對于混合電動汽車，在實際運行中，為了實現電動機與發動機之間的快速切換，要求系統有較短的響應時間；為了保證汽車運行的穩定性，要求系統具有精確的電流定位；同時，為了保證系統控制的可靠與準確，對系統采樣精度與控制速度的要求也較高。研究混合電動汽車的能量流控制策略，關鍵在于研究電池與電動機和發動機之間的關系。

在實際工作中，混合電動汽車工作環境復雜、各種干擾因素的影響較大，給研究其能量流狀態帶來了較大的困難。能否在實驗室對動力電池的工作性能進行模擬與仿真呢？這樣，不僅可以節省大量的人力物力，而且對于混合電動汽車的設計和總成有很好的參照作用。

本文將介紹的混合電動汽車能量流仿真系統就是針對上述要求而設計的，該系統可仿真混合電動汽車的實際工作環境，為研究混合電動汽車控制策略提供了一個靈活、簡便、高效的平臺。

系統特點

整個系統采用組合式平臺搭建，根據仿真工作的要求，按照工作電流的大小組合使用對應的仿真模塊來構成整個系統的能量控制部分。采用這種結構設計可以大大減小整個系統的體積與功耗。

系統中集成了CAN2.0B和RS-232C接口，可以與汽車內的各種控制儀表進行通信與數據交換，與汽車總控系統的標準通信接口兼容，能夠方便的移植到實際的混合電動汽車系統中。同時，可以直接與計算機通信，由計算機來控制系統的運行，便于實現監控與仿真。

系統結構

混合電動汽車能量流仿真系統主要由充電系統、放電系統和控制系統三個部分組成。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 仿真系統結構

在充電系統中，采用高效率的脈寬調制方式（PWM），同時采用反饋穩定控制系統，使得充電過程快速穩定。

在放電系統中，采用節能型的能量回饋方式，將電能返回電網或者仍然回到充電系統，達到節能降耗的目的。

在控制系統中，采用高速嵌入式微處理器，具有抗干擾能力強、響應速度快、控制方式靈活的特點。

1 充電系統

首先將電網電壓進行整流，經過脈沖寬度調制，再經過隔離變壓器變換，然后進行整流穩壓，即可得到所需的工作電壓。為了保證充電過程的快速穩定，將電壓、電流采樣值引入穩定控制系統，使得充電過程快速穩定。充電系統結構如圖2所示。

圖2 充電系統結構

2 放電系統

電池的放電系統采用能量回饋方式。首先將動力電池的電能進行變換，送入中間緩沖器，然后通過逆變方式將電能變換為三相交流，這部分能量既可以用于返回電網，又可以將它再次送入充電系統，實現電能的重復利用，同時可有效減少電流波動對電網的影響。放電系統結構如圖3所示。

圖3 放電系統結構

3 控制系統

本系統采用基于高速嵌入式微處理器的控制系統。高速處理器能夠保證快速完成動力電池的充放電任務，并且通過數字濾波算法使系統具有較好的抗干擾能力。高精度的A/D、D/A控制單元使得充放電過程動態穩定，滿足控制要求。轉換狀態用中斷方式通知CPU讀取轉換結果，保證系統的快速響應。監控計算機通過接口函數就可以控制系統的運行，并且可以采集實時參數進行數據的分析、處理與監控。控制系統結構如圖4所示。

圖4 控制系統結構

選用Microchip公司的PIC18F6720為主控制器，該MCU片內集成多通道的10位精度的采樣轉換器，可以方便的采集電池的電壓、充電電流、放電電流和電池溫度等多種信號；內置兩個串行通信接口，可以與上位機進行異步通信；SPI接口可以用來擴展內部總線；PWM輸出可以對回路電流進行調節等。控制系統電路如圖5所示。

圖5 控制系統電路

4 人機交互

通過LCD顯示器可以直觀的顯示系統的工作狀態和電池工作情況，具有良好的人機交互界面。在控制系統中設置了短路與過熱保護，故障報警指示，最大限度達到系統的安全可靠，保護系統與動力電池的安全。圖6為LCD顯示的示意圖。

（a）工作狀態

（b）測試狀態

圖6 LCD顯示示意圖

通信系統

系統內建了兩種通信總線：CAN2.0B和RS-232C。

1 CAN總線通信

CAN總線是專為解決現代汽車中各種控制器、執行機構、監測儀器和傳感器之間的數據通信而開發的總線式串行通信技術。但CAN只包括了物理層和數據鏈路層，在汽車工程師協會SAE推薦的標準SAE J1939進一步規范了汽車內部網絡的標準。

J1939采用CAN2.0B的擴展幀格式。進一步定義了CAN數據幀仲裁域中的標識位。29位ID的格式如表1所示。

一個協議數據單元（PDU）包括7個預定的域。它們是優先級、保留位、數據頁、PDU格式、PDU細節、源地址和數據域。CAN數據幀中的SOF、SRR、IDE和RTR部分控制域，CRC、ACK和EOF沒有包括在PDU。

數據域為0～8字節的數據。當需要使用9～1785字節來表達某個參數組時，數據通信將由多個CAN數據幀完成。

2 RS-232C通信

RS-232C用來與監控計算機進行數據與控制命令通信，根據監控計算機的控制指令來執行相應的動作，同時將系統的狀態參數傳遞到監控計算機系統。

監控計算機使用查詢方式與仿真系統通信。數據格式分為數據頭、數據體及校驗碼三部分。數據頭用于判斷該條信息的類別，以便接收到數據信息后做出對應的處理；數據體存放真正要傳輸的數據信息；校驗碼采用奇偶檢驗碼來對整條數據進行校驗。在系統中統一采用“@”作為傳輸數據的開始，“：”作為傳輸數據的結束，如表2所示。

對于命令信息只有信息頭和校驗碼，對于數據信息則還包括了數據體部分。在上下位機通信期間，數據發送方會在相同的時間間隔內重復發送相同的數據，直到收到對方的應答信息；若在一定時間間隔內仍未收到應答信息，則表示出現通信故障，數據發送失敗。接收方收到數據后，會根據數據頭、數據尾及校驗碼判斷數據是否完整、正確。若是則回復表示成功接收的應答信息，否則等待發送方繼續發送。

如果一條數據分成多次發送的時候，采用的是發送—應答模式，即每當收到應答信息后才發送下一條數據。

系統性能指標

混合電動汽車能量流仿真系統為研究混合電動汽車提供了一個硬件平臺，適用于鉛酸、鎳氫、鋰離子等大功率動力電池系統。系統實時顯示電池的充、放電狀態，發動機工作狀態、能量流動狀態等重要參數。

系統的性能參數如表3所示。

結論

本系統最大限度地降低了混合電動汽車的前期研發投入，較好的解決了通常軟件仿真中建模復雜、準確性低、難以實用的問題。根據仿真系統的工作狀態，可以驗證控制效果，來調整混合電動汽車的控制策略與控制參數，從而為混合動力汽車的設計、性能預測和分析提供了一種有效的手段。