CN201012633Y - 一种辅助混合动力汽车apu控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种辅助混合动力汽车的APU控制器，属于电动汽车的能量控制技术领域。包括有发动机发电机组、蓄电池、ECU控制器、DSP处理器，发电机的电压电流、电动机的电压电流、蓄电池的电压电流通过各自的传感器及检测模块电路后送入DSP处理器。所述的发电机为永磁发电机。将ECU控制器采用的发动机转速信号以并联的方式引出，并通过处理后输入DSP微处理器，ECU控制器的两个输入端通过模拟脚踏板、隔离模块电路与DSP处理器的SPI口连接，DSP控制器根据蓄电池的电压电流值及发电机的转速信号输出控制信号给ECU控制器的两个输入端。本实用新型采用永磁发电机，使得发电机体积和重量减小，同时也简化了控制系统。

Description

一种辅助混合动力汽车APU控制器

技术领域

本实用新型涉及一种辅助混合动力汽车的APU控制器，属于电动汽车的能量控制技术领域。

背景技术

日前，电动汽车发展迅速，世界各国都投入巨资开发研制电动汽车。纯电动汽车受到电池寿命、放电时间短的制约，续驶里程短，因此，混合动力汽车更受到欢迎，得到迅速发展，大有取代内燃机车的趋势。特别是串联式辅助混合动力汽车以其结构简单、污染小的优点得到更大的发展，在城市公交以及场馆领域得到广泛应用。辅助功率控制单元(APU)控制器是串联式辅助混合动力汽车重要部分，主要包括发动机发电机组、蓄电池、驱动电机、控制单元，它能够合理的控制发动机发电机组、蓄电池、驱动电机之间的能量流动，达到更高效的能量利用，延长续驶里程，减少排放。现有的APU控制器结构如图1所示，多采用励磁可调的发电机，并在发动机上增加转速传感器来检测速度信号，通过对发动机油门踏板开度的控制，来调节发电机励磁电流和发动机转速，来完成APU控制器的辅助功能，由于采用了励磁可调的发电机，所以这种APU控制器发电机重量和体积增大，硬件电路和控制系统复杂；同时，由于闭环控制部分的反馈信号——发电机转速信号通过另外设置的转速传感器测得，所以影响了测得的转速信号的精度，从而影响了系统的控制精度。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有的APU控制器体积大、控制电路复杂的问题，提供了一种新型的APU控制器，该控制器采用了永磁发电机组，减小了APU控制器的体积，简化了其控制电路的结构。同时，将ECU采用的发电机速度信号以并联的方式引出，作为系统闭环控制的转速信号，提高了系统的控制精度。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本控制器主要包括有同轴连接的发动机发电机组、蓄电池5、ECU控制器4、DSP处理器6，发电机的电压电流、电动机的电压电流、蓄电池的电压电流均通过各自的传感器，把实际的电压电流信号转换成弱电信号，并通过检测模块处理后进入DSP微处理器。其特征在于：所述的发电机为永磁发电机；将ECU控制器采用的发动机转速信号以并联的方式引出，并通过速度处理电路处理后输入DSP微处理器。DSP处理器的SPI外扩展一个DA转换芯片，转换的模拟量通过IL300隔离后进入ECU控制器。DSP控制器根据蓄电池的电压电流值及发电机的转速信号输出控制信号给ECU控制器的两个输入端。

输入到DSP处理器中的发电机的转速信号以并联的方式从ECU控制器4引出。ECU控制器4中的发电机速度信号是两路相对公共地线为正弦的信号，并且具有相位差，幅值和频率可变。取其中的一路正弦信号和发动机公共地线作为转速采集信号，该信号通过输入保护电路输入电压比较器LM393，单电源供电，比较产生5V脉冲，经6N137隔离后转换成3V的脉冲信号再送入DSP的CAP单元。DS1，DS2，RS2组成输入保护电路，使输入限定在-0.7V-4.3V之间。比较电压有分压电阻RS1(51K)，RS3(10K)分压构成，经RS5(1K)送入比较器正相输入端，RS6(30K)为反馈电阻。比较器输出经RS4(1K)上拉电阻上拉后经过6N137可得。

DSP作为RS485总线的一个节点，作为从站把检测数据，即发电机的电压电流、电动机的电压电流和蓄电池的电压电流值实时发送给车载电脑并进行显示，也可以接收车载电脑发送的数据来改变设定值以及控制参数，改变控制效果。

DSP控制器根据蓄电池的电压电流值及发电机的转速信号输出控制信号给ECU控制器的两个输入端，并使两路信号的电压值保持2倍关系。本实用新型中取消了发动机油门踏板，而是通过DSP控制器输出的两路信号来模拟油门踏板发出的两路2倍关系的模拟量给ECU控制器4来控制发动机转速。发动机ECU本身具有自检测功能，当检测到踏板信号为零时，会认为是故障而出现即使模拟输出量改变发动机转速也不随之改变的失控状态，因此，在发动机ECU上电状态下，模拟踏板信号不能出现0电压状态。

