多能源动力总成主从式控制系统的设计与实现
谢长君
武汉理工大学自动化学院，武汉 （430070）
摘 要：混合动力汽车前景十分看好，其多能源动力总成控制系统的设计成为关键。本文介
绍了设计的一种方案即主从式系统的设计思路，硬件组成及控制策略等，经实践调试切实可
行，达到了控制效果。
关键词：混合动力汽车；多能源动力总成控制系统；主从式系统
中图分类号：+2 文献表识码： A
1. 概述
作为公路交通运输的主体，传统汽车正面临环境保护和能源危机的严峻挑战，发展电动
汽车已是相当迫切的要求了。电动汽车主要有纯电池电动汽车和混合动力汽车两大类。混合
动力汽车（HEV）正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新的车型，
它将现有内燃机与一定容量的储能器件通过先进控制系统相组合，可以大幅度降低油耗，减
少污染物排放[1]。国外普遍认为它是投资少、选择余地大、易于满足未来排放标准和节能目
标、市场接受度高的主流清洁车型，从而引起各大汽车公司的关注。在HEV开发中，动力
控制系统的结构选型、参数匹配和控制策略的研究，处于关键地位。而负责进行车载能量管
理和信号流处理分配的多能源动力总成控制系统的设计成为关键和难点[2]。
2. 控制对象及控制方案
多能源动力总成控制系统主要负责汽车上所有信号流和能量流的处理分配工作，保证动
力控制系统按照司机的意图和道路条件实现对电动汽车动力系统的动态控制。具体的说，控
制系统要处理来自于整车传感器，发动机控制器,电机控制器,电池控制器,AMT 控制器 ,ISG
控制器，仪表及低压配电系统的信号，并合理分配能量流，其中动力驱动系统的能量优化分
配成为关键。混合动力汽车有两套驱动系统，即燃油驱动系统和电驱动系统。其动力源主要
是燃油，在低速、启动和加速时用电力，也即在不完全燃烧时用电力，提高燃料的燃烧效率。
在硬件实现上我们考虑了几种系统方案，包括分布式方案、集中式方案及分布式与集中
式相结合方案。分布式系统中多能源动力总成控制器通过 CAN 总线与各零部件 ECU 通信，
工作过程中，各零部件 ECU 分别采集各自的控制对象的信号和状态参数，通过 CAN 总线
发给多能源控制器，多能源控制器利用这些信息来进行能量流和信号流的分配与管理，也通
过 CAN 总线向下位 ECU 发出执行指令。分布式系统是当今工业控制领域使用较为频繁的
系统，也是电动汽车的发展方向，具有系统层次化、模块化和低故障率等优点；集中式系统
中多能源动力总成控制器中由系统核心处理器来完成所有的信号流与能量流的处理与分配
工作，系统所有信号输入与输出全部由多能源动力总成控制器管理，动力总成控制器收集所
有 IO 的当前状态，输入到自身的控制策略后台循环，通过运算后输出给 IO 处理模块，发
送给各下位控制单元。集中式系统具有处理集中，实时性强，系统的响应速度快的特点，但
系统抗干扰能力差。
分布式方案和集中式方案的利弊比较如下：
首先，从系统运作角度考虑，分布式系统的设计自然而然的将整个系统模块化了，系统
中的 DSP 处理器主要工作集中于控制策略的运算与处理上，而它的前台程序主要只需要处
理 CAN 模块的通讯工作。而集中式系统的模块化工作则需要在软件里完成，由于所有的信
号输入、输出直接与动力总成控制器相连，所以控制器在做控制策略运算与处理的过程中，
需要对 IO 设备进行处理，增加的系统软件资源的开销。
然后，从系统安全角度考虑，分布式系统的优点在于故障的分散和下移。分布式系统中
-1-
每个电控单元处理与自己相关的 IO 设备，当一个节点的 IO 设备出现故障，可以通过 CAN
总线通知其他节点告警，如果出现致命性故障，系统的其他节点依然可以正常运行，或者不
致损坏。而集中式系统将 IO 设备集于一身，一旦一个 IO 端口出现非法状态，可能引起整
个系统瘫痪，容错性很差。
接着，从系统接口角度考虑，分布式系统是通过 CAN 总线来完成各个节点之间的数据
交换工作，所以在软接口方面，我们通过基于 和 SAE J1939 来制定规范的网络接
口应用层定义，在硬接口方面，很简单，CAN 总线只需要两根线，所以节点之间互联非常
方便。集中式系统的软接口几乎没有办法规范化，可能随着系统的不断升级与扩展，要不断
的添加对 IO 设备的处理程序，在硬接口方面，系统不得不考虑设计各个模块的线束，以做
到接口的统一性。
但是，分布式方案也存在一些问题，首先，分布式方案的实现比较困难，CAN 总线毕
竟是新一代的前沿通信技术，要在每个零部件电控单元上都统一实现目前还无法做到；第
