[毕业论文]CFA6470HEV型混合电动汽车的结构设计.doc

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1、1电动汽车的构成湖南大学与长丰集团联合研制的CFA6470HEV越野型混合电动汽车以CFA6470G四轮驱动越野车为平台，采用并联驱动方式，去掉了分动箱，发动机仅驱动后桥，驱动电机以镍氢动力电池组为能源驱动前桥，前轮、后轮通过地面摩擦力达到速度一致。另外，启动电机用于静态启动发动机和轻载时吸收发动机的富余能量，驱动电机还用于对电池进行制动能量回收和下坡时的能量回收。CFA6470HEV型混合电动汽车在传统燃油车的基础上增加了驱动电机、启动电机、动力电池组，进而追加了驱动电机控制器、电池管理系统、能源总成控制系统、启动电机控制器等电子控制系统。 CFA6470HEV型混合电动汽车的整体结构图如1

2、.1所示。图1.1 电动汽车智能控制系统结构图 2基于模糊控制技术的电动汽车能源分配策略混合电动汽车开发的主要目的在于环保、节能，因而能源总成控制系统的主要目标是降低汽车油耗、减少尾气排放、使动力切换柔和，其软件设计包括能源分配、制动能量回收、司机命令解析等核心控制模块。图3.1列出了系统的核心控制框图，即系统根据电池电量、加速踏板行程或制动踏板行程来智能分配发动机、驱动电机或启动电机的出力。图3.1系统核心控制框图其中司机命令解析模块用于将司机的意图（加速踏板位置、制动踏板位置）转换成控制系统的扭矩需求；制动能量回收模块根据制动踏板行程、电池电量、车速决定充电电流的大小，即驱动电机的负扭矩需

3、求；能源分配模块根据加速踏板行程、电池电量，采用模糊控制算法分配发动机、驱动电机、启动电机的出力，驱动电机在重载、急加速时投入运行，启动电机在低负荷时增加负荷，给电池充电，避免发动机运行在低负荷区（效率低）。司机命令解析司机要求车辆加速、减速、匀速、刹车的意愿直接体现在加速踏板行程() 和制动踏板行程（）上，系统将加速踏板行程、制动踏板行程与整车扭矩需求 线性对应，通过扭矩控制来达到司机的要求。加速踏板行程、制动踏板行程同系统扭矩需求的对应关系如图3.2所示。其中180对应系统的最大正扭矩，92对应刹车时系统的最大负扭矩。图3.2 司机命令解析能源分配模糊控制策略混合电动汽车的能源分配是一个如

4、何分配发动机、驱动电机、启动电机的出力问题，即根据扭矩需求()、电池电量()决定发动机扭矩()、驱动电机扭矩()、启动电机扭矩()大小。实际上发动机扭矩、驱动电机扭矩、启动电机扭矩与扭矩需求、电池电量成非线性关系，为此，本项目采用模糊控制来进行能源分配，其模糊控制策略原理框图如图3.3所示。图3.3 能源分配模糊控制策略原理图下面详细讨论能源分配的模糊控制算法。1） 输入量模糊化将输入量扭矩需求()、电池电量()模糊化为两个模糊变量、，模糊变量包含模糊集，即=，其中、分别代表扭矩需求小、中、大；模糊变量包含模糊集，即=，其中、分别表示电池电量小、中、大。语言变量、的隶属函数根据实际情况可取线性

5、函数或非线性函数，下面取各模糊子集、的隶属函数的数学形式为： (3.1) (3.2) （3.3）各模糊子集、的隶属函数的数学形式取为： (3.4) (3.5) (3.6)的隶属函数曲线、的隶属函数曲线分别如图3.4 a)、3.4 b)所示。图3.4 输入量隶属函数图2） 规则推理根据混合电动汽车的实际情况和调试经验，总结出如下规则：3） 模糊推理与反模糊化根据系统扭矩需求（）和电池电量（）,按下列整定函数分配发动机扭矩()、驱动电机扭矩()、启动电机扭矩()。(3.7) (3.8) 4） 参数整定根据系统要求即现场调试结果，确定的取值，如表3.13.3所列。（单位：Nm）表3.1 的取值表+3