本实用新型的工作过程：

当汽车处于静止状态时，驱动电机不工作，APU控制器通过发动机发电机组给蓄电池5充电。具体为启动发动机3，并通过发电机2的电压和电流传感器，再通过检测模块采集发电机的电压和电流，把他们的乘积作为反馈量，形成恒功率控制作外环、速度控制作内环的恒定功率充电，该部分是在DSP内实现的，如图3所示。

当电动汽车运行在场馆时，发动机处于关闭状态，完全由蓄电池提供能量，汽车运行在纯电动状态，实现零排放，无污染目标。当汽车运行在场馆外区间时，通过蓄电池电压传感器和检测电路采集蓄电池电压值，当蓄电池电压值低时启动发动机，再通过检测电路采集发电机的电压和电流，速度采集模块采集发电机的速度值，并通过发电机输出功率和发动机转速的双闭环控制，控制模拟量的输出。调整发动机转速，使发电机发出恒定功率，并且发出功率大于汽车正常运行驱动电机所需功率，从而能够达到既能给蓄电池充电又能延长续驶里程的目的。同时保证发动机在较小的功率范围内工作，从而获得最优的利用率，和最低的排放。当负载变化时，蓄电池充当“蓄水池”的作用，向外给驱动电机提供电流或吸收驱动电机反馈电流。同时，DSP控制器把驱动电机电压和电流、发电机电压和电流、蓄电池电压和电流以及速度值，还有其他重要计算参数通过485总线传送给上位机并显示。设定值和控制参数也可以通过485总线传送给DSP微处理器。

本实用新型采用永磁发电机，使得发电机体积和重量减小，即减小了车重便于安装，又有利简化控制系统。直接利用发动机ECU的速度信号，减少速度传感器安装且信号准确。通过车载电脑的上位机控制，可以在线改变设定值和控制参数，达到更好的控制效果。具有电路简单、可靠性强、智能化高、反应速度快的优点。

附图说明

图1现有的APU控制器的结构框图

图2本实用新型APU控制器的结构框图

图3本实用新型APU控制器控制框图

图4本实用新型的具体结构电路图

具体实施方式

下面结合图2～图4详细说明本实施例。

本实施例主要包括有同轴连接的发动机发电机组、蓄电池5、ECU控制器4、DSP处理器6，发电机的电压电流、电动机的电压电流、蓄电池的电压电流均通过各自的传感器，把实际的电压电流信号转换成弱电信号，并通过检测模块处理后进入DSP微处理器。发电机为永磁发电机。将ECU控制器采用的发动机转速信号以并联的方式引出，并通过处理电路及隔离电路后输入DSP微处理器，DSP处理器的SPI外扩展一个MAX5250(DA转换芯片)，转换的模拟量通过IL300隔离后进入ECU控制器，DSP控制器根据蓄电池的电压电流值及发电机的转速信号输出控制信号给ECU控制器的两个输入端。此外，还包括有JTAG仿真模块作仿真调试，电源模块给外接电源做滤波处理，并分成不同电压值给微控制器及其他芯片供电。

本实施例的模拟信号主要包括发电机端电压及电流、蓄电池电压及电流、电动机电压和电流。直接利用DSP2812的AD资源，不用外扩AD转换芯片。其中，电动机采用45KW交流异步电动机，发动机采用奇瑞(SQR372)，蓄电池采用铅酸免维护电池。

如图4所示，蓄电池电压信号，蓄电池电压为336V-378V(12-12.5单节，共28节)。传感器输出信号应为3.36V-3.78V。按照0～5V设计接口，将信号分压后为0～3V信号，通过分压20K，30K电阻，可以得到衰减后电压为原信号3/5，经一个跟随器，后面接一个滤波电路和限流电阻，接一个电容滤波后送入DSP的模拟量采集通道。

蓄电池电流信号，蓄电池处电流有两个流向，输出为正，流入为负。电机功率为45KW，可得供电电流为 $\frac{45\mathrm{KW}}{336V}=134A,$ 峰值电流可达200A以上，按照300A处理。充电及回馈时将产生负电流，按充电时电流计算电流。发电机功率为30KW，可得充电电流为 $\frac{30\mathrm{KW}}{300V}=100A,$ 按照150A处理。传感器输出信号应为：-1.5V～3V，将信号调理至0～3V范围内，在进入DSP的模拟量采集通道。

发电机电压信号，发动机在怠速时发电机发出电压为110V左右，最高可达400V以上。传感器输出信号为0，1.1～5V，按照0-5V设计接口，将信号分压后为0～3V信号，后经隔离滤波送入DSP。通过分压后可以得到衰减后电压为原信号3/5，经跟随器，后面接一个滤波电路和限流电阻，滤波后送入DSP的模拟量采集通道。

