普锐斯插电式混合动力车的控制ECU

2011-09-03周泉

汽车电器 2011年10期

周泉

受解决全球环境问题的措施及石油价格飞涨的影响，用户对油耗及影响环境等因素的关心程度正在进一步加强。各国政府都在逐年加严排放法规，不断地要求汽车厂家降低燃油的消耗量，减少CO2的排放。美国加利福尼亚州空气管理署（CARB）规定:从2012年起，各汽车厂家有义务实现所销售的汽车达到零排放车款法案的要求。很多汽车厂家接受了这一法案，并在2009年发布了关于生产电动汽车的公告以及上市时间表。日本从2009年起就已经执行了新能源车的减税政策。由此可见，混合动力车（Hybrid Vehicle，以下简称HV）正在吸引人们的眼球，其销售数量也在急剧增长。

虽然电动汽车（Electric Vehicle，以下简称EV）在环境性能方面非常优秀，但是其电池的储备容量、成本还有许多难题需要解决；就现状来说，在续航距离与价格方面还无法与汽油车相媲美。因此，在短距离上可以代替EV使用的混合动力车HV中的一种——插电式混合动力车（Plug-in Hybrid Vehicle，以下简称PHV）正在引起人们的重视。2010年6月1日，中国政府的财政部、科技部、工信部、国家发展改革委联合出台了《关于开展私人购买新能源汽车补贴试点的通知》（以下简称《通知》）。《通知》中明确提到，纯电动乘用车每辆最高补贴6万元，插电式混合动力乘用车每辆最高补贴5万元。

1 系统构成

1.1 混合动力车HV系统构成

在说明PHV之前，首先介绍作为基型车辆的普锐斯HV的系统构成。一般说来，所谓HV是指具有2种以上的动力，根据所处的状况利用一种或者两种以上的动力源行驶的车辆。普锐斯HV采用汽油与电力2种动力源，由发动机或电动机供给踏板所要求的驱动力。

众所周知，HV的特点是优秀的静音性与低油耗；在功能上，具有代表性的特性是4点:①怠速停机；②加速时的电动机助力；③只靠电动机行车的EV行驶；④实现制动时回收电能的再生制动器。

与汽油车相比，为了实现上述功能，HV上增加了以下4个系统:①包括电动机、发电机、动力分配器的变速驱动桥；②功率控制单元（Power Control Unit，以下简称PCU）；③高压蓄电池；④控制混合系统的计算机（混合控制ECU:HV-ECU）。普锐斯HV系统构成如图1所示。

在HV上，由于将发电机作为发动机的起动机使用，使 “怠速停机”得以实现。高压蓄电池的作用是驱动电动机的动力源，实施 “加速时的助力”与 “EV行驶”。进而利用电动机实现将动能变换为电能的 “再生制动”以及利用发动机驱动发电机，由此实现对高压蓄电池的充电。上面说到的电都是由功率控制单元PCU来进行调整的，动力的分配是由动力分配机构完成的。HV-ECU则基于各种输入信号实现对系统的整体控制。

1.2 插电式混合动力车PHV系统构成

普锐斯PHV的系统构成如图2所示。在HV上，对高压蓄电池的充电是在行驶过程中以及怠速过程中等行车过程中进行的。但PHV是一种在驻车时还可以用外部电源充电的HV。作为外部电源的充电，可以使用家用电源插座，这样，利用车辆上的充电器就可以对高压蓄电池进行充电。

PHV的特点是其具有EV与HV两者的功能，对短距离，利用PHV已充的电力代替EV，可以减少CO2的排放以及降低燃油的成本；对于长途及高速行驶，则以本来的HV使用。由此，在没有建立充电站的地方也可以使用这种车辆。

与普锐斯HV相比，普锐斯PHV有5个特点:①在左挡泥板的后方增设了可接入充电电缆的充电插口；②在右前座的下方，增设了将家用交流电变换为直流电、对高压蓄电池进行充电的逆变器；③高压蓄电池由镍氢蓄电池改为锂离子蓄电池，并且加大了蓄电池的容量；④伴随着增加了充电功能，将控制混合动力系统的计算机改为插电式混合控制ECU（PHV-ECU）；⑤更改仪表的显示、追加充电指示灯以及追加对用户的通知功能。

通过这些系统的更改，与基型普锐斯HV相比，普锐斯PHV靠电动机行驶的EV使行驶距离有了大幅度提高，达到了23.4km。

一般人可能认为，要提高靠电动机行驶的EV行驶距离的话，只要在老式的EV上装设充电器、加大蓄电池容量就可以实现PHV了，但实际上，还必须与新的控制原理及标准相适应。因此，与老式的HV-ECU相比，控制整个系统的PHV-ECU要做大量的更改。

2 ECU构成

丰田汽车公司在2009年12月开始限定销售以普锐斯为基础生产的PHV。在这种汽车上，设置了混合控制与外部电源充电控制的ECU，即插电式混合动力车的控制ECU，简称为PHV-ECU，其内部结构如图3所示。

2.1 与老式ECU构成的不同点

如前所述，插电式混合控制ECU（PHV-ECU）是在老式的混合控制ECU（HV-ECU）上追加了插电式充电功能。由此，控制软件容量大幅度增加，老式结构的2个CPU已经无法满足要求，代之以3个CPU。

