CN104175896B - 一种用于内燃发电增程式电动车的整车能量管理控制器 - Google Patents
一种用于内燃发电增程式电动车的整车能量管理控制器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于内燃发电增程式电动车的整车能量管理控制器。本发明中的微控制器MCU利用自身功能端口，通过ICE负荷调整电路检测和控制内燃机ICE，通过ISG整流与逆变电路检测和控制起动发电一体机ISG工作；通过蓄电池SOC、驱动需求功率检测电路读取当前蓄电池充放电状态、驱动电机及其控制器放电状态；通过双向DC/DC电路调整增程器和蓄电池两端电压比，优化增程器内燃机运行工况；控制器电源调整电路为控制器中各模块提供所需工作电源。本发明可根据当前蓄电池的剩余电量水平和整车驱动需求功率起停增程器、调整增程器输出功率和运行工况、协调蓄电池充放电管理，在整车能量管理上实施最优控制。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种用于内燃发电增程式电动车的整车能量管理控制器，用于管理增程式电动车的内燃发电及蓄电池复合能源系统，协调控制增程器运行及蓄电池充放电管理。
背景技术
增程式电动车通过在纯电动车上匹配增程系统，一定程度上解决了传统纯电动车存在的蓄电池容量小、续航里程短、充电不方便等问题。现有增程式电动车一般采用内燃发电系统和蓄电池直接耦合方式，蓄电池亏电情况下利用内燃发电直接给车辆供电及蓄电池充电。尽管结构简单、增程效果明显，但内燃发电增程系统内燃机工况（包括转速和负荷）无法根据电气和充电负载变化灵活调节以保证较佳的燃油经济性和排放特性；蓄电池充放电不便控制，影响电池寿命；无法实施复杂的保证系统工作最优的协调内燃发电增程器和蓄电池充放电能量管理算法。设计和开发一种兼顾续航里程、蓄电池高效充放电管理、内燃发电增程器工作效率及排放性能的增程式电动车整车能源管理控制器对改善电动车的实用性和节能减排具有重要意义。
发明内容
本发明针对传统内燃发电增程式电动车增程器和蓄电池充放电之间协调控制问题，提出了一种用于增程式电动车的整车能量管理控制器，可根据当前蓄电池的剩余电量水平和整车驱动需求功率起停增程器、调整增程器输出功率和运行工况、协调蓄电池充放电管理，在整车能量管理上实施最优控制。
本发明所述一种用于增程式电动车的整车能量管理控制器主要包括以下几个模块：增程器内燃机ICE负荷调整电路，增程器起动发电一体机ISG整流和逆变电路，蓄电池SOC、整车驱动需求功率检测电路，双向DC/DC电路，控制器电源调整电路以及微控制器MCU最小系统。微控制器MCU利用自身功能端口，通过ICE负荷调整电路和ISG整流与逆变电路分别检测和控制内燃机ICE和起动发电一体机ISG工作；通过蓄电池SOC、驱动需求功率检测电路读取当前蓄电池充放电状态、驱动电机及其控制器放电状态；通过双向DC/DC电路调整增程器和蓄电池两端电压比，优化增程器内燃机运行工况；控制器电源调整电路为控制器中各模块提供所需工作电源。
所述的ICE负荷调整电路由MCU通过晶体管阵列芯片ULN2003以双四拍模式控制步进电机转动，进而改变与其机械相连的ICE节气门开度。本发明增程器所采用的内燃机为小型化油器式、电控节气门汽油机，通过调整节气门开度即可改变内燃机负荷。
所述的ISG整流和逆变电路主要用于实现增程器启动时ISG电机电源直流电压的逆变以及增程器起动后ISG电机输出电压的三相整流。三相六个高低边MOS管组成全桥逆变电路，MCU通过IR2130驱动芯片控制逆变电路工作；利用逆变电路MOS管并联的整流二极管组成ISG输出三相整流电路。
所述的蓄电池SOC、驱动需求功率检测电路包括检压和检流电路，用于检测蓄电池充放电状态、驱动电机及控制器放电状态，方便MCU计算蓄电池剩余电量及整车需求功率。检压电路通过分压法搭建；检流电路以取样电阻为传感器，利用LM258运放芯片搭建信号放大电路输入MCU。
所述的双向DC/DC电路属于非隔离BUCK-BOOST级联型双向DC/DC电路，MCU通过2块IR2101搭建BUCK-BOOST两个半桥驱动。双向DC/DC电路将蓄电池（VBATT）与ISG电机电源（VISG）进行了分离，通过双向BOOST升压功能实现增程器的快速起动以及增程模式下的增程器内燃机运行工况调节。
所述的控制器电源调整电路由DC/DC电源和相应调稳压模块组成，主要用于为控制器中各个模块提供所需工作电源。蓄电池电源VBATT通过WD648D12电源DC/DC模块实现蓄电池电源到±12V转变，±12V电源再通过由78L05和79L05组成的三端稳压电路得到控制器所需的±5V。
所述的微控制器MCU最小系统是MCU正常工作所需的基本电路，包括各模块电源供给电路、外部晶振电路、复位电路及BDM背景调试电路.
