基于CAN總線分析的增程式電動(dòng)汽車控制策略研究

解來(lái)卿羅禹貢劉成祺秦兆博李克強(qiáng)

（1.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中國(guó)定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場(chǎng)，南京 210028）

基于CAN總線分析的增程式電動(dòng)汽車控制策略研究

解來(lái)卿1,2羅禹貢1劉成祺1秦兆博1李克強(qiáng)1

（1.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.中國(guó)定遠(yuǎn)汽車試驗(yàn)場(chǎng)，南京 210028）

針對(duì)增程式電動(dòng)汽車控制策略解析的需要，提出了一套基于CAN總線分析的整車控制策略研究方法，該方法包含了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建、典型工況設(shè)計(jì)、CAN總線協(xié)議破解和整車控制策略解析的全過(guò)程。將所提出方法應(yīng)用于某先進(jìn)增程式電動(dòng)汽車的整車控制策略解析中，解析了該車的增程器控制策略、發(fā)動(dòng)機(jī)起/?？刂七壿嫼凸ぷ髂Ｊ角袚Q控制策略，表明了該方法的有效性。

1 前言

增程式電動(dòng)汽車是一種電驅(qū)動(dòng)的插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車，具備純電動(dòng)汽車節(jié)能、環(huán)保、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又能夠通過(guò)增程器（Auxiliary Power Unit,APU）延長(zhǎng)續(xù)駛里程，是當(dāng)前混合動(dòng)力汽車發(fā)展的主要方向之一[1～3]。在增程式電動(dòng)汽車控制技術(shù)開(kāi)發(fā)與理論研究中，通常需要對(duì)某一先進(jìn)車輛的增程器控制策略、起/?？刂七壿嫾澳芰抗芾聿呗缘冗M(jìn)行解析，以便于新產(chǎn)品控制策略開(kāi)發(fā)過(guò)程中有效地借鑒、對(duì)比和改進(jìn)設(shè)計(jì)。為確?？刂撇呗越馕龅恼_性，需要一套行之有效的解析方法。雖然基于實(shí)車道路試驗(yàn)的方法能夠通過(guò)分析瞬時(shí)油耗初步判斷車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)數(shù)和停機(jī)邏輯[4]，但難以確定其具體的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速點(diǎn)及切換規(guī)律，也不能分析各轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的增程器功率覆蓋范圍。

為此，本文根據(jù)增程式電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)性能與控制策略特點(diǎn)，進(jìn)行了基于轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)的控制策略研究，提出了基于CAN總線信號(hào)分析的整車控制策略研究方法，并將該方法應(yīng)用于某先進(jìn)增程式電動(dòng)汽車的控制策略解析中，研究了該車的整車控制策略。

2 研究方案

增程式電動(dòng)汽車的整車控制策略是實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖和汽車性能的關(guān)鍵，同時(shí)也是搭建駕駛員意圖與車輛性能表現(xiàn)的橋梁[5，6]。整車控制策略具體表現(xiàn)為汽車踏板輸入與汽車動(dòng)力總成輸出變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，研究它們?cè)诙喾N工況下的變化及數(shù)據(jù)相互關(guān)系可以解析整車的控制策略?；诖?，本文設(shè)計(jì)了包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建、典型工況設(shè)計(jì)、CAN總線協(xié)議破解和整車控制策略解析在內(nèi)的研究方案，如圖1所示。

圖1 整車控制策略解析研究方案

首先，搭建能夠?qū)崟r(shí)獲取車輛踏板開(kāi)度、CAN總線和OBD信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)能夠覆蓋各種模式下多種車速、加速度、減速度的典型行駛工況，在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)時(shí)采集加速踏板、制動(dòng)踏板、CAN總線和OBD中的相關(guān)數(shù)據(jù)；其次，基于增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力總成數(shù)據(jù)特征與通信協(xié)議特征，借助轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、CAN總線分析工具和故障診斷儀等，采用“識(shí)別-驗(yàn)證-標(biāo)定-再驗(yàn)證”的方法破解該車的CAN總線部分通信協(xié)議，提取所需的動(dòng)力總成和高壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)；最后，基于所采集的踏板開(kāi)度及動(dòng)力總成數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)學(xué)歸納的方法分析動(dòng)力總成數(shù)據(jù)曲線特征及數(shù)據(jù)與工況對(duì)應(yīng)關(guān)系，解析車輛的增程器控制策略、發(fā)動(dòng)機(jī)起/停策略和整車工作模式切換策略。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)搭建

針對(duì)某先進(jìn)增程式電動(dòng)轎車的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)，搭建了能夠?qū)崟r(shí)采集汽車踏板開(kāi)度、CAN總線數(shù)據(jù)和OBD中發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)的采集系統(tǒng)，主要包括轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)、踏板開(kāi)度傳感器、CAN分析工具、MicroAutoBox和計(jì)算機(jī)等，所搭建的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成與連接關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件構(gòu)成

