混合电动汽车能量流仿真系统

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对于混合电动汽车，在实际运行中，为了实现电动机与发动机之间的快速切换，要求系统有较短的响应时间；为了保证汽车运行的稳定性，要求系统具有精确的电流定位；同时，为了保证系统控制的可靠与准确，对系统采样精度与控制速度的要求也较高。研究混合电动汽车的能量流控制策略，关键在于研究电池与电动机和发动机之间的关系。
在实际工作中，混合电动汽车工作环境复杂、各种干扰因素的影响较大，给研究其能量流状态带来了较大的困难。能否在实验室对动力电池的工作性能进行模拟与仿真呢？这样，不仅可以节省大量的人力物力，而且对于混合电动汽车的设计和总成有很好的参照作用。
本文将介绍的混合电动汽车能量流仿真系统就是针对上述要求而设计的，该系统可仿真混合电动汽车的实际工作环境，为研究混合电动汽车控制策略提供了一个灵活、简便、高效的平台。
系统特点
整个系统采用组合式平台搭建，根据仿真工作的要求，按照工作电流的大小组合使用对应的仿真模块来构成整个系统的能量控制部分。采用这种结构设计可以大大减小整个系统的体积与功耗。
系统中集成了CAN2.0B和RS-232C接口，可以与汽车内的各种控制仪表进行通信与数据交换，与汽车总控系统的标准通信接口兼容，能够方便的移植到实际的混合电动汽车系统中。同时，可以直接与计算机通信，由计算机来控制系统的运行，便于实现监控与仿真。
系统结构
混合电动汽车能量流仿真系统主要由充电系统、放电系统和控制系统三个部分组成。系统结构框图如图1所示。

图1  仿真系统结构
在充电系统中，采用高效率的脉宽调制方式（PWM），同时采用反馈稳定控制系统，使得充电过程快速稳定。
在放电系统中，采用节能型的能量回馈方式，将电能返回电网或者仍然回到充电系统，达到节能降耗的目的。
在控制系统中，采用高速嵌入式微处理器，具有抗干扰能力强、响应速度快、控制方式灵活的特点。
1 充电系统
首先将电网电压进行整流，经过脉冲宽度调制，再经过隔离变压器变换，然后进行整流稳压，即可得到所需的工作电压。为了保证充电过程的快速稳定，将电压、电流采样值引入稳定控制系统，使得充电过程快速稳定。充电系统结构如图2所示。

图2  充电系统结构
2 放电系统
电池的放电系统采用能量回馈方式。首先将动力电池的电能进行变换，送入中间缓冲器，然后通过逆变方式将电能变换为三相交流，这部分能量既可以用于返回电网，又可以将它再次送入充电系统，实现电能的重复利用，同时可有效减少电流波动对电网的影响。放电系统结构如图3所示。

图3  放电系统结构
3 控制系统
本系统采用基于高速嵌入式微处理器的控制系统。高速处理器能够保证快速完成动力电池的充放电任务，并且通过数字滤波算法使系统具有较好的抗干扰能力。高精度的A/D、D/A控制单元使得充放电过程动态稳定，满足控制要求。转换状态用中断方式通知CPU读取转换结果，保证系统的快速响应。监控计算机通过接口函数就可以控制系统的运行，并且可以采集实时参数进行数据的分析、处理与监控。控制系统结构如图4所示。

图4  控制系统结构
选用Microchip公司的PIC18F6720为主控制器，该MCU片内集成多通道的10位精度的采样转换器，可以方便的采集电池的电压、充电电流、放电电流和电池温度等多种信号；内置两个串行通信接口，可以与上位机进行异步通信；SPI接口可以用来扩展内部总线；PWM输出可以对回路电流进行调节等。控制系统电路如图5所示。

图5  控制系统电路
4 人机交互

通过LCD显示器可以直观的显示系统的工作状态和电池工作情况，具有良好的人机交互界面。在控制系统中设置了短路与过热保护，故障报警指示，最大限度达到系统的安全可靠，保护系统与动力电池的安全。图6为LCD显示的示意图。

（a）工作状态

（b）测试状态
图6  LCD显示示意图
通信系统
系统内建了两种通信总线：CAN2.0B和RS-232C。
1 CAN总线通信
CAN总线是专为解决现代汽车中各种控制器、执行机构、监测仪器和传感器之间的数据通信而开发的总线式串行通信技术。但CAN只包括了物理层和数据链路层，在汽车工程师协会SAE推荐的标准SAE J1939进一步规范了汽车内部网络的标准。
J1939采用CAN2.0B的扩展帧格式。进一步定义了CAN数据帧仲裁域中的标识位。29位ID的格式如表1所示。

一个协议数据单元（PDU）包括7个预定的域。它们是优先级、保留位、数据页、PDU格式、PDU细节、源地址和数据域。CAN数据帧中的SOF、SRR、IDE和RTR部分控制域，CRC、ACK和EOF没有包括在PDU。
数据域为0～8字节的数据。当需要使用9～1785字节来表达某个参数组时，数据通信将由多个CAN数据帧完成。
2 RS-232C通信
RS-232C用来与监控计算机进行数据与控制命令通信，根据监控计算机的控制指令来执行相应的动作，同时将系统的状态参数传递到监控计算机系统。
监控计算机使用查询方式与仿真系统通信。数据格式分为数据头、数据体及校验码三部分。数据头用于判断该条信息的类别，以便接收到数据信息后做出对应的处理；数据体存放真正要传输的数据信息；校验码采用奇偶检验码来对整条数据进行校验。在系统中统一采用“@”作为传输数据的开始，“：”作为传输数据的结束，如表2所示。

对于命令信息只有信息头和校验码，对于数据信息则还包括了数据体部分。在上下位机通信期间，数据发送方会在相同的时间间隔内重复发送相同的数据，直到收到对方的应答信息；若在一定时间间隔内仍未收到应答信息，则表示出现通信故障，数据发送失败。接收方收到数据后，会根据数据头、数据尾及校验码判断数据是否完整、正确。若是则回复表示成功接收的应答信息，否则等待发送方继续发送。
如果一条数据分成多次发送的时候，采用的是发送—应答模式，即每当收到应答信息后才发送下一条数据。
系统性能指标
混合电动汽车能量流仿真系统为研究混合电动汽车提供了一个硬件平台，适用于铅酸、镍氢、锂离子等大功率动力电池系统。系统实时显示电池的充、放电状态，发动机工作状态、能量流动状态等重要参数。

系统的性能参数如表3所示。


结论
本系统最大限度地降低了混合电动汽车的前期研发投入，较好的解决了通常软件仿真中建模复杂、准确性低、难以实用的问题。根据仿真系统的工作状态，可以验证控制效果，来调整混合电动汽车的控制策略与控制参数，从而为混合动力汽车的设计、性能预测和分析提供了一种有效的手段。