乙醇增程器在純電動(dòng)客車上的開發(fā)與設(shè)計(jì)

婁立坤　趙彥軍

摘 要：本文主要基于當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展和新能源汽車創(chuàng)新的時(shí)代背景下，開發(fā)與設(shè)計(jì)純電動(dòng)客車上的乙醇增程器。通過(guò)系統(tǒng)性的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)與控制策略分析，得到純電動(dòng)客車上的乙醇增程器。

關(guān)鍵詞：乙醇增程器 純電動(dòng)客車 開發(fā) 設(shè)計(jì)

Development and Design of Ethanol Range Extender on Pure Electric Bus

Lou Likun，Zhao Yanjun

Abstract：This article is mainly based on the current scientific and technological development and the era of new energy vehicle innovation， the development and design of the ethanol range extender on pure electric buses. Through systematic hardware design， software design and control strategy analysis， the ethanol range extender on pure electric buses is obtained.

Key words：ethanol range extender， pure electric bus， development， design

人們物質(zhì)生活水平的提升使得私家車數(shù)量與日俱增，全球汽車保有量的增加增加了環(huán)境壓力，使得能源資源也逐漸緊張。各國(guó)政府積極倡導(dǎo)與推動(dòng)新能源汽車的發(fā)展，如今電動(dòng)汽車的出現(xiàn)與發(fā)展，成為環(huán)節(jié)汽車與環(huán)境之間矛盾的重要措施。電動(dòng)汽車的出現(xiàn)，憑借其高效、低噪音和環(huán)保的特點(diǎn)，在節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域，具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。乙醇增程器純電動(dòng)客車具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在使用過(guò)程中，需要采取有效的措施完成乙醇增程器控制。

1 乙醇增程器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 乙醇增程器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

純電動(dòng)客車中的增程器控制系統(tǒng)是增程器的頂層設(shè)計(jì)單元，該系統(tǒng)在使用中所發(fā)揮的主要作用是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及電池組等多種部件信號(hào)進(jìn)行收集與控制。以信號(hào)傳輸差異作為依據(jù)，可以將增程器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)劃分成為兩個(gè)部分，第一是信號(hào)流出部分，第二是信號(hào)流入部分[1]。

1.2 各模塊硬件設(shè)計(jì)分析

1.2.1 處理器模塊設(shè)計(jì)

處理器模塊作為整個(gè)純電動(dòng)客車增程器控制系統(tǒng)的核心單位，其所實(shí)現(xiàn)的主要功能有采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、邏輯運(yùn)算與控制輸出等。設(shè)計(jì)處理器模塊的時(shí)候，選擇使用的Tricore1782單片機(jī)為Infineon產(chǎn)品。在處理過(guò)程中，可以通過(guò)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算處理器架構(gòu)在一顆芯片上匯集完成三種類型不同的器件，提升汽車電子控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度，降低功能消耗，提高性價(jià)比。單片機(jī)Tricore1782有四個(gè)方面的特點(diǎn)，第一，位處理功能強(qiáng)大，并且具有四級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，在單片機(jī)中含有單精度浮點(diǎn)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)處理中斷問(wèn)題。第二，單片機(jī)之上的存儲(chǔ)器將2.5MB帶糾錯(cuò)碼的片上程序Flash進(jìn)行集成，可以滿足程序?qū)τ诖鎯?chǔ)空間的基本需求。第三，擁有較為豐富的接口。

1.2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

提供增程器控制系統(tǒng)的電源是鉛酸蓄電池，但是這種電池電壓波動(dòng)較大，擁有很強(qiáng)的不穩(wěn)定性，所以將會(huì)對(duì)增程器控制系統(tǒng)的運(yùn)行正常性產(chǎn)生影響。所以在運(yùn)用高性能電源管理芯片的同時(shí)，需要將電壓監(jiān)控電路、過(guò)流電路、防反接電路等接入電源電路之中，確保整板供電具有安全性。