6、0+15-35 (3.9)4） 参数整定根据系统要求即现场调试结果，确定的取值，如表3.13.3待添加的隐藏文字内容2所列。（单位：Nm）表3.2 的取值表0000035表3.3 的取值表 -30-1500003混合动力汽车能量总成智能控制器的设计混合电动汽车能源总成控制器在混合电动汽车中起着核心作用，它从CAN总线上取得驱动电机、启动电机、电池的状态信息，同时通过模拟量输入、开关量输入获得整车的其它状态信息，并根据整车的当前状态进行下一步决策，确定运行模式、发动机节气门的位置、驱动电机的出力、启动电机的出力。能源总成控制器输入、输出量多,算法多，运算量大，具有CAN通信功能，故选用外围功能强

7、、运算速度快、配有CAN口和其它资源的DSP作为核心处理器。下面将详细介绍混合电动汽车能源总成控制系统的控制策略及硬件、软件设计，给出了硬件原理图和软件说明。（1）混合电动汽车能量总成控制器的硬件设计与通用处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些，而TI公司的TMS320系列DSP 的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列DSP处理器集实时处理能力和处理器外设功能于一身，是控制系统微处理器的合理选择。在合理考察整车的控制需求后得到基于CAN总线的混合电动汽车能源总成控制系统硬件需求如下：12路开关量输入、8路开关量输出、3路模拟量输入、3路模拟量输出、一个CAN口等。能源总成控制系统以T

8、MS320LF2407A为CPU，包括电源转换模块、时钟模块、JTAG接口、存储器扩展、CAN接口、A/D模块、D/A模块、I/O模块、PWM控制模块等。能源总成控制系统的硬件结构框图如图1.9所示：图1.9 整车总成控制器硬件结构框图（2）基于嵌入式操作系统的软件设计嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设设备和I/O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件OS（Operation System）和应用程序编程。应用程序控制着系统的运作和行为，而操作系统控制着程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础，

9、软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统已经应用到了包括制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等众多方面。它将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。在嵌入式系统中应用实时操作系统(Real Time Operation System, RTOS)是当前嵌入式应用的一大热点，它标志着单片机应用从低水平向高水平的一个进步。实时多任务操作系统(RTOS)是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前

10、在中国大多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写，没有采用商品化的RTOS，不能将系统软件和应用软件分开处理，这样的程序从很大程度上还存在着隐患。将RTOS纳入嵌入式开发，实际上引进了计算机科学数十年发展的优秀成果，使得我们开发的产品更可靠、更上档次、开发周期更短。嵌入式系统在本项目中的移植：本项目选择了源码开放的C/OS-移植到选用的TMS320LF2407A上，C/OS是Jean J. Labrosse 先生于1992 年发表的第一个免费的嵌入式实时内核。C/OS不是一个完整的实时操作系统，它只是一个实时内核。C/OS 不像其它实时操作系统一样，提供给用户的是一个标准的API 函数，程序开

11、发人员利用操作系统提供的API 函数进行应用程序的开发。要想在C/OS 内核上进行应用程序的开发，就需要程序开发人员在实时内核的基础上建立自己的实时操作系统。C/OS-是基于C/OS 的改进版本，有更强的移植性，在任务管理、内存管理上有更好的性能。C/OS-目前被广泛地应用到了各种平台上，并有很多的成功商用范例，是一个经实践证明了的优秀的实时操作系统内核。C/OS-有很多即使是商业内核也无法比拟的优点，它的源码注释清楚详尽、组织有序，有很强的可读性。C/OS-的大部分源码都是使用ANSI C 写的，有很强的移植性。它的内核功能丰富，具有可裁剪性，用户可根据自身需要来配置编译条件，将实时内核裁剪

12、到满足自己功能的最小状态。C/OS-是占先式的实时内核，总是运行处于就绪态的最高优先级的任务。C/OS-具有多任务性，可同时管理64 个任务，但每个任务的优先级必须不同。其中，优先级为0、1、2、3、OS_LOWEST_PRIO-3、OS_LOWEST_PRIO-2、OS_LOWEST_PRIO-1 和OS_LOWEST_PRIO 这八个任务是系统保留的优先级。所以，用户可以自行建立多达56个应用任务。每个任务的优先级不同，优先级号越小，任务的优先级越高。每个任务可以有自己的栈空间，并且可以大小不同，这样就降低了应用程序对RAM 的空间要求。所有C/OS-的函数调用与服务的执行时间具有可确定性