圖2中，OBD接口中發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)通過(guò)dSPACE發(fā)送查詢命令獲取，踏板傳感器所采集的加速踏板和制動(dòng)踏板開(kāi)度信號(hào)經(jīng)接口箱到MicroAutoBox后進(jìn)行標(biāo)定處理，處理后的發(fā)動(dòng)機(jī)信號(hào)和踏板開(kāi)度信號(hào)再由dSPACE發(fā)送至CAN端口，通過(guò)CANoe實(shí)時(shí)采集并顯示。

4 CAN總線協(xié)議破解

4.1 CAN總線信號(hào)提取需求

為了能夠正確解析整車控制策略，需要從CAN總線中提取驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和高壓電池的數(shù)據(jù)。綜合考慮各部件的信號(hào)特點(diǎn)及在實(shí)際CAN總線數(shù)據(jù)分析過(guò)程中具體信號(hào)分析的難度，選擇了需要提取的7組信號(hào)，如表1所列。

表1 CAN總線中提取的信號(hào)

4.2 CAN協(xié)議破解流程與方法

汽車CAN總線通信介質(zhì)通常為雙絞線，通過(guò)布線位置、外觀特征和電壓信號(hào)特征可以尋找出汽車CAN總線[7]。借助CANoe軟件，能夠?qū)崟r(shí)采集并顯示車輛運(yùn)行時(shí)的CAN總線中傳輸數(shù)據(jù)ID及對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)值。CAN總線協(xié)議破解流程見(jiàn)圖3。

圖3 CAN總線協(xié)議破解流程

在信號(hào)識(shí)別階段，由于CAN總線中傳輸數(shù)據(jù)較多，需要基于CAN協(xié)議特征和所傳數(shù)據(jù)特征識(shí)別所需要提取的信號(hào)，破解其協(xié)議。首先，根據(jù)動(dòng)力總成信號(hào)的特征對(duì)CAN總線中傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選；其次，按照傳輸速率由高到低的順序，分別建立各ID對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀每個(gè)字節(jié)的協(xié)議文件；最后，車輛運(yùn)行典型工況，并通過(guò)CANoe軟件實(shí)時(shí)顯示、保存數(shù)據(jù)幀曲線。為便于識(shí)別數(shù)據(jù)特征與規(guī)律，設(shè)計(jì)的典型工況除勻速、加速、減速工況外，還包括了先加速后減速的三角形工況和加速-勻速-減速的梯形工況?；跀?shù)據(jù)曲線特征以及數(shù)據(jù)與工況的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)識(shí)別數(shù)據(jù)曲線表征的含義，基于典型工況識(shí)別出的動(dòng)力總成信號(hào)將通過(guò)運(yùn)行多種組合工況進(jìn)行驗(yàn)證，以確保信號(hào)識(shí)別的正確性。

在信號(hào)標(biāo)定階段，借助轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)量?jī)x表對(duì)驗(yàn)證后的信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，采用儀表實(shí)測(cè)值與CAN總線采樣值擬合直線的方式標(biāo)定協(xié)議的系數(shù)和偏移量。標(biāo)定公式為：

式中，y為儀表實(shí)測(cè)值；x為CAN總線采樣值；f為CAN協(xié)議系數(shù)；b為CAN協(xié)議偏移量。

以車速標(biāo)定為例，擬合直線如圖4所示,根據(jù)直線方程，f取整為0.016，b取整為0。其余信號(hào)的標(biāo)定以此類推。

圖4 車速信號(hào)標(biāo)定擬合直線示例

為了確保標(biāo)定誤差在允許范圍之內(nèi)，運(yùn)行多個(gè)隨機(jī)工況進(jìn)行相互驗(yàn)證。對(duì)于個(gè)別誤差較大的數(shù)據(jù)，采用循環(huán)修正的方式進(jìn)一步標(biāo)定。

5 整車控制策略解析

5.1 增程器控制策略解析

基于多種工況下的發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)曲線特征，解析該車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速點(diǎn)、轉(zhuǎn)速切換規(guī)律、功率覆蓋范圍，進(jìn)而歸納增程器的控制策略。