2.2 运用老式ECU的设计成果

从2007年开始，厂家就在探讨PHV-ECU的研发，当时的计划是大约用3年的时间实现批量生产，对此，必须采用短期开发的策略才能得以实现。由于新的系统要求比较高，以 “破旧立新”（scrap and build）的做法进行开发的可能性还是比较大的。因此，首先应用老式ECU（HV-ECU）的设计对PHVECU的结构进行研究，希望可以实现高效开发。开始只对追加功能的部分开发新的ECU（插电式ECU），与老式的ECU分别采用不同的底板，再用数据线连接起来，认为这种结构效果可能最佳。但是后来才发现，由于通信的数据量、所要求的速度等问题，整个系统的HV-ECU与插电式ECU之间的通信无法实现。为此，将追加功能这一部分添加到老式的HV-ECU处，集中到一块底板上，如图4所示。这样做的目的是提高通信速度，同时可以利用HV-ECU的电路结构、底板结构，利用原来的设计资料与认证资料。通过采用主、副CPU与插电式CPU布置在同一块底板上，使得对控制规格、失效保护功能等老式ECU思路的更改控制到最小程度。

2.3 ECU的起动与终了时的处理

在老型号产品上，是利用按钮起动开关来接通系统电源的。但在PHV-ECU上，除了用按钮起动开关来接通系统电源之外，还需要在用户插入充电电缆、接通系统电源时进行充电控制。因此，在老式的按钮起动开关的起动电路中，追加了充电电缆是否插入的检测电路，即追加了电缆插入检测与系统电源接通功能，如图5所示。

在充电终了时，断开系统的电源，又处于起动待机状态。

3 充电控制

3.1 充电电缆

在普锐斯PHV利用家用电源充电的场合下，就要使用专用的充电电缆，如图6所示。

普锐斯PHV的充电电缆及车辆一侧接口的技术条件是按照美国汽车工程学会标准SAE1772:“电动车辆传导充电系统”（SAE Electric Vehicle Conductive Charge Coupler）。充电电缆一侧的接口装在一个四方盒子内（简称CCID盒），其具有的功能是 “与车辆的连接状态的检测”、“有否漏电的检测”以及“异常时断开车辆与家庭之间的电源”。充电电缆与车辆的连接如图7所示。车辆侧的充电罩的结构如图8所示。

3.2 充电步骤

按SAE标准规定的充电步骤如下所述。

1）检测车辆的连接充电电缆内的控制单元通过监测控制导引（Control Pilot）电路信号电压的变化（U1→U2），检测出电缆已与车辆连接。

2）通知电流的额定值充电电缆内的控制单元以发出控制导引（Control Pilot）信号（方波）的占空比的形式向PHV-ECU通知电源设备（家用电源与电缆）的额定电流。如图9所示。

3）通知车辆侧充电准备工作完成利用导引（Control Pilot）信号的电压变化（U2→U3）， PHVECU对充电电缆内的控制单元发出通知:充电准备工作已完成。如图10所示。

在标准中，还规定了可以通过增大电压变化量的方法通知设备一侧换气的必要性，但普锐斯PHV没有换气的必要，所以，没有采用这一条的规定。

4）电缆内触点的闭合充电电缆内的控制单元检测出充电准备工作已完成的通知后，则使向车辆送电的触头闭合。此外，当检测出漏电或与设备的搭铁等状况有异常时，充电电缆内的控制单元可以断开触头。

普锐斯PHV在充电过程中，副驾驶座位前仪表板上的指示灯亮起，由此可以知道:目前正在由车外进行充电，如图11所示。

3.3 PHV-ECU的工作原理

普锐斯PHV上设置的PHV-ECU的要件有下列各项:①家用电源停电时，PHV-ECU应处于待机状态；②充电完成之后，PHV-ECU应处于待机状态。

为了满足上述要件的要求，决定了PHV-ECU的起动要取决于导引信号。导引信号处于高电平时，微机被唤醒（Wakeup），闭合车辆一侧的系统电源。对普锐斯PHV的导引信号动作进行了如下设计，如图12所示。

从图12可以看出，如果不是精心设计的话，在与车辆连接的时刻，导引信号电压变为U2，充电电缆内的控制单元就会按占空比发出驱动信号。但在普锐斯PHV上，由于设计者精心设计，增加了电路，在与车辆连接的时刻，电压变为U1。再通过PHV-ECU内的微机驱动电路，向U2转换。通过这样的更改，在起动时，PHV-ECU检测到导引电压从0V变到U1，就可以实现稳定的起动。

在深夜的等待供电或停电待机的场合下，家用电源无法向充电电缆供电，这时导引信号变为0 V；在非深夜以及恢复供电时，电源向充电电缆供电、导引信号电压变为U1。PHV-ECU正是通过如此的变化，导引信号在0V时为待机，电压变为U1才开始起动并进行充电控制。在充电终了之后，PHV-ECU使导引信号电压回到U1，充电电缆内的控制单元检测到电压为U1时，则停止占空比驱动。由此，在充电结束后，还可以保持稳定的待机状态。插电式混合动力车充电控制的流程如图13所示。