混合动力电控系统设计与测试分析

宋晓雯

（雅安职业技术学院，四川 雅安 625000）

近年来，各国对环境保护的重视程度日益加深，人们的节能环保意识也不断提升。混合动力汽车不仅可以减少燃烧消耗，降低污染，还具有传统燃油车的技术优势，适用性较强。混合动力汽车可在发动机、电动机等主要部件之间的实现能量的合理分配，有效提高了整车的运行效率。电控系统是混合动力汽车的关键，是整车性能的基本保证。

与其他类型的混合动力汽车相比，并联式混合动力汽车可以实现电动机和发电机独立驱动，也可采用油电混合动力进行驱动。借助混合动力电动系统，在燃油车上容易实现混合动力驱动，可以在驱动桥上直接加装驱动电机。在车速不高，且车速变化不大时采用发动机驱动，在高速行驶或加速状态下，采油混合动力驱动，增大扭矩。

1 混合动力电控系统功能需求

电控系统是混合动力汽车控制的关键，电控系统的运行状态直接决定混合动力汽车系统运行的稳定性。在进行混合动力电控系统设计时，必须满足以下功能需求。

（1）电子控制单元通过传感器控制加速踏板、制动踏板、离合器，接收传感器传输的信号并进行计算和处理，操作车辆行驶。在进行电路设计时，应根据传感器的类型进行区别配置，并根据性能要求做好芯片和引脚的配置。

（2）能够按照要求完成混合动力系统各组成部分电路的构建。

（3）换向阀的管控是通过液压混合动力和电液比例放大器之间的通讯关联，控制和调整位移电液比实现的。

（4）建立总线通讯，实时收集发动机的各项运行数据，分析处理后对系统参数进行调整。如根据发动机工况，对发动机扭矩进行调整，使车辆能适应各类路况。

2 混合动力电控系统设计

混合动力汽车电控系统设计包括驱动电路、主控电路、辅助电路和系统保护电路等，总体设计示意图如图1所示。

图1 混合动力电控系统硬件总体设计示意图

2.1 电控系统单片机选型

为了确保混合动力电控系统平稳运行，本系统主控芯片选用飞思卡尔MC9S 12XDP512。电控单片机最小系统包括时钟电路、上电复位电路、背景调试模式（Background Debug Mode, BDM）接口电路和单片机电源引脚抗干扰电路，每一部分控制系统部分功能，综合发挥系统的整体功能。时钟电路采用16 MHz石英晶体振荡器，在工作过程中可通过输出引脚晶振复位所有设备的时钟输入频率。上电复位电路通过单片机输出的复位信号，对电子控制单位进行控制。BDM接口电路可以将控制程序下载到微控制器，单片机电源引脚抗干扰电路可有效去除电源干扰信号，提高电控系统输入和输出信号的准确性。

2.2 电源电路设计

可靠稳定的电源电路，是混合动力电控系统各部件功能正常发挥的基本保证。研究中选用转向电源芯片，其工作温度阂值区间较大，输入电压和输出电流值不仅可满足系统要求，还可最大限度地降低浪涌电压系统电源的影响，有效提高了系统硬件的抗干扰性。

发电机工作过程中，电压的变化会对电控系统工作产生影响，进而降低控制进度。电源电压的变化幅度较大，最高可达到30 V，已经超出了单片机转换过程中可以测量的电压变化幅度。为了降低电源对系统工作的干扰，将电压转换为0 V～5 V后，然后输入单片机接口进行进一步测试，测试电路如图2所示。

图2 电源测试电路

2.3 输入信号调理电路设计

开关量信号调理电路的功能是配合电控系统控制各组成部分的启动、空挡等，为了抵抗外部干扰，在应用RC低通滤波器的基础上，还可实现在开关环节对强脉冲干扰信号进行滤除。此外，开关量信号调理电路还通过应用光电隔离策略降低信号干扰，通过单向传输的方式，使信号采集和调理电路分开工作，有效防止干扰信号传入，有效提高输入信号的质量。

模拟量信号调理电路是对系统内部的电压和电流模拟信号进行分析和处理，对蓄能器压力、制动和加速等信号进行控制。通过分析各类传感器传输回来的模拟信号，分析系统各部件的工作状态，调理后满足混合动力汽车的起步、停车以及加速行驶要求。脉冲信号调理电路主要是对速度和电机传感器输入的脉冲信号进行分析和处理，滤除高频干扰信号，经削波测量信号处理、信号放大后脉冲信号的性能进行分析。

2.4 执行电路设计

执行电路是将控制信号传输到混合动力电控系统各个主要部件，控制各部分正常工作。执行电路通过智能低压侧开关及单片机的通信接口控制系统各主要部件，智能低压侧开关可在短时间内控制各部件的开关。

3 混合动力电控系统功能测试

3.1 测试设备

混合动力电控系统核心控制装置主要包括控制器、储能单元、控制板、电脑。电控系统功能测试试验台主要包括控制平台、发动机控制执行器、测量传感器、循环水冷却系统等，传感器主要包括温度传感器、压力传感器、速度传感器。混合动力电控系统功能测试试验主要包括发动机起动控制和再生制动控制试验。

3.2 发动机起动控制试验

发动机起到控制试验分两次进行，两次液压起动试验结果如图3和图4所示。

图3 第一次液压起动试验结果

首次启动时蓄能器还没有储存足够的压力，发动机起动主要为液压起动，启动后控制系统通过释放蓄能器压力驱动马达运转，开展试验工作。发动机起动后，蓄能器的压力变化是连续的，不是间断的，蓄能器压力经历了一个不断下降的变化趋势。

图4 第二次液压起动试验结果

分析图4所示试验曲线，可以得出蓄能器的压力下降呈现连续、均匀的趋势，处于一个稳定的状态。这说明控制系统可以实现精确控制，根据发动机工作需要合理控制蓄能器压力。综合分析上述两次液压起动试验曲线变化趋势，平均启动时间满足设计要求，说明混合动力电控系统可以及时平稳的启动发动机。

3.3 再生制动控制试验

混合动力电控系统再生制动控制试验开展前，首先设定测功机转速为600 r/min，安全阀和蓄能器充气压力值分别为21 MPa和12 MPa。由于再生制动控制试验过程中，发动机不会喷油，动力主要来源于测功机，驱动液压泵工作。再生制动控制试验也分两次进行，两次试验结果如图5和图6所示。分析图5和图6试验曲线变化情况，两次试验各试验参数均满足设计要求，说明混合动力电控系统可以满足车辆动力需求。

图5 第一次再生试验结果

图6 第二次再生试验结果

4 结语

与传统的燃油车相比，混合动力汽车具有明显的技术优势，而电控系统是车辆正常运行的基本保障。混合动力电控系统首先应做好各组成部分电路的构建，按照要求布设传感器，建立总线通讯，及时收集发动机和电动机运行过程中的各项数据，精确掌握车辆的运行状态。为了保证混合动力电控系统高效运行，根据系统需要合理选配单片机，进行主控电路、执行电路、电源电路和信号输入电路的设计。为了准确确定混合动力 电控系统的功能，分别在试验台对发动机起动控制和再生制动控制开展试验，得出系统各参数均达到了设计要求，电控系统可以满足混合动力汽车动力需求。