汽车电子混合电力电控系统设计

摘 要： 针对汽车电子混合电控系统，在结合CAN总线技术的基础上提出设计混合电力系统的思想。依据可靠性原则，利用分布函数量化电路系统，通过连接器、接触器和继电器等重要部件组成混合电控系统高压电路。利用一点接地的屏蔽方法进行线路间耦合抗干扰处理，实现对低压电路的设计。采用一条多个单元同时连接CAN总线的串行通信线路，在发送器输出数据后确保接收器能够在相位缓冲段接收到输入位值，再对缓冲长度进行控制，确保电路通信的同步性，以此实现对汽车电子混合电力电控系统的设计。实验结果表明，结合CAN总线技术的汽车电路电控系统可以实现稳定控制。

关键词： 汽车电路； 混合电控系统； CAN总线通信； 系统设计

中图分类号： TN99⁃34； U178 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2017）23⁃0179⁃03

Abstract： The design thought of the hybrid power system is proposed on the basis of hybrid electronic control system and CAN bus technology. Based on the principle of reliability， the distribution function is used to quantify the circuit system. The high⁃voltage circuit of the hybrid electric control system is composed of connector， contactor， relay and other components. The shielding method of one⁃point grounding is used to resist the coupling interference among the circuit lines to realize the design of the low⁃voltage circuit. The serial communication circuit is adopted to ensure that the receiver can receive the input bite value at the phase buffer section after the data is sent by the transmitter， in which the multiple units are connected to the CAN bus simultaneously. The buffer length is controlled to guarantee the synchronism of circuit communication， and realize the design of the hybrid power control system of the automobile electronics. The experimental results show that the automotive circuit electronic control system based on CAN bus technology can realize the stability control.

Keywords： automotive circuit； hybrid electronic control system； CAN bus communication； system design

0 引 言

文獻[1]提到汽车是现代社会大工业化的结晶，对人类文明发展而言，其在生产、技术、规模、经济效益等各个方面现实意义重大。汽车产业链发展的同时，人类也面临着能源枯竭、环境污染、全球温室效应等问题的严峻考验，这些难题需要得到快速解决[2⁃3]。如今，市场上出现了许多小型电动汽车与混合动力汽车，其低排放甚至零排放的优势已经成为突破难题的有效方法，被广泛关注。

文献[4]中提出由导线连接的固定件和保护件等组成汽车电路，汽车电力与通信信号通过汽车电路进行传输。类似继电器电路、开关电路这样的简单电气连接通常选用传统点对点布线方式。如今具有高性能的汽车越来越多，对其电路系统各方面的功能要求也越来越高，电路系统进行复杂的顺序控制时，传统电路局限性愈发明显[5⁃6]。

文献[7]指出相较于传统汽车，混合动力汽车的特点是具有较大体积的电池组和强大的电动机，所以车载电路需要符合高电压、大电流的要求，在一些特定的情况下，如汽车的制动能量被二次利用时，汽车的电动机会快速转变成发电机的角色，该过程中电流瞬间换向会对回路形成巨大冲击，因此，电路设计时必须对高压电路各组件的可靠性进行充分考量，然后重新进行分析和布置。

本文提出针对汽车电路系统优化设计混合电力电控系统。首先，根据可靠性原则，依靠分布函数对电路系统的可靠度完成量化，通过连接器及继电器等重要部件组成该混合电控系统高压电路，各子系统主要由车身控制器、发动机ECU及电机控制器等主要构件构成，然后通过一点接地的屏蔽方法实现线路间的耦合干扰控制，完成对低压电路的设计；其次，利用CAN总线技术实现电路信号的传输，为使各节点位具备相同的速率，令一条多个单元同时连接CAN总线进行串行通信线路，在发送器输出数据后确保接收器可以在相位缓冲段收到输入位值，通过控制缓冲长度保证电路通信的同步性，最终实现对汽车电子混合电力电控系统的设计。

1 汽车电子混合电力电控系统设计方案

1.1 混合电力电控系统电路设计

混合电力汽车在燃油经济性以及能量利用率方面优势突出，通过在动力系统中增添大功率驱动机，实现其供电的动力电池组的混合型汽车功能。驱动方式可分为三种，分别为串联、并联以及混联方式。

