基于CAN總線的電動汽車能量回收系統(tǒng)研究

1 引言

現(xiàn)場總線技術(shù)(field bus)由于其造價(jià)低廉又能滿足工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的通信要求而成為一種新型的通信方式。其中can(controller area network)總線正是當(dāng)今流行的一種較為先進(jìn)的、性能出色的現(xiàn)場總線技術(shù)。電動汽車能量管理系統(tǒng)需檢測和交換大量數(shù)據(jù)，采用硬接信號線的方式難以解決問題，且繁瑣復(fù)雜、成本較高，采用can總線來實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信則是一種有效的方法。文中研究了一個(gè)can網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)-電動汽車能量回收模塊，并介紹了一種基于can總線的dc-dc控制器的設(shè)計(jì)。

2 can總線

can總線是德國bosch公司為汽車監(jiān)測、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，是一種全數(shù)字式現(xiàn)場控制設(shè)備互連總線，已成為一種國際標(biāo)準(zhǔn)(iso11898)。philips、intel、motorola等半導(dǎo)體廠商開發(fā)了支持can協(xié)議的集成器件，如82526、sja1000、68hc05x16等。由于can總線具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，支持差分收發(fā)，因而適合高噪聲環(huán)境，并具有較遠(yuǎn)的傳輸距離。因此，can總線對于許多領(lǐng)域的分布式測控系統(tǒng)很有吸引力，特別適合于基于單片機(jī)的小型分布式控制系統(tǒng)。目前已在工業(yè)自動化、機(jī)床、汽車等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

can具有卓越的性能和高可靠性，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。can總線具有以下突出特點(diǎn):

(1) 是一種多主總線，可以以多主方式工作，能使系統(tǒng)的各模塊實(shí)現(xiàn)多主通信，在多主方式工作下，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信方式靈活;

(2) can網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分為不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求;

(3) 非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁和錯(cuò)誤界定;

(4) 通信距離可達(dá)10km(速率5kb/s),速率可達(dá)1mb/s(距離可達(dá)40m以內(nèi))。

can協(xié)議的最大特點(diǎn)是打破了傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)地址編碼方式，而是對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，這種方法可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，可定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)類型，網(wǎng)絡(luò)容量巨大。同時(shí)，避免發(fā)生總線“沖突”。

3 基于can總線的電動汽車能量管理系統(tǒng)

can通信網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)燃油汽車中的應(yīng)用研究已見諸有關(guān)文獻(xiàn)。我們提出的基于can總線的電動汽車能量管理系統(tǒng)如圖1所示，其中每個(gè)模塊都成為系統(tǒng)的一個(gè)can節(jié)點(diǎn)，可以相互通信。它由主控制器、電池管理模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、能量回收模塊、車況監(jiān)控模塊組成。主要負(fù)責(zé)維持電動車所有的蓄電池組件工作處于最佳狀態(tài);對電機(jī)進(jìn)行監(jiān)測和控制;對剎車時(shí)的瞬時(shí)能量進(jìn)行回收;采集車輛的各子系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)行監(jiān)控和診斷;控制充電方式和提供剩余能量顯示等。

圖1 能量管理控制系統(tǒng)功能示意圖

4 基于can總線的dc-dc控制器的設(shè)計(jì)

4.1 能量回收模塊系統(tǒng)功能簡介

高水平的能量回收是電動汽車研究的一項(xiàng)重要課題。再生制動是將車輛的動能依靠電機(jī)的發(fā)電機(jī)儲存在電動汽車的儲能裝置中重新加以回收利用。我們提出了一種利用超級電容實(shí)現(xiàn)再生制動能量回收的方法。電動汽車目前由于蓄電池原因，一次充電續(xù)駛里程和運(yùn)動特性還難以與燃油汽車相比。常多采用向蓄電池充電來吸收再生制動回饋的能量，其缺點(diǎn)是蓄電池難于實(shí)現(xiàn)短時(shí)間大功率充電且充放電循環(huán)次數(shù)有限，成本高。而超級電容具有比功率高、比重量大、一次儲能多等優(yōu)特點(diǎn)，能大大提高電動汽車的一次續(xù)駛里程數(shù)并能在汽車啟動、加速和爬坡時(shí)有效改善電動汽車的運(yùn)動特性。另外，使用超級電容后，動力電池的使用壽命亦可有較大延長，甚至可延長1.5倍。

在再生制動實(shí)驗(yàn)中采用了國內(nèi)生產(chǎn)的一臺永磁無刷直流電機(jī)(18kw/288v)和兩只超級電容(350v/0.7f/400a，400v /0.58f/400a)，設(shè)計(jì)了一種能進(jìn)行雙向升、降壓變換的小功率斬波器(dc/dc變換器)。 dc/dc變換器是超級電容和電機(jī)之間的一個(gè)周期性通斷的開關(guān)控制裝置，它的作用是通過其主回路的4個(gè)igbt管的開關(guān)占空比的改變來控制超級電容的充電或放電并提供給負(fù)載或超級電容要求的額定電壓。電動汽車在起動、加速和恒速運(yùn)行時(shí)，超級電容放電,供給電機(jī)電能,電機(jī)處在電動狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的變換，驅(qū)動車輛前進(jìn)。當(dāng)電動汽車減速時(shí)，要求直流電機(jī)處在發(fā)電制動狀態(tài)，即處于再生制動狀態(tài)，給作為電源的儲能裝置超級電容充電，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

4.2 dc-dc控制器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述控制要求,設(shè)計(jì)的dc-dc變換器的控制器硬件原理圖如圖2。

圖2 dc-dc控制器硬件原理圖

主要功能模塊有:

(1) 測量和控制模塊

cpu采用80c196kc單片機(jī)。電壓、電流信號經(jīng)傳感器、信號調(diào)理電路整定至適合單片機(jī)a/d轉(zhuǎn)換器采集的信號。主要是對電動汽車的油門踏板、剎車踏板，主回路電壓、電流及超級電容的電壓、電流等信號進(jìn)行測量及故障監(jiān)測。

(2) 存儲信息模塊

擴(kuò)展eprom32k×8位的紫外線擦除電可編程的只讀存儲器27256。

(3) 信號輸出模塊

本系統(tǒng)要求輸出四路pwm波形，控制主回路雙向升、降壓變換的六種控制模式。采用可編程邏輯器件gal16v8與80c196kc的pwm口直接連接，實(shí)現(xiàn)四路pwm輸出，分時(shí)控制主回路的四個(gè)igbt管的開關(guān)占空比，進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。

(4) 通信接口模塊

控制器擴(kuò)展的通信接口是can總線接口，can總線接口擴(kuò)展采用can通信控制器sja1000+高速光耦6n137+can總線收發(fā)器 82c250電路，并可通過max232芯片與主計(jì)算機(jī)的rs232c串行口連接，實(shí)現(xiàn)主計(jì)算機(jī)與控制器的雙向通信，其電路原理圖如圖3所示。

圖3 can總線接口電路原理圖

4.3 dc-dc控制器軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的功能是對電動汽車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。若汽車加速踏板踩下，則超級電容工作在放電方式，調(diào)電動升、降壓子程序;若汽車剎車踏板踩下，則超級電容工作在充電方式，調(diào)制動升、降壓子程序。