发电机电流信号，发电机功率为30KW，可得充电电流为 $\frac{30\mathrm{KW}}{300V}=100A,$ 按照150A处理。因此电流传感器输出信号应为0～1.5V。通过限流电阻接入放大电路，将信号放大两倍后，接滤波电路送入DSP的模拟量采集通道。

驱动电机端电压和电流做同样的信号处理。

DSP控制器单元不再另外使用速度传感器，而是将ECU采用的速度信号以并联的方式引出，经过处理电路处理后输入DSP处理器。传感器进入ECU的发电机速度信号两路相位差180度，幅值-15～+15范围可变，频率可变的正弦信号，随着发动机转速的升高幅值上升，并且频率提高。因此，对于DSP控制器来说这样的信号不能直接拿来进行速度测量，要经过转换。如图4所示：取其中的一路正弦信号和发动机公共地线作为转速采集信号，将该信号输入电压比较器LM393，单电源供电，比较产生5V脉冲，经6N137隔离后转换成3V的脉冲信号再送入DSP的CAP单元。DS1，DS2，RS2组成输入保护，使输入限定在-0.7V-4.3V之间。比较电压有分压电阻RS1(51K)，RS3(10K)分压构成，经RS5(1K)送入比较器正相输入端，RS6(30K)为反馈电阻。比较器输出经RS4(1K)上拉电阻上拉后经过6N137可得。

现有的APU控制器中，发动机的控制是通过脚踏板来控制发动机转速，脚踏板的不同的张度会发出不同值的模拟量信号来给发动机ECU，张度与模拟量输出是线性关系，当张度越大时，模拟量输出越大。本实用新型中，直接去掉脚踏板，也不对脚踏板的张度进行控制，而是通过DSP处理器模拟脚踏板直接输出两路模拟信号.具体为：采用DSP2812的串行外设接口(SPI)，外扩一个DA转换芯片MAX5250，来实现模拟量的输出。由于踏板发出的两路模拟，一路的输出范围是0.3V～2.45V，另一路的输出范围是从0.6V～4.9V，并且始终保持2倍关系。因此，DSP控制器也模拟发出两路2倍关系的模拟量输出来给发动机ECU。DSP控制器通过采集发电机电流电压值，并与给定值比较，形成外环的PI控制，内环以采集速度值为反馈量，用模糊控制算法实现内环控制，并输出模拟控制量给ECU。发动机ECU本身具有自检测功能，当检测到踏板信号为零时，会认为是故障而出现即使模拟输出量改变发动机转速也不随之改变的失控状态，因此，在发动机ECU上电状态下，模拟踏板信号不能出现0电压状态。模拟量输出在隔离电路之后，用一个二极管引入一个保护电压，以避免0电压状态的出现。

DSP控制单元作为485总线的一个节点与车载电脑进行通信，上位机用VC开发监控界面和通信程序。DSP通过串行通信接口(SCI)外扩MAX485芯片来实现与车载电脑通信，实时地把检测的电压、电流值传送给上位机进行显示监测，并且可以把计算的结果，包括模拟量的输出，转速的给定也进行显示和监测。同时，可以通过车载电脑把一些重要的设定值传送给APU控制器，并且可以调整PI的参数值，来达到更好的控制效果。APU控制器还能够做故障诊断，当出现线路电压过高、电流过大、发动机转速过高的情况下能够自动回到初始化状态，并发出故障信号上传给上位机，进行故障代码显示，以便于查找故障原因。

Claims (3)

1.一种辅助混合动力汽车APU控制器，主要包括有同轴连接的发动机发电机组、蓄电池(5)、ECU控制器(4)、DSP处理器(6)，发电机的电压电流、电动机的电压电流、蓄电池的电压电流均通过各自的传感器及检测模块电路处理后送入DSP处理器，其特征在于：所述的发电机为永磁发电机；将ECU控制器采用的发动机转速信号以并联的方式引出，并通过速度处理电路处理后输入DSP微处理器；DSP处理器的SPI外扩展一个DA转换芯片，转换的模拟量通过IL300隔离后输入ECU控制器。

2.根据权利要求1所述的一种辅助混合动力汽车APU控制器，其特征在于：取进入ECU控制器中的发动机转速信号中的一路正弦信号和发动机公共地线作为转速信号，通过输入保护电路送至比较器LM393的负相输入端，输入保护电路包括有DS1、DS2、RS2，使输入限定在0.7V～4.3V之间；比较器的比较电压由分压电阻RS1、RS3组成，经RS5送至比较器的正相输入端，使比较器产生5V的脉冲，比较器的输出经过上拉电阻RS4上拉后送至6N137隔离转换成3V的脉冲信号送至DSP处理器。

3.根据权利要求1所述的一种辅助混合动力汽车APU控制器，其特征在于：DSP处理器通过RS485通讯模块与车载电脑连接，将发电机的电压电流、电动机的电压电流和蓄电池的电压电流通过RS485模块传给车载电脑显示。

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