基于SAEJ1939的混合動(dòng)力客車ABS控制系統(tǒng)

摘要 研究了混合動(dòng)力客車的制動(dòng)過程和能量回收原理，提出在剎車防抱死系統(tǒng)(ABS)參與制動(dòng)時(shí)，混合動(dòng)力客車制動(dòng)控制策略和能量回收的實(shí)現(xiàn)。依據(jù)SAEJ1939通訊協(xié)議的具體內(nèi)容，制定了ABS控制系統(tǒng)通訊的數(shù)據(jù)報(bào)文格式，實(shí)現(xiàn)了ABS控制器與整車控制器(HECU)之間的數(shù)據(jù)交流與共享。
關(guān)鍵詞 混合動(dòng)力客車；J1939通訊協(xié)議；ABS控制器；控制策略

開發(fā)電動(dòng)汽車(Electric Vehicle，EV)是實(shí)現(xiàn)汽車能源多元化和零排放的最終選擇。由于車用動(dòng)力電池性能難以滿足使用要求，使其成為嚴(yán)重制約電動(dòng)汽車應(yīng)用與發(fā)展的“瓶頸”。20世紀(jì)90年代后，世界許多汽車生產(chǎn)商把重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了可實(shí)施性強(qiáng)的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的研究與開發(fā)?；旌蟿?dòng)力汽車(Hybrid-Electric Vehicle，HEV)是采用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，通過混合使用熱能和電力兩套系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)省燃料和降低排氣污染的目的。此種混合動(dòng)力汽車與電動(dòng)汽車相比較，既能保持電動(dòng)汽車的超低排放的優(yōu)點(diǎn)，又能發(fā)揮傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、動(dòng)力性能好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用制動(dòng)時(shí)的能量回收，降低制動(dòng)能耗，提高續(xù)駛里程。
為提高混合動(dòng)力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和能量回收的利用率，并保證汽車制動(dòng)過程中行駛方向的穩(wěn)定與安全性，將混合動(dòng)力車輛能量回收策略與防抱死剎乍系統(tǒng)(ABS)控制策略集成于一個(gè)控制器中，稱為ABS控制器?；旌蟿?dòng)力汽車采用兩個(gè)動(dòng)力源，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，車上大量采用電子裝置，如整車控制器(HECU)、ATM控制器、電機(jī)控制器、電池控制器、CAN儀表控制器、ABS控制器等。這些復(fù)雜的控制器需要檢測(cè)及不斷地交換大量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的連接方式不但繁瑣、昂貴而且可靠性差、維護(hù)成本高，無法滿足車輛通訊的要求。因此，用網(wǎng)絡(luò)連接各種電子系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)通訊是現(xiàn)代汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)。在混合動(dòng)力汽車中，以J1939通訊協(xié)議為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)ABS控制器與其他控制器之間的通訊，以達(dá)到在車輛運(yùn)行或制動(dòng)過程中回收能量且使車輛處于最佳的控制狀態(tài)。