13、。也就是说，全部C/OS-的函数调用和服务的执行时间是可知的，不依赖于应用程序任务的多少。如图1.12所示为C/OS-硬件和软件体系结构图。图1.12 C/OS-硬件和软件体系结构图图1.12说明了C/OS-的结构以及它与硬件的关系。最上面一层是基于C/OS-的应用层程序，主要是用户实现需求功能所编写的程序，也就是具体的各个任务程序。每个任务都可以认为自己独占CPU，所以通常任务程序都设计成无限循环。用户通过修改C/OS-与应用相关的代码可以对C/OS-的核按照自己的需要进行裁剪。C/OS-与处理器相关的代码提供了C/OS-的系统服务，用户可以通过调用这些代码中定义的API 函数来进行诸如创建

14、任务、删除任务、任务间的通信和内存管理等操作。而与处理器相关的代码主要是涉及到系统时钟、中断处理、堆栈处理等与CPU 关联较多的动作。移植要完成的也就是这部分代码的编写。就硬件而言，主要是CPU。要使C/OS-正常运行，处理器必须满足以下要求：处理器的C 编译器能产生可重入代码；用C 语言就可以打开和关闭中断；处理器支持中断，并且能产生定时中断(通常在10 至100Hz 之间)；处理器支持能够容纳一定量数据(可能是几千字节)的硬件堆栈；处理器有将堆栈指针和其它CPU寄存器读出和存储到堆栈或内存中的指令。我们使用的是TI 公司的DSP 芯片TMS320LF2407A，并且外扩了64K 的程序存储

15、器和64K 的数据存储器，因此RAM空间充足。要实现C/OS-对TMS320LF2407A 的移植，必须要有TI 公司对该处理器的配套开发环境。我们采用了TI 公司的DSP 集成开发环境CCS（Code ComposerStudio）和北京瑞泰公司的ICETEK5100 仿真器。 CCS 是TI 公司专门针对其DSP芯片开发的一套集成开发环境，它功能优越，支持硬件仿真和软件仿真。自身带有性能优越的C、ASM 编译器，并可以选择配置不同级别的编译方式，而且CCS自带的C 编译器允许内嵌行汇编语句，给编程带来了更多的方便。CCS 具有完善的调试功能，有CPU 监视窗口、变量监视窗口、存储单元监视窗

16、口等。并且，CCS具有很多超强功能，能为编写调试代码提供最大的方便。而ICETEK-5100 仿真器是目标板和PC 机之间的通道。它通过JTAG 口对目标板上CPU 的资源进行扫描，然后传给PC 机，CCS 通过分析仿真器上传的数据，对应显示给用户。同时，仿真器也肩负着将用户通过CCS下达的命令传给目标板上的CPU 芯片。在图1.12我们明确了C/OS-的体系结构，也分析了要进行完整的操作系统的移植所要修改和编写的文件。首先，我们需要修改的是与应用有关的配置文件，也就是OS_CFG.H 和INCLUDES.H 文件。INCLUDES.H 文件是一个头文件，它在项目中所有的.C 文件中都包括。用

17、户无需去考虑到底每个.C 文件中要包含哪些头文件。虽然这样增加了编译链接时间，但也增加了可移植性。我们在CCS 中配置自己的工程时，首先在自己建立的MAIN.C 文件中加入INCLUDES.H 文件。编译后，可以在项目管理窗口发现C/OS-的系统文件都被包括到了Include 一栏下。 修改INCLUDES.H 文件，将与TMS320LF2407A 对应的文件LF2407REGS.H 、OS_CPU_2407A.ASM 、OS_CPU_2407A.C 加入。#include OS_CFG.H#include OS_CPU.H#include ucos_ii.h#include LF2407RE