本发明的有益效果：
1. 将ISG整流与逆变电路通过双向DC/DC与蓄电池电源并联。在增程器起动时，双向DC/DC通过BOOST可以抬高蓄电池向ISG输出电压，使ISG快速带动内燃机ICE到较高转速。缩短起动和怠速过程，改善内燃机ICE燃油经济性和排放。
2. 将ISG整流与逆变电路通过双向DC/DC与蓄电池电源并联。在增程模式下，双向DC/DC通过BOOST可以抬高ISG向蓄电池及驱动电机控制器的输出电压，从而可以让增程器内燃机保持在较低转速和较高的负荷率下，改善增程器ICE燃油经济性和排放。
3. 将MCU最小系统与ICE负荷调整电路、蓄电池SOC及驱动需求功率检测电路相连。在增程模式下，MCU可根据当前蓄电池剩余电量和整车驱动需求功率情况，灵活调整增程器输出功率和蓄电池充放电状态，从而对整车能量传递实施最优控制。
附图说明
图1. 整车能量管理控制器结构示意图。
图2. 增程器ICE负荷调整电路。
图3. 增程器ISG整流与逆变电路。
图4. 蓄电池SOC、整车驱动需求功率检测电路：
a．检流电路；b．检压电路。
图5. 非隔离BUCK-BOOST级联型双向DC/DC电路
图6. 控制器电源调理电路。
图7. 微控制器MCU最小系统电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明所述的一种用于内燃发电增程式电动车的整车能量管理控制器主要包括以下几部分电路：增程器ICE负荷调整电路11，增程器ISG整流与逆变电路10，蓄电池SOC、整车驱动需求功率检测电路6，非隔离BUCK-BOOST级联型双向DC/DC电路8，控制器电源调整电路7和微控制器MCU最小系统9。微控制器MCU利用自身IO口，通过ICE负荷调整电路检测和控制内燃机ICE 1，通过ISG整流与逆变电路检测和控制起动发电一体机ISG 2工作；通过蓄电池SOC、驱动需求功率检测电路读取当前蓄电池3充放电状态、驱动电机5及其控制器4放电状态；通过双向DC/DC电路调整增程器和蓄电池两端电压比，优化增程器内燃机运行工况；控制器电源调整电路信号为控制器中各模块提供所需工作电源。
如图2所示，增程器ICE负荷调整电路11将MCU信号通过ULN2003芯片以双四拍模式驱动步进电机，带动并调节内燃机节气门开度，是增程器内燃机ICE负荷调节的执行机构。
如图3所示，增程器ISG整流与逆变电路10实时检测ISG电机的3路霍尔相位信号并传递给MCU增强型定时器输入捕捉口，同时将MCU计算输出PWM控制信号通过IR2130芯片驱动3个由高低边MOS管组成的半桥，每个半桥输出对应ISG电机某一相，完成增程器起动时候直流电源的逆变过程。利用3个半桥上与高低边MOS管并联的整流二极管组成桥式整流电路对增程模式下ISG电机输出交流电进行全波整流。
如图4所示，蓄电池SOC、整车驱动需求功率检测电路6包括检流电路和检压电路。图4a中检流电路采用两个取样电阻分别检测蓄电池充放电电流和驱动电机控制器放电电流，取样电阻两端电压通过由双运放芯片LM258建立得两路反向运算放大电路放大合理倍数后输入MCU的AD口。图4b中检压电路检测蓄电池端电压和驱动电机控制器输入电压，输入MCU的AD口。蓄电池SOC、整车驱动需求功率检测电路主要是为MCU 提供计算蓄电池SOC值所需蓄电池开路电压和放电电流信号，以及计算整车驱动需求功率所需驱动电机控制器输入电压和电流信号。