采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法分析了不同加速度工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線的分布特征，以確定發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速轉(zhuǎn)速和工作轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)上分別以1 m/s2、1.5 m/s2、2 m/s2的加速度起步加速，得到圖5所示的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線。由圖5a可看出，該車發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后的怠速轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，工作轉(zhuǎn)速為2 400 r/min；由圖5b可看出，該工況下出現(xiàn)了2 400 r/min和3 500 r/min的工作轉(zhuǎn)速；由圖5c可看出，該工況下出現(xiàn)了2 400 r/min、4 300 r/min的工作轉(zhuǎn)速。為尋找該車發(fā)動(dòng)機(jī)其余轉(zhuǎn)速并驗(yàn)證主要工作轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行了NEDC等循環(huán)工況，圖5d為在NEDC循環(huán)工況中的一段發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線，在該工況下出現(xiàn)了2 400 r/min、3 110 r/min、3 500 r/min和4 300 r/min等工作轉(zhuǎn)速。經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，該車發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速有2 400 r/min、3 110 r/min、3 500 r/min和4 300 r/min；其中，2 400 r/min是該車發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作轉(zhuǎn)速。

采用數(shù)學(xué)歸納方法分析不同加速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速曲線的變化特征，以歸納其轉(zhuǎn)速切換規(guī)律。以圖5b和圖5c為例，當(dāng)出現(xiàn)急加速等需求功率急劇增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速將根據(jù)需求功率大小從2 400 r/min直接調(diào)整至3 500 r/min或4 300 r/min；如圖5d所示，當(dāng)需求功率緩慢增加時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速將采用2 400 r/min→3 110 r/min→3 500 r/min遞進(jìn)調(diào)速。其中，2 400 r/min是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要工作轉(zhuǎn)速。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速點(diǎn)分布及切換規(guī)律解析示例

通過(guò)以上分析可知，該車增程器控制策略屬于功率跟隨策略，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下增程器的電流、電壓可計(jì)算出其功率分布及覆蓋范圍，結(jié)果如圖6和表2所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知，該車設(shè)定的發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)工作點(diǎn)覆蓋的功率范圍較大，進(jìn)而避免了轉(zhuǎn)速點(diǎn)的頻繁切換現(xiàn)象。

5.2 發(fā)動(dòng)機(jī)起/?？刂七壿嫿馕?/p>

通過(guò)對(duì)該車在多種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可知，該車具有低車速下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制邏輯及中等車速下的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制邏輯，如圖7所示。

圖6 增程器功率范圍解析示例

表2 各轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的增程器功率范圍

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制邏輯解析示例

由圖7a可看出，在低速工況下，車輛緩慢加速運(yùn)行到551 s時(shí)，電池放電能力不足以滿足整車的功率需求，需要APU輸出電流來(lái)輔助電池供電，因此控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)在低車速下起動(dòng)；由圖7b可看出，在中速工況下，車輛以33.3 km/h速度勻速行駛，當(dāng)運(yùn)行到664 s時(shí)，電池放電到一定程度，電池剩余里程不足5 km，為避免電池剩余電量過(guò)低對(duì)電池的損害，控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

對(duì)典型工況下該車發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)電池剩余行駛里程、加速和制動(dòng)踏板狀態(tài)進(jìn)行了分析，解析了發(fā)動(dòng)機(jī)在停車、怠速下的停機(jī)邏輯，結(jié)果如圖8所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)控制邏輯解析示例

由圖8a可看出，車輛運(yùn)行到440 s時(shí)沒(méi)有功率需求,此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)立刻斷油停機(jī)，避免了不必要的燃油消耗。由圖8b可看出，在418～424 s運(yùn)行過(guò)程中，駕駛員有明顯的停車意圖，車輛并不需要輸出動(dòng)力，然而此時(shí)的電池電力過(guò)低，需要充電，導(dǎo)致出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不停機(jī)狀態(tài)；而在車輛運(yùn)行到424 s時(shí)，電池電量升高并達(dá)到一定值，當(dāng)電池剩余行駛里程為4～6 km時(shí)，控制器控制發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)。

5.3 工作模式切換控制策略解析

增程式電動(dòng)汽車工作模式包括通過(guò)電池輸出電能的純電模式和通過(guò)增程器輸出電能的增程模式，整車的燃油經(jīng)濟(jì)性與模式切換控制策略密切相關(guān)[8]。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，該車在增程模式下出現(xiàn)了多次的純電動(dòng)模式與增程模式互相切換的現(xiàn)象。

5.3.1 純電模式向增程模式的切換解析

圖9為該車由純電模式向增程模式的切換示例，由圖9可看出，當(dāng)車輛運(yùn)行到507 s時(shí)，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始輸出動(dòng)力，此時(shí)整車需求功率較小，電池的放電能力足夠滿足電動(dòng)機(jī)需求，整車處于純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式；隨著電池電量不斷被消耗，當(dāng)電池剩余行駛里程不足5 km時(shí)，電池放電能力減弱，電能已經(jīng)無(wú)法滿足電動(dòng)機(jī)的功率需求，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，由增程器向電動(dòng)機(jī)供電，車輛進(jìn)入增程模式。