整车动力输出单元主要由发动机和电机组成，动力通过变速箱传递到车轮。本文为了满足电路需求，方案分别设计了高压电路及低压电路，通过高耐力的高压导线连接驱动电机与动力电池组，具有高压导线的电路称为高压电路[8]；30 V电压以下的工作电路称为低压电路，汽车控制电路、各控制器的电源线路、信号线路等构成了低压电路。具体混合电力电路设计图如图1所示。

根据汽车电路系统设计原理，假设随机变量[X]为系统的元件，[Ft]是关于[X]的分布函数，[ft]是关于[X]的密度函数。分布函数[Ft=P]（[P]为常量）。若[t]保持不变，[Ft]增大，寿命低于[t]的概率越大，则寿命高于[t]的概率就会越小。因此[Ft]越大，系统元件的使用期限就会越少，显而易见，[Ft]是不信任函数。则[Rt=1-Ft]为可信任函数。元件可靠度[Rt]是最基础的可靠性量化表示。

蓄电池是汽车电路系统的电源，当汽车处于混合动力运行下，汽车系统管理器进行监控，电能就会从电池正极流出进入蓄电池组，直流电通过电机控制器逆变成三相交流电再进入电机。为实现能量有效回馈，对高压电路的各部分进行设计及分析，具体高压线路设计如图2所示。

设计高压电路连接器（插接器）：约束分段之间的连接利用线束布置较方便，目前被广泛采用的是插接式连接器，即插接器。为了解决“热点”问题，通过与自锁的接头结合，使接触面积逐渐变大，其压降就会降低，当大电流流过端子时，发散的热量就会减小，从而有效减少出现“热点”现象的概率。

设计高压电路接触器：作为继电器⁃接触器控制系统中最重要的元件之一，接触器通过外部输入命令控制电路的连通和断开，开关的连通与闭合通过地磁力的作用得以实现。因为汽车混合电路接触器控制的电路电流较大，容易产生拉弧现象，因此需采用灭弧装置，安装自感应抑制器线圈接触器可有效抑制线圈自感应电动势，使信号干扰最小化。

设计高压电路继电器：继电器也可以称其为小型接触器，为满足功率，充分实现低压控制与高压输出之间桥梁的作用，因此，本文通过结合晶闸管与继电器实现控制电流经过时的电压。

整车控制器是实现汽车控制策略的重点，动力蓄电池组为动力蓄电池的一种，主要功能是为电机提供电量，并且成为整个动力电路的电源。依据驾驶员的操作即各子系统当前状态，整车控制器判定各子系统的运行模式，然后相应地对其进行能量分配和协调控制。若要低压电路系统不受到信号干扰，则该电路系统应做如下设计。

搭铁线的传导抗干扰设计：在汽车电路中搭铁线的作用非常重要，汽车电路利用单线制对整个系统中所有的电路进行搭铁以形成回路。通过搭铁线设计形成良好回路，也保证了与车架的良好连接。

1.2 基于CAN总线的混合电控系统设计

在汽车系统中，CAN总线技术应用较广泛且优势明显，该技术的应用可有效减少系统内各零部件电线的连接，减少回路量。采用CAN技术的目标为运用任意两个CAN都可达到系统的兼容，其通信协议主要表达信息的传递方式。同时，CAN具备有限选择权及仲裁权，一定数量的单片机可在CAN控制器上实现连接，并形成局域网。

CAN的连接和传送方式设计：CAN代表中心系統的局域网，通过一连多的方法，完成连接总线的任务。在理论上，连接线的数量是没有限制的；实际上通信信号延迟时间和总线电气负载对单元数量产生了较大的影响。通过总线上的“线与”进行操作处理，运用逻辑“0”代表可见电量；运用逻辑“1”代表不可见电量。CAN总线连接过程中，各线路节点的位速率是一致的，发送器在未完成同步时，其数据要进行改变；接收器接收位值时恰好处于相位缓冲段。相位缓冲段的长度可任意设置，以保证稳定运行。由于各节点存在差异，CAN总线利用时钟同步技术确保通信同步性。

CAN总线漏洞检测分析：CAN为了达到抗干扰和数据稳定的目的，利用各种漏洞检测措施，例如数据分析、删减错误、排除错误等手段，当系统发现某种错误时，接收站都会将“错误”以一种信号的方式传送到终点站。

综上所述，汽车混合电路电控系统通过运用可靠性设计原则，对电路系统分别进行高压电路及低压电路设计，并采用CAN总线技术与电路系统实现耦合，有效地完成汽车混合电控系统的设计。