1.2.3 離散輸入與輸出模塊

根據(jù)整體方案與功能基本需求作為依據(jù)設(shè)計(jì)離散輸入，共計(jì)需要設(shè)計(jì)20路離散輸入，同時(shí)要保證滿足高電平和低電平有效。信號(hào)在完成電阻配置處理以后，傳輸?shù)轿⑻幚砥鱃PIO中。離散輸出所需要的驅(qū)動(dòng)電流比較大，其結(jié)構(gòu)是由處理器模塊直接將其輸出到智能功率開關(guān)模塊之中。以實(shí)際需求作為出發(fā)點(diǎn)，分別選擇低邊或者是高邊開關(guān)芯片。在選擇芯片的時(shí)候，可以選擇使用TLE8108智能低邊開關(guān)芯片，該芯片在使用過(guò)程中具有良好的診斷與保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)的最大驅(qū)動(dòng)力可以得到500mA?？梢詫LE8108智能低邊開關(guān)芯片作為400mA低邊開關(guān)輸出的驅(qū)動(dòng)芯片。

1.2.4 PCB設(shè)計(jì)與布局

因?yàn)橐掖荚龀唐骺刂葡到y(tǒng)在使用過(guò)程中所處的位置環(huán)境較為惡劣，并且容易受到干擾，所以在使用過(guò)程中較為容易受到耦合方式以及噪聲等多種因素影響。在設(shè)計(jì)與布局PCB的時(shí)候，要對(duì)可靠性和電磁兼容性等基本要素展開全面分析與控制。為了確保增程器控制系統(tǒng)在使用中具有良好的穩(wěn)定性，可以采取以下設(shè)計(jì)措施：

第一，基于主信號(hào)流向完成對(duì)核心元件、重要單元的布置工作，盡可能的結(jié)構(gòu)相同的電路采取對(duì)稱式的方式完成布置，保證布局簡(jiǎn)潔、美觀，提升電路板在使用中的抗干擾性。

第二，適當(dāng)加粗地線和電源線，盡量縮短最小系統(tǒng)內(nèi)部的弱點(diǎn)信號(hào)，減低對(duì)地分布電容。

第三，分區(qū)布置完成功率輸出電路和控制電路，提升間隔的合理性，均勻布置大功率元器件。

第四，在成本合理的范圍之內(nèi)，最好是選擇使用四層電路板設(shè)計(jì)方式。

2 乙醇增程器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件功能架構(gòu)

上層控制策略和驅(qū)動(dòng)程序組合形成控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)，其中上層控制策略所實(shí)現(xiàn)的主要功能為管理與優(yōu)化增程器能量，這一部分在設(shè)計(jì)的過(guò)程中基于模型而展開。底層驅(qū)動(dòng)所實(shí)現(xiàn)的功能是將初始化設(shè)置、接口程序、通訊以及其他信號(hào)等提供給上層控制策略。開發(fā)低層驅(qū)動(dòng)的主要方法是手寫代碼。

考慮到代碼在使用中具有可移植性性，在編寫的程序之中含有Typeh文件，能夠重新定義代碼中數(shù)據(jù)類型的名字，從而保證程序中的程序名更加清晰，通過(guò)時(shí)與便于將程序移植到MCU當(dāng)中。

2.2 驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行流程

當(dāng)為控制器通電后，驅(qū)動(dòng)程序首先開始運(yùn)行，以項(xiàng)目要求作為依據(jù)，執(zhí)行以下流程：

2.2.1 系統(tǒng)初始化

因?yàn)樵诘綦姷倪^(guò)程中將會(huì)導(dǎo)致RAM數(shù)據(jù)丟失，在通電的時(shí)候，倘若是變量值呈現(xiàn)出浮動(dòng)狀態(tài)，將會(huì)造成系統(tǒng)在上電運(yùn)行環(huán)節(jié)中出現(xiàn)失控現(xiàn)象，情節(jié)嚴(yán)重還將會(huì)造成事故。所以想要保證整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，首先便要在對(duì)寄存器和變量上電的時(shí)候明確初始值，將系統(tǒng)RAM所有變量進(jìn)行初始化，使其為合理值，進(jìn)而充分保障順利的完成主體程序運(yùn)行。在初始化系統(tǒng)的時(shí)候，其所包含的部分為中斷設(shè)置、初始化變量和初始化寄存器[2]。