圖9 純電模式向增程模式的切換示例

5.3.2 增程模式向純電模式的切換解析

圖10為該車由增程模式向純電模式的切換示例。由圖10可看出，在初期階段，車輛處于增程模式；在車輛運(yùn)行到1 302 s時(shí)，整車由于制動(dòng)能量回收，發(fā)電機(jī)向蓄電池充電；在車輛運(yùn)行到1 309 s時(shí)，經(jīng)過(guò)前段時(shí)間的充電，電池剩余行駛里程達(dá)到4～6 km以上，發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，車輛切換為純電模式行駛。

圖10 增程模式向純電模式的切換示例

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以增程式電動(dòng)汽車為研究對(duì)象，提出了基于CAN總線分析的整車控制策略研究方法，采用該方法對(duì)某先進(jìn)增程式電動(dòng)轎車的控制策略進(jìn)行了解析，結(jié)果如下:

a.基于轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)和CAN總線分析工具所搭建的電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)獲取駕駛員輸入信息和關(guān)鍵動(dòng)力總成數(shù)據(jù)；

b.所解析的某增程式電動(dòng)汽車增程器控制策略為多工作點(diǎn)的功率跟隨控制策略，發(fā)動(dòng)機(jī)具有2 400 r/min、3 110 r/min、3 500 r/min、4 300 r/min等4個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)對(duì)應(yīng)功率覆蓋范圍較廣；

c.該車的發(fā)動(dòng)機(jī)起/停控制邏輯包含低車速下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)邏輯、中等車速下發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)邏輯和停車停機(jī)、怠速停機(jī)等停機(jī)邏輯，行駛中根據(jù)駕駛員意圖和電池剩余電量進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)的起/?？刂疲苊饬穗姵厥Ｓ嚯娏窟^(guò)低對(duì)電池的損害；

d.該車工作模式包含純電模式和增程模式，行駛中根據(jù)整車功率需求和電池剩余電量進(jìn)行工作模式切換的控制，從而保證了整車的節(jié)能性和排放性。

通過(guò)實(shí)車解析，證明了所提研究方法的有效性，同時(shí)探明了該先進(jìn)車型的整車控制策略，為增程式電動(dòng)汽車新產(chǎn)品控制策略的開(kāi)發(fā)提供了借鑒。

1 周磊,羅禹貢,楊殿閣，等.混聯(lián)式混合動(dòng)力車多能源動(dòng)力控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā).機(jī)械工程學(xué)報(bào),2007，43（4）：125～131.

2 閔海濤,葉冬金,于遠(yuǎn)彬.增程式電動(dòng)汽車控制策略的優(yōu)化.汽車工程,2014,36（8）:899～903.

3 胡明寅,楊福源,歐陽(yáng)明高，等.增程式電動(dòng)車分布式控制系統(tǒng)的研究.汽車工程,2 012,34（3）:197～202.

4 劉成祺,解來(lái)卿,樊月珍，等.某增程式電動(dòng)汽車北方冬季工況下能耗測(cè)試與分析.汽車技術(shù),2016（2）:45～49.

5 Canova M,Guezennec Y,Yurkovich S.On the Control of En?gine Start/Stop Dynamics in a Hybrid Electric Vehicle.Jour?nal of Dynamic Systems Measurement&Control,2009a,131（6）:636～650.

6 Li J Q,Zhou L,Zhou W,et al.A Control Strategy to Reduce Fuel Consumption of APU for Range-extended Electric Ve?hicle.EMEIT-12,2012.

7 王振坡,孫逢春,劉鵬.電動(dòng)汽車原理與應(yīng)用技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

8 Niu J G,Pei F L,Zhou S,et al.Multi-Objective Optimiza?tion Study of Energy Management Strategy for Extended-Range Electric Vehicle.Advanced Materials Research, 2013,694～697:2704～2709.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2016年7月11日。

Research on the Control Strategies for Range Extended Electric Vehicle Based on CAN Bus Analysis

Xie Laiqing1,2,Luo Yugong1,Liu Chengqi1,Qin Zhaobo1,Li Keqiang1
（1.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084;2.Dingyuan Automotive Proving Ground,Nanjing 210028）

In order to meet the need of studying the control strategies for range extended electric vehicle,an analysis method of control strategies based on CAN bus analysis was presented,which included data acquision system decoding, typical driving condition design,the total process of CAN bus protocol extraction and vehicle control strategy analysis.This method was applied to an range extended electric vehicle to analyze control strategy of range extender,engine start-stop control logic and mode change,indicating validity of this method.

Range extended electric vehicle,Chassis dynamometer Test,CAN bus,Control strategy

程式電動(dòng)汽車 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn) CAN總線 控制策略

U467.1

A

1000-3703（2016）12-0020-06