1 混合動(dòng)力客車ABS控制系統(tǒng)
1．1 混合動(dòng)力汽車概況
混合動(dòng)力汽車(Hybrid-Electric Vchicle，HEV)一般是指使用蓄電池的電能和汽(柴)油兩種動(dòng)力源的車輛，在車輛的行駛過程中存在蓄電池電能和內(nèi)燃機(jī)機(jī)械能能量分配和能量存儲(chǔ)的過程，而且一般有制動(dòng)能量回收的過程。混合動(dòng)力汽車根據(jù)運(yùn)行工況合理利用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)汽車，使每個(gè)動(dòng)力源在分別發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，彌補(bǔ)另一個(gè)動(dòng)力源的不足。這樣二者互補(bǔ)工作，可使汽車的熱效率提高10％以
上，廢氣排放可改善30％以上。它既是燃油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車向電動(dòng)汽車的一種過渡車型，也是一種相對(duì)獨(dú)立的車型。
整車控制器是混合動(dòng)力電動(dòng)客車的核心，它根據(jù)輸入信號(hào)，判斷混合動(dòng)力汽車的當(dāng)前狀態(tài)，并經(jīng)過一定的控制邏輯和控制算法的判斷分析，確定向各個(gè)子系統(tǒng)發(fā)出當(dāng)前控制信號(hào)的量值。由于在城市道路上，混合動(dòng)力汽車是頻繁在起步、行駛、加速、減速和怠速停車各個(gè)工況之間運(yùn)行，因此通過整車控制器的任務(wù)分配，將發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)按一定的策略進(jìn)行能量分配，從而可以使發(fā)動(dòng)機(jī)盡量工作在高效區(qū)，減少汽車尾氣的排放。由于混合動(dòng)力汽車在啟動(dòng)時(shí)采用電機(jī)提供動(dòng)力，并在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后以較高的怠速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而減少了發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的廢氣排放；在紅綠燈時(shí)可以自動(dòng)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，減少怠速空轉(zhuǎn)時(shí)間；在低于預(yù)定車速時(shí)，可以使用純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速下工作。減速時(shí)，剎車裝置可以將剎車時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，回收了部分能量，這些都提高了整車的燃料經(jīng)濟(jì)性，并且與同類發(fā)動(dòng)機(jī)車型相比，也減低了排放。
1．2 混合動(dòng)力客車ABS控制策略
混合動(dòng)力汽車與傳統(tǒng)汽車相比，可以在制動(dòng)過程中將牽引電機(jī)作為發(fā)電機(jī)，依靠車輪的反相拖動(dòng)產(chǎn)生電能和車輪制動(dòng)力矩，從而在減緩車輛速度的同時(shí)將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，回收一部分車輛在傳統(tǒng)制動(dòng)過程中損失的能量，以備再利用。因此，制動(dòng)能量回收系統(tǒng)能夠改善HEV的能量回收利用率，有效減少車輛的排放并提高燃油經(jīng)濟(jì)性和車輛的形式里程。
ABS參與制動(dòng)過程的目的是為了增加混合動(dòng)力汽車的能量回收部分。與傳統(tǒng)汽車相比，混合動(dòng)力汽車的制動(dòng)需求與傳統(tǒng)汽車有所差異。在混合動(dòng)力汽車中，當(dāng)駕駛員抬起油門踏板，則說明駕駛員有制動(dòng)需求。若此時(shí)整車電子控制單元(HECU)判斷電池不需要充電，則不要求電機(jī)參與并提供任何制動(dòng)力矩與能量回收。在這種情況下，如果駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，整個(gè)制動(dòng)過程由剎車氣壓系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)車輛的減速度達(dá)到了ABS系統(tǒng)激活的門限值的時(shí)候，ABS系統(tǒng)被激活并獨(dú)立調(diào)節(jié)車輛的剎車過程。如果車輛的制動(dòng)強(qiáng)度比較弱而沒有達(dá)到ABS系統(tǒng)激活的條件時(shí)，則整車的制動(dòng)力矩維持原車的制動(dòng)力矩。上述制動(dòng)過程不參與能量回收。
若駕駛員抬起油門踏板且有制動(dòng)需求時(shí)，且此時(shí)整車電子控制單元(HECU)判斷電池處于虧電狀態(tài)或電池有充電需求，這時(shí)整車HECU給電機(jī)電子控制單元ECU發(fā)送信息，要求電機(jī)參與制動(dòng)過程，而此時(shí)電機(jī)提供的最大制動(dòng)扭矩為電機(jī)輸出扭矩的20％，即電機(jī)提供恒扭矩制動(dòng)。在這種情況下，駕駛員從抬起油門踏板到踩下制動(dòng)踏板的低強(qiáng)度制動(dòng)過程中，電機(jī)能獨(dú)立且充分回收能量。當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板的時(shí)候，若車輛的減速度門限值沒達(dá)到ABS系統(tǒng)激活的條件，而此時(shí)電機(jī)提供的制動(dòng)扭矩保持不變，同時(shí)原車的常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)也提供制動(dòng)力矩，整車剎車制動(dòng)力矩=電機(jī)制動(dòng)力矩+原車制動(dòng)力矩，在這種中強(qiáng)度的制動(dòng)情況下，電機(jī)可以充分回收能量。當(dāng)駕駛員在踩下制動(dòng)踏板時(shí)，若車輛的減速度門限值達(dá)到ABS系統(tǒng)激活的條件，此時(shí)ABS系統(tǒng)被激活，且ABS控制單元給整車控制單元HECU發(fā)送信息，要求解除電機(jī)制動(dòng)。在此種高強(qiáng)度制動(dòng)情況下，車輛的制動(dòng)過程完全依據(jù)車輪當(dāng)時(shí)所處的路面狀況進(jìn)行獨(dú)立的ABS調(diào)節(jié)，完成整個(gè)車輛制動(dòng)過程。上述過程可實(shí)現(xiàn)在剎車時(shí)車輛的穩(wěn)定性、方向可控性和安全性，且有效地回收了能量。