2 仿真实验及结果分析

汽车电路系统是整个汽车系统的重要组成部分，为了更好地保证汽车的稳定运行，电路系统须适应环境变化并且可以长期有效、安全地工作。因此，本文提出根据可靠性原则对混合电力电控系统进行设计，通过运用电子电路仿真环境进行实验，验证本文设计方案的可靠性。

实验1：本文依据可靠性原则提出对汽车电控系统进行设计，仿真实验选取一个静态模型，对汽车混合电控系统电路进行仿真实验。运用静态模型进行电路输出电压实验，与本文可靠性原则电路设计方案的电路输出电压进行结果比较，具体如图3，图4所示。

通过运用本文的可靠性原则对汽车混合电力电控系统进行设计，获取电路电压输出曲线图如图3所示。从图3中可观察出在汽车启动初期电压值输出较大，随着系统逐渐稳定后，电路电压输出趋于平缓。图4则是利用静态模型模拟电路获取的电压输出曲线图，由图4能够看出电路输出的模拟结果与本文可靠性原则设计方案的电压输出结果基本一致，且曲线方向及起伏状态也吻合，表明本文设计方案与仿真实验结果一致。

根据实验环境设定，现对本文可靠性设计方案及静态模型实验法进行电压输出仿真实验，对混合电控系统进行60次实验，以每10次实验结果为一组进行统计，获取电压输出值，观察并比较输出结果。具体如表1所示。

表1数据显示，运用本文设计方案对汽车混合电力电控系统电路输出电压进行统计，与静态模型实验电路输出电压统计结果进行比较后，可看出输出电压值结果误差非常小，表明本文设计方案与实验结果一致，该设计方案为有效可行的设计方法。

实验2：由于汽车电力系统是一个复杂不稳定的电路系统，因此，本文利用CAN总线技术对电路系统中出现的通信故障进行检测，与汽车局域网检测技术的检测结果进行比较，验证两种方法检测汽车电路通信故障的准确性。实验预先提供5组数据，5组数据中2组数据为故障数据（故障为N，无故障为Y），利用两种方法对以上数据进行故障检测，具体检测结果如表2所示。

通过数据对比可看出，利用本文CAN总线技术对电路通信故障数据进行检测，其检测通信故障数据的正确率为100%，表明汽车混合电控系统一旦出现故障，利用本文CAN总线技术即可立即检查出来；而利用汽车局域网检测技术的正确率未能达到100%，因此，利用该技术会影响整个汽车的安全性能。

3 结 论

随着经济的飞速发展，汽车成为人们不可缺少的交通工具，在整个汽车系统内电力电控系统成为汽车电路的重要构成部分，于是本文以汽车电子混合电控系统为研究对象，对其进行优化设计以确保汽车系统的稳定运行。首先，根据可靠性原则采用分布函数对汽车电路系统进行量化处理，并对电路实现高、低压电路设计，且同时对易受干扰的低压电路进行抗干扰设计；其次，采用CAN总线技术对汽车混合电控系统中的电路通信故障进行实时检测，从而实现汽车电子混合电力电控系统的优化设计。

参考文献

[1] 郭彬.基于空燃比的汽车燃油消耗快速检测方法[J].武汉大学学报（工学版），2016，49（2）：290⁃296.

[2] 唐葆君，刘江鹏.中国新能源汽车产业发展展望[J].北京理工大学学报（社会科学版），2015，17（2）：1⁃6.

[3] 梅杰，高赐威.交通特性在电动汽车并网研究中的考虑[J].电网技术，2015，39（12）：3549⁃3555.

[4] 刘文超，陈国迎，宗长富，等.分布式电动汽车四轮轮毂电机驱动系统开发[J].科学技术与工程，2016，16（8）：99⁃106.

[5] 周成敏.汽车电路的电压降要求及其控制方法[J].时代农机，2016，43（1）：34⁃35.

[6] 周美丽，白宗文.双轴加速度计的汽车侧翻预警电路设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2015，15（8）：63⁃65.

[7] 钱立军，邱利宏，辛付龙，等.插电式四驱混合动力汽车能量管理控制策略及其優化[J].农业工程学报，2015，31（13）：68⁃76.

[8] 吴近仓.基于CAN总线的汽车检测技术及应用分析[J].城市建设理论研究，2015，5（27）：82.

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