如图5所示，非隔离BUCK-BOOST级联型双向DC/DC电路8，由MCU输出4路信号通过2个功率器件高/低边驱动芯片IR2101组成两组半桥驱动，分别控制4个MOS管Q7、Q8、Q9、Q10的开关状态，实现双向DC/DC变换功能。具体工作过程为：当增程器起动时，来自车载蓄电池3的VBATT电源作为双向DC/DC输入，此时Q7常通，Q8和Q9常断，Q10处于PWM开关状态，双向DC/DC电路8正向（车载蓄电池3电压VBATT到增程器ISG2输入电压VISG）BOOST升压，升压比由Q10栅极PWM占空比决定从而实现增程器快速和高转速起动；当增程器处于发电状态时，增程器ISG2整流后输出VISG作为双向DC/DC输入，此时Q9常通，Q10和Q7常断，Q8处于PWM开关状态，双向DC/DC电路8反向（增程器ISG2整流输出电压VISG到车载蓄电池3电压VBATT）BOOST升压，升压比由Q8栅极PWM占空比决定，从而在特定的整车驱动和蓄电池充电需求功率下，维持增程器内燃机较低的转速和较高的负荷率，从而改善其燃油经济性和排放。
如图6所示，控制器电源调整电路7并联在车载蓄电池上，通过WD648D12直流转换模块将车载蓄电池3电压VBATT转换成±12V输出电压。WD648D12模块输出的±12V电压，再通过由78L05和79L05三端稳压块组成的三端稳压电路输出±5V输出电压。控制器电源调整电路的功能是调理车载蓄电池电压及增程器输出电压为控制器内部各类器件提供合理的工作电压。
如图7所示，微控制器MCU最小系统9搭建了控制器MCU正常工作所需的基本电路，其中MCU各个模块电源引脚及AD转换参考电压VDDX1，VDDX2，VDDA1，VDDR，VRH接入+5V电源；VSS1，VSS2，VRL，VSSX1等接电源地；每路输入+5V电源均采用电感滤波，添加去耦电容；采用外部晶振电路；配备背景调试BDM接口以及带保护的复位电路。
Claims (1)
1.一种用于内燃发电增程式电动车的整车能量管理控制器，包括增程器内燃机ICE负荷调整电路，增程器起动发电一体机ISG整流与逆变电路，蓄电池SOC、整车驱动需求功率检测电路，双向DC/DC电路，控制器电源调整电路以及微控制器MCU最小系统，其特征在于：微控制器MCU利用自身功能端口，通过ICE负荷调整电路检测和控制内燃机ICE，通过ISG整流与逆变电路检测和控制起动发电一体机ISG工作；通过蓄电池SOC、驱动需求功率检测电路读取当前蓄电池充放电状态、驱动电机及其控制器放电状态；通过双向DC/DC电路调整增程器和蓄电池两端电压比，优化增程器内燃机运行工况；控制器电源调整电路为控制器中各模块提供所需工作电源；
所述的ICE负荷调整电路由微控制器MCU通过晶体管阵列芯片ULN2003以双四拍模式控制步进电机转动，进而改变与其机械相连的ICE节气门开度，所采用的内燃机为小型化油器式、电控节气门汽油机，通过调整节气门开度即可改变内燃机负荷；
所述的ISG整流和逆变电路主要用于实现增程器启动时ISG电机电源直流电压的逆变以及增程器起动后ISG电机输出电压的三相整流；三相六个高低边MOS管组成全桥逆变电路，微控制器MCU通过IR2130驱动芯片控制逆变电路工作；利用逆变电路MOS管并联的整流二极管组成ISG输出三相整流电路；
所述的蓄电池SOC、驱动需求功率检测电路包括检压和检流电路，用于检测蓄电池充放电状态、驱动电机及控制器放电状态，方便微控制器MCU计算蓄电池剩余电量及整车需求功率；检压电路通过分压法搭建；检流电路以取样电阻为传感器，利用LM258运放芯片搭建信号放大电路输入微控制器MCU；
所述的双向DC/DC电路属于非隔离BUCK-BOOST级联型双向DC/DC电路，微控制器MCU通过2块IR2101搭建BUCK-BOOST两个半桥驱动；双向DC/DC电路将蓄电池与ISG电机电源进行了分离，通过双向BOOST升压功能实现增程器的快速起动以及增程模式下的增程器内燃机运行工况调节；
所述的控制器电源调整电路由DC/DC电源和相应调稳压模块组成，主要用于为控制器中各个模块提供所需工作电源；蓄电池电源VBATT通过WD648D12电源DC/DC模块实现蓄电池电源到±12V转变，±12V电源再通过由78L05和79L05组成的三端稳压电路得到控制器所需的±5V；
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