18、GS.H#include OS_CPU_2407A.ASM#include OS_CPU_2407A.C在OS_CFG.H 文件中，可以对C/OS-的内核进行裁剪。在进行移植之初，将内核裁剪到最小，将暂不需要的功能模块去掉。这样，方便在调试时，直接定位错误。等初步移植完成之后，再逐步将其他的功能模块加入，并进行验证。基于C/OS-的任务程序：完成了C/OS-在TMS320LF2407A 上的移植后，就可以基于C/OS-开始编程了。与通常的单片机编程思想不同的是，基于操作系统的编程主要是应有基于多线程编程思想，要有多任务并行处理的思想。其实，一个任务也称作一个线程，每个任务都处在五种状态中：休眠

19、态、就绪态、运行态、挂起态和被中断态。休眠态相当于该任务驻留在内存中，但并不被多任务内核所调度。就绪意味着该任务已经准备好，可以运行了，但由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低，还暂时不能运行。运行态的任务是指该任务掌握了CPU 的控制权，正在运行中。挂起状态也可以叫做等待事件态WAITING，指该任务在等待，等待某一事件的发生，（例如等待某外设的I/O 操作，等待某共享资源由暂不能使用变成能使用状态，等待定时脉冲的到来或等待超时信号的到来以结束目前的等待，等等）。最后，发生中断时，CPU 提供相应的中断服务，原来正在运行的任务暂不能运行，就进入了被中断状态。这些状态之间的关系可以如图1

20、.13 所示。图1.13 任务程序的状态针对能量总成控制系统的功能进行任务划分，主要分为：信号采集Sampler()、CAN 通信CANComm()、SCI 通信SCIComm()、错误保护ErrProtect()、主控部分MainCtrl()、前进控制Forward()、倒车控制Back()、制动能量回收控制EnergeRec()和打滑处理Skid()等几个任务。这些任务按优先级从高到低排列分别是ErrProtect()、Sampler()、CANComm()、SCIComm()、MainCtrl()、Skid()、EnergeRec()、Forward()和Back()。任务优先级的确定也

21、很有技巧，对系统最后的性能有很大的影响。通用的原则是工作频率越高的任务，优先级越高。错误处理等与安全性有关的任务优先级应最高。下面对混合电动汽车中的前进任务和能量回馈任务作简单介绍。1）前进控制Forward()的功能是处理车辆前进过程中的各个动作。主要是根据车辆当前状态和司机的命令需求来进行动力的分配。如果发动机没有启动的时候，先根据车辆状况主要是电池电量来确定当前的点火操作点。如果司机的命令需求超过了点火操作点，就点火发动机，并配合结合离合器。当发动机转速接变速箱输出轴转速时，完全结合离合器，以减小发动机的驱动加入给车辆带来的冲击。如果发动机已经启动了，判断熄火点是否满足，如果满足则熄火发

22、动机。另外，在发动机为主驱动车辆的时候，也适当的给电池充电，以维持车辆上电池电量的平衡。前进控制任务是整车能量总成控制中最为关键和核心的部分。它的性能好坏和控制方法很大程度上决定了车辆的最终性能。其主要功能和程序流程图如图1.14 所示。2）能量回收控制任务EnergeRec()的功能是在司机刹车过程中，通过给电机发送负扭矩控制信号，让电机工作在发电状态，来实现制动能量回收。混合电动汽车的宗旨是实现能量的最优化。因此制动能量最大程度的回收对减少车辆的油耗有着重要的作用。在能量回收处理过程中，先分析当前车辆的车速、司机制动踏板的位置和当前电池电量SOC，然后通过查表来获得当前电机应出力的值，最后

23、通过邮箱将该值传递给CANComm()任务，实现对电机的最终控制。其程序流程图如图1.15 所示。图1.14Forward()程序流程图图1.15EnergeRec()的程序流程图4实验结果采用模糊控制技术的能源分配策略的电动汽车控制器应用于长丰集团CFA6470HEV型混合电动汽车，与相同型号的传统车型进行包括0100km/h加速性能测试、20100km/h直接档加速性能测试、最高车速测试、城市工况油耗测试、排放测试等一系列测试。与传统燃油车相比较,最高车速提高了10km/h（达到150公里/小时），加速性能大大增强，油耗下降了17.5（每百公里油耗为10.7L）,同时排放下降60%，0100km/h加速时间较传统车型提高4秒。加速性能、驱动性能、油耗、排放均优于传统燃油车,且达到了国家越野型混合电动汽车的标准，具有极强的市场竞争力。