二，CAN 通信协议的研发与规范增加了系统开发的难度，而且也增加了系统的软件资源。
第三，从系统的实时处理角度来讲，分布式方案里的外部设备处理响应时间都与 CAN 通信
子模块的运行时间相关，无法做到很高的响应速度（但是同样可以满足系统需求）。第四，
分布式系统相对集中式系统而言，增加了系统调试的难度。
综合考虑以及 EQ7200HEV 混合动力轿车第一阶段还不能实现多能源控制器与各零部件
ECU 之间的直接 CAN 通讯，因此，在分布式方案的基础上必须解决各个零部件 ECU 与 CAN
之间的接口问题，为此，设计了一种分布式与集中式相结合的系统方案（主从式方案），其
系统基本框架如图 1 所示。在此方案中，主控板负责能量管理和控制策略的后台运行，下位
机 CAN 接口板，即从控板负责与各零部件 ECU 之间的信号通讯，主控和从控板之间的信
号采用 CAN 通讯。从控板将多能源 ECU 通过 CAN 传输的数据转换为各零部件 ECU 能够
接受的信号，同时接受各零部件的信号处理后通过 CAN 接口传给主控板。只要某零部件的
CAN 通讯功能实现，即可取消 CAN 接口板该零部件 IO，实现多能源与该零部件的直接 CAN
连接。这样，整个系统设计实现了模块化，也提高了系统的运行稳定性。同时，下位机也可
单独与各零部件 ECU 通信，构成集中式系统。
电机控制器 电池控制器 AMT 控制器 发动机控制器 ISG 控制器
多能源动力总成从控制器
电机 IO 电池 IO AMT IO 发动机 IO ISG IO
CAN 总线
图 1 主从式系统原理框图
多能源动力总成主控制器
3. 系统硬件组成
此主从式系统包含主控板和从控板，其中主控板主要用来处理控制策略的运作，从控板
主要用来处理 IO 操作，两者通过 CAN 总线通信。同时，主控板还要负责实时采集整车踏
板信息，以便能及时响应驾驶员的操作。具体来说，整个系统主要包含以下几个模块。
核心控制器
-2-
美国德州仪器公司（TI）当数DSP芯片的最成功制造商，TMS320F2812 芯片作为DSP
控制器 2000 系统的新成员，是TMS320C2000 平台下的一种性能最优的定点DSP芯片[3]。该
芯片作为处理性能高达 150MIPS的 32 位控制DSP，主要适用于工业自动化、光学网络和汽
车控制应用领域，也是本多能源动力总成系统的核心控制器。2812 内部集成 128K字FLASH,
数字量输入/输出模块（I/O）， 两个事件管理器模块EVA和EVB，16 路 12 位的A/D转换模块，
控制器局域网（CAN）模块以及串行通信接口模块（SCI）等，应用十分方便[4]。
电源管理模块
电源的可靠性对于整个系统的性能起着至关重要的作用。设计和选择电源时要考虑配电
方案，布局，接地回路等，以实现对负载端良好的供电，达到高电压调整精度，低噪音，同
时避免系统中电路之间的干扰，振荡以及过热等问题的出现。主从板都需要电源管理模块，
控制器 2812 为核心工作电压 ，IO 工作电压 供电的低功耗器件，需要专用的转换
芯片提供工作电压。同时，由于汽车上提供给各部件 12V 直流电，故还要转换为所需电压。
又由于汽车上各零部件间的干扰很大，故要使控制系统与外部隔离，增强抗干扰能力。
DC-DC 模块电源具有高功率密度，重量轻，高效率，工作温度范围跨宽，输入电压范围宽，
低干扰，低纹波，低噪声，能隔离电压等诸多优点，在整个系统中得到了应用。
通信模块
主从板间要通过 CAN 总线通信，CAN 总线设计思想独特，具有良好的功能特性和极高
的可靠性，现场抗干扰能力强，在工业测控领域已经有了广泛应用。2812 芯片集成了 CAN
控制器模块，该控制器完全支持 协议，对象有六个邮箱，其数据长度为 0 至 8 个
字节，同时它还支持自测模式及总线错误诊断等功能，通信方式灵活，可以多主方式工作，
可以点对点，点对多点及全局广播方式发送数据和接受数据，并且网络上的节点信息可分成
不同的优先级，从而满足不同的实时要求，其最高通讯速率可达 1Mbps(此时距离最长为
40m)。2812 的 CAN 控制器必须通过 CAN 驱动芯片才能与其它的 CAN 控制器进行通信，
故加了驱动芯片 82C250。芯片 82C250 是 CAN 控制器和物理总线间的接口，可以提供对总
线的差动发送能力和对 CAN 控制器的差动接收能力，其最高速可达 1Mbps。
IO 模块
IO 模块即输入输出模块，包含数字量输入输出模块（DI/DO 模块）和模拟量输入输出
模块（AD/DA 模块），主要是从控板与下位 ECU 间的通信。DI/DO 模块主要负责开关量的