2.2.2 任務(wù)調(diào)度

大多數(shù)CPU上層應(yīng)用結(jié)構(gòu)是集成多個(gè)小規(guī)模任務(wù)，并且要求其具有較強(qiáng)的實(shí)用性能，所以CPU擁有非常多的實(shí)時(shí)任務(wù)。但是對(duì)芯片內(nèi)含定時(shí)器控制的時(shí)候存在有限性，難以滿足較多的事件處理進(jìn)程，所以需要利用手寫代碼的方式展開，完成任務(wù)調(diào)動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序的編寫工作。任務(wù)調(diào)度在一定程度上可以看做為虛擬定時(shí)器，可以通過(guò)人為的方式將進(jìn)程進(jìn)行添加或者刪除，進(jìn)而滿足CPU實(shí)時(shí)任務(wù)處理的基本需求。

3 乙醇增程器在純電動(dòng)客車中的安裝與使用

因?yàn)樾枰刂瓢l(fā)電機(jī)朝向電車電池及時(shí)補(bǔ)充電能，可以將電動(dòng)客車的電池過(guò)程中的充電與放電等產(chǎn)生的發(fā)熱問(wèn)題消耗，使得電動(dòng)客車的電池保持長(zhǎng)時(shí)間的使用狀態(tài)，提升電池使用的壽命。在一般情況下，新的電瓶車使用時(shí)間超過(guò)30個(gè)月仍舊沒(méi)有出現(xiàn)容量衰減的現(xiàn)象，即使是重容量出現(xiàn)衰減的舊電瓶，也同樣不會(huì)對(duì)電動(dòng)客車的正常行駛產(chǎn)生不良影響。需要強(qiáng)調(diào)的是，若是選擇使用與電車電機(jī)功率相同的乙醇增程發(fā)電機(jī)，需要與原車電池配套使用，因?yàn)殡娷噯?dòng)、加速、上坡時(shí)的用電量是正常行駛的，還要電池幫助供電。如果選用小于電車電機(jī)功率的發(fā)電機(jī)，只能作為行駛過(guò)程中為電車提供幫助動(dòng)力，或者停車時(shí)為電池充電，補(bǔ)充電池的消耗電能。

乙醇增程器的使用，目的是為了提升純電動(dòng)車在行駛中的里程，屬于純電動(dòng)汽車上的附加儲(chǔ)能部件。在一般情況下，汽車用戶可以根據(jù)出行情況選擇是否安裝乙醇增程器，若是不安裝，則可以降低車重，減少能量消耗。乙醇增程器在使用中，要對(duì)純電動(dòng)車的以下性能有所要求。

第一，運(yùn)行系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠，長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)以后仍舊可以在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入到工作狀態(tài)。

第二，因?yàn)楣こ虪顩r單一，從而要求工作點(diǎn)可以較好的完成優(yōu)化，從而使得系統(tǒng)成本降低，從而提升運(yùn)行效率。

在純電動(dòng)客車中加裝乙醇增程器，可以大幅度提升純電動(dòng)客車的運(yùn)行里程。與傳統(tǒng)的油電混合動(dòng)力汽車相比較而言，安裝有乙醇增程器的純電動(dòng)汽車可以表現(xiàn)出良好的排放效果，并且該優(yōu)勢(shì)十分突出。相比較于新型電電混合動(dòng)力車，安裝有乙醇增程器的電動(dòng)客車可以以蓄電池驅(qū)動(dòng)為主，使得客車更加具有環(huán)保性，所以可視其為從混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)向純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的一種過(guò)渡方法。

4 結(jié)語(yǔ)

能源資源短缺和環(huán)境污染是制約時(shí)代發(fā)展的重要因素，交通能源作為污染環(huán)境和消耗能源的元兇之一，已經(jīng)得到全世界范圍的重視。新能源汽車的出現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要措施。純電動(dòng)汽車的出現(xiàn)與使用，以為其無(wú)污染特點(diǎn)，成為理想型汽車類型。本文對(duì)乙醇增程器在純電動(dòng)客車中的開發(fā)與設(shè)計(jì)展開分析，探究乙醇增程器系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)，并且對(duì)控制純電動(dòng)客車中的乙醇增程器思路作出分析，旨在為提升乙醇增程器設(shè)計(jì)可行性提供方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]ANTONY INGRAM，徐博英.馬自達(dá)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)的復(fù)興 轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)將在2020年以電動(dòng)車增程器的角色回歸[J].汽車與運(yùn)動(dòng)，2019（05）：102-103.

[2]賈騰飛，張洪信，趙清海，等.增程式電動(dòng)汽車動(dòng)力參數(shù)匹配與控制策略分析[J]. 青島大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2018（02）：108-113.