2 SAE J1939協(xié)議
2．1 CAN總線內(nèi)容
控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)總線是20世紀(jì)80年代初德國(guó)BOSH公司為解決現(xiàn)代汽車眾多控制單元、測(cè)試儀器之問實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)而開發(fā)的一種串行通訊協(xié)議，經(jīng)多次修訂，于1991年9月形成技術(shù)規(guī)范2．0版本，該版本包括2．0A和2．0B兩部份。它是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，速率可達(dá)1Mbit·s-1。為規(guī)范通訊系統(tǒng)與各系統(tǒng)的兼容，1993年11月ISO頒發(fā)了道路交通工具數(shù)據(jù)信息交換高速通訊局域網(wǎng)(CAN)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)的汽車工程學(xué)會(huì)SAE于2000年將CAN2．0B為基礎(chǔ)，提出J1939通訊協(xié)議，并成為貨車、客車、農(nóng)業(yè)和建筑機(jī)械中控制器局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。
CAN遵從開放系統(tǒng)互連OSI 7層參考模式，按照IEEE802．2和IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)，其通訊接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能。按照攜帶信息的數(shù)據(jù)類型可分為4種幀格式：數(shù)據(jù)幀是網(wǎng)絡(luò)信息的主體，用于節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳遞。遠(yuǎn)程幀由節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)。出錯(cuò)幀可由任何節(jié)點(diǎn)發(fā)送，以檢測(cè)總線錯(cuò)誤。超載幀用于提供當(dāng)前的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀之間的附加延時(shí)。數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位域組成：幀起始(SOF)、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、循環(huán)冗余校驗(yàn)場(chǎng)(CRC)、應(yīng)答場(chǎng)(ACK)、結(jié)束幀(EOF)組成。CAN協(xié)議具有標(biāo)準(zhǔn)幀格式CAN 2．0A和擴(kuò)展幀格式CAN2．0B，標(biāo)準(zhǔn)幀格式采用11位標(biāo)識(shí)符而控制幀格式采用29位標(biāo)識(shí)符格式。其數(shù)據(jù)幀格式如圖1所示。由于CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，它具有較高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性，簡(jiǎn)單實(shí)用、網(wǎng)絡(luò)成本低，因此適用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工作環(huán)境。

2．2 SAE J1939通訊協(xié)議
J1939是一種支持閉環(huán)控制的在多個(gè)ECU之間高速通行的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是由美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)為車輛定義的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于載貨車和客車上。其目的是為電子系統(tǒng)提供一個(gè)開放系統(tǒng)，使得各設(shè)備之間的相互通訊有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。J1939協(xié)議是以CAN2．0B規(guī)范為基礎(chǔ)制定的，它利用CAN標(biāo)準(zhǔn)的29位識(shí)別位制定出J1939協(xié)議的編碼系統(tǒng)，并形成了J1939的通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)定義。J1939是參照ISO開放式數(shù)據(jù)互連模型定義的7層基準(zhǔn)參考模型而定制的，是一種高級(jí)的CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，它對(duì)汽車內(nèi)部ECU的地址配置、命名、通訊方式以及報(bào)文發(fā)送優(yōu)先級(jí)等都作了詳細(xì)規(guī)定，并且對(duì)汽車內(nèi)部各個(gè)具體的ECU通訊作了詳細(xì)說明。它使用多路復(fù)用技術(shù)，為汽車上的各種傳感器、執(zhí)行器和控制器提供建立在CAN總線基礎(chǔ)之上的標(biāo)準(zhǔn)化的高速網(wǎng)絡(luò)連接，在車載電子裝置之間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，有效地減少了電子線束的數(shù)量，提高了車輛電子控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性、可維修性和標(biāo)準(zhǔn)化程度，更大限度地發(fā)揮CAN的性能。