输入输出，采用工业上标准的接口，用低速光隔作隔离驱动作用。AD/DA 模块主要负责模
拟量的输入输出，2812 芯片内部带 16 路 12 位的 AD 转换模块，但只能承受 3V 电压，故外
部要加信号滤波调理电路，将 0－5V 电压转换为 0－3V，而且为防止过压，还要加保护电
路。对于 DA 模块，精度要求并不高，故采用 8 位 DA 转换器，但由于 DA 总线电平为 5V,
而核心控制器 IO 电平为 ，故要加电平转换缓冲模块以实现总线隔离。
其他模块
在整个系统中，还有其他模块，如外扩存储器模块，复位模块，译码模块和基于 RS_485
接口通信的液晶显示模块等。
4. 控制策略
控制系统工作过程中，从控板采集各下位ECU的信号和状态参数，通过CAN总线发给
多能源控制器，多能源控制器利用这些信息来进行能量流和信号流的分配与管理，也通过
CAN总线向从控板发出执行指令。系统的控制策略就是如何进行能量流和信号流的分配与
管理。在整车性能和控制仿真中，根据司机踏板指令、车速及道路循环建立起发动机与电机
功率分配随电池SOC变化的MAP图，采用FUZZY控制方法，进行能量的动态分配，形成混
合动力汽车的控制策略[2]。
按照汽车的行驶状况，分为六种基本工作状况，即起步工况、加速与超车工况、巡航工
况、减速与制动工况、倒车工况和驻车工况，动力系统的基本工作模式包括电机起步/发动
-3-
机起步、发动机参与工作（混合驱动）、发动机驱动、电机发电、电机加速助力（混合驱动）、
制动能量回馈等模式。
在能量分配原理方面采用 MAP 图控制与模糊控制相结合的综合控制原理，在稳态工况
下主要采取 MAP 图控制，在动态过程（如加速过程）中，采用模糊逻辑控制，确定混合驱
动情况下发动机和电机的能量分配关系。
由此确定了控制软件的流程图，并在以上构建的硬件平台上设计出动力系统控制逻辑与
控制软件，达到了预期的效果。在整个控制逻辑中，确定整车的工作模式是关键，其简化流
程图如图 2（其中 M1,M2 为常数），主要是通过整车踏板及当前车速来判断目前汽车处于那
个行车模式。
5. 结束语
混合动力汽车作为电动汽车的过渡车型，在当前的技术及条件下将成为未来一段时间发
展的主流车型。而多能源动力总成控制器的设计是其关键和难点，本文给出了一种方案即主
从式方案的设计和实现，经实践及现场调试证实现实可行，达到了控制效果。
参考文献
[1] 王军．国内外混合动力电动汽车开发动态及发展趋势．公路交通科技，2002,2
[2] 杜传进．国家高技术研究发展计划(863 计划)课题验收报告． 武汉理工大学,2002
[3] 张卫宁．TMS320C28X 系列 DSP 的 CPU 与外设(上) ．清华大学出版社，2005,1
[4] 张卫宁．TMS320C28X 系列 DSP 的 CPU 与外设(下) ．清华大学出版社，2005,1
-4-
The design and realization of hybrid electrical master-slave
control system
XIE Changjun
College of Automation Wuhan University of Technology， Wuhan （430070）
Abstract
The prospect of Hybrid Electrical Vehicle is very good and the design of hybrid electrical control
system is very pivotal. This paper introduces a method of designing master-slave control system, which
includes the thought of design, the constitution of hardware and the strategy of control, etc. The
experimentation indicates that design of control system is reasonable and it obtains content control
purpose。
Keywords：Hybrid Electrical Vehicle；hybrid electrical control system；master-slave system
作者简介：谢长君（1980-），男，湖北荆门人，在读汽车学院博士，武汉理工大学自动化学
院教师，主要从事电动汽车以及智能控制的研究。
-5-
Abstract
