以及軟件復位,進行靈活控制。再生制動能量管理部分是主控制模塊軟件的核心,其功能是對車的運行狀態進行判斷,然后決定能量回收釋放以及起停機。若汽車油門踏板踩下,當蓄能滿足不低于釋放最低限時,則進行能量釋放,若汽車動力機構如發動機(或電機沒有起動時,則起動汽車動力;若汽車剎車踏板踩下,當蓄能不高于充滿的最高限時,則進行能量回收存儲,同時若汽車滿足停機條件時,則關閉汽車動力。其軟件主要流程見圖4 。圖4再生制動能量控制軟件流程Fig 14Flow chart of s oftware of regenerative braking energy con

24、trol system4液壓蓄能混合動力汽車工作模式討論混合動力汽車有兩套制動系統:傳統的摩擦制動和電子控制的再生制動,制動時根據車速、制動深度和蓄能量值,兩套制動系統或同時作用,在保證安全性條件下回收盡可能多的制動能量。351第4期姚國春,等:新型混合動力汽車再生制動控制系統的實現(a輕度制動時,主要用電子控制的液壓再生制動系統來回收能量;(b中重度制動時,需要分配摩擦制動和再生制動間的比例,實現安全制動及充分利用能量。混合動力汽車在配備液壓再生制動系統后的車工作模式可以優化如下:(1啟動時先由液壓蓄能器給馬達單獨驅動車輛,具有一定初速后再啟動發動機,或者同時由發動機和液壓蓄能一起驅動,可改善發動機工作狀況,節省燃料,避免尾氣排放。(2正常行駛時發動機可單獨驅動車輛,通過液壓蓄能器充放能調節作用使發動機工作在最低油耗比區間,同時降低排放。(3加速時發動機可與液壓馬達同時驅動車輛,提高車輛的加速性能,對發動機功率調峰。(4減速制動