純電動汽車整車控制器測試系統(tǒng)綜述

鄧杰，茍小義，宋春華，韋興平，徐全，宋昌林

（西華大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

純電動汽車整車控制器測試系統(tǒng)綜述

鄧杰，茍小義，宋春華，韋興平，徐全，宋昌林

（西華大學(xué)機械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

純電動汽車整車控制器是純電動汽車整車控制系統(tǒng)的核心部件，在整車電控系統(tǒng)中屬于上層控制器，承擔(dān)著整車動力系統(tǒng)控制和能量管理等重要功能。文章從文獻入手，針對純電動車能量回收和續(xù)航里程不足，提出一定的解決方案；介紹了純電動汽車整車控制器的作用及發(fā)展概況；展示了純電動汽車整車控制器的設(shè)計方法；最后討論了純電動汽車的發(fā)展前景；預(yù)測了純電動汽車未來的發(fā)展方向。

純電動汽車；整車控制器；動力系統(tǒng)；能量管理；續(xù)航里程；能量回收

Abstract:Vehicle control unit, the core component of pure electric vehicles, is the supervisory control of vehicle electric control unit, hosting some vital parts like the dynamic system of vehicle and the energy management. According to some reference books, we come up with certain solutions to deal with the problems of the pure electric vehicles’ energy harvesting and shortage of cruising mileage. Also, in this paper, we will introduce some more information about the pure electric vehicles’ control unit, including its functions, development stage and the design methodology. In the end, the paper discusses the development prospects of the pure electric vehicles and predicts their future directions.

Keywords: pure electric vehicles; vehicle control unit; dynamic system; energy management; cruising mileage;energy harvesting

CLC NO.: TH16 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-105-04

引言

純電動汽車整車控制器(Vehicle Controller)是純電動汽車整車控制系統(tǒng)的核心部件[1]，主要工作為根據(jù)不同運行工況協(xié)調(diào)控制下層控制器(電機控制器、電池管理系統(tǒng)、車身控制器、安全控制器等）工作，從而改善純電動汽車的動力性和經(jīng)濟性，并且保證車輛運行安全。[2]

整車控制策略包括驅(qū)動控制策略、再生制動控制策略、能量管理控制策略和安全控制策略。驅(qū)動控制策略對整車動力總成進行控制，是整車控制策略的主要研究內(nèi)容。[3]

本文從文獻入手，針對純電動車續(xù)航里程不足和能量回收問題在整車控制器前期設(shè)計上提出了一定的解決方案，介紹了純電動汽車整車控制器的作用及發(fā)展概況；展示了純電動汽車整車控制器的設(shè)計方法；最后討論了目前純電動汽車整車控制器的應(yīng)用前景和預(yù)測了其未來發(fā)展方向。

1 純電動汽車整車控制器發(fā)展概況

汽車工業(yè)至今己經(jīng)發(fā)展百年，作為推動人類文明向前飛躍的現(xiàn)代社會大工業(yè)的產(chǎn)物，汽車在給人類生活帶來方便舒適的同時，對大自然生態(tài)環(huán)境惡化有著不可推卸的責(zé)任[4]。

如何減少城市汽車尾氣排放成為世界上每個國家面臨的一個課題。電動汽車由于所需能源僅為電能，在運行過程中不會排放汽車尾氣，不會對城市空氣造成污染，所以，電動汽車成為了現(xiàn)在代步工具的一個研究焦點。

電動汽車是指全部或部分使用電能驅(qū)動電動機作為動力系統(tǒng)的汽車[5]，純電動整車控制系統(tǒng)是純電動汽車電控系統(tǒng)的上層控制部分[6]。是整個汽車的核心控制部件[7]。

1.1 國外發(fā)展?fàn)顩r

國外整車控制技術(shù)趨于成熟，大部分汽車企業(yè)在電動汽車領(lǐng)域積累了充足的經(jīng)驗，控制策略成熟度高，整車經(jīng)濟性良好[8]。如日產(chǎn)Leaf采用了一種基于前饋控制及反饋補償?shù)臏p震驅(qū)動控制策略，減輕了車輛在急加速過程中存在的沖擊、震動，提高了車輛的乘坐舒適性[9]。三菱i-MiEV提出了基于動力電池保護的驅(qū)動控制策略，充電時，控制充電電流的大小;放電時通過調(diào)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩的大小來使電池電壓及 SOC處于一個合理的范圍內(nèi)[10]。

美國是全世界對污染限制最嚴格的國家，也是最早研制成電動汽車的國家。美國政府以能源部為中心，對電動汽車的研制進行了連續(xù)的逐年遞增投人資金。1991年美國3大汽車公司簽訂協(xié)議，合作研究電動汽車用先進電池，合作開發(fā)高性能電動汽車電池[11]。

1.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

2007年11月國家發(fā)展和改革委員會制定的《新能源汽車生產(chǎn)準(zhǔn)入管理規(guī)則》正式實施，規(guī)則提出了新能源汽車的三大核心技術(shù)，分別為電機及電機控制技術(shù)、電池及電池管理技術(shù)、整車控制器及整車控制技術(shù)[12]。

國內(nèi)高校開發(fā)的整車控制器如天津大學(xué)[13]、北京理工大學(xué)[14]，其控制器基本結(jié)構(gòu)相同，硬件己實現(xiàn)模塊化設(shè)計，包括微控制器最小模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、繼電器驅(qū)動模塊、存儲器、CAN通信模塊、SCI通信模塊等。

國內(nèi)汽車企業(yè)如奇瑞公司、眾泰汽車公司等均對自行研發(fā)生產(chǎn)的電動汽車設(shè)計了整車控制器，在整車運行中整車控制器實現(xiàn)了對下層控制器的協(xié)調(diào)管理，并著重于能量管理策略開發(fā)，盡可能大的提高電動汽車續(xù)駛里程和安全性。并且對故障診斷的故障模式識別和診斷處理都進行了詳盡的設(shè)計。但是對于電機電池理論分析、控制策略的優(yōu)化和智能化控制策略的應(yīng)用還比較少，較多使用實用性強的控制策略[15]。

2 純電動車整車控制器功能與當(dāng)前軟件設(shè)計方案思路簡述

2.1 純電動車整車控制器功能

根據(jù)文獻[16]，整車控制器通過采集加速、制動踏板信號和檔位切換信號等駕駛信息，同時接收 CAN總線上電機控制器和電池管理系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，結(jié)合整車控制策略對這些信息的分析和判斷，提取司機的駕駛意圖（方向盤的轉(zhuǎn)動方向等）和車輛運行狀態(tài)信息，最后通過 CAN總線發(fā)出指令來控制各部件控制器的工作，保證車輛的正常行駛。

文獻指出[13]，對于純電動車而言，整車控制器應(yīng)該具有以下功能：

（1）對汽車行駛功能的控制

整車控制器通過對司機意圖的識別和車輛狀態(tài)的分析，包括加速踏板開度、制動踏板開度和檔位開關(guān)等內(nèi)容，在滿足車輛安全性的基礎(chǔ)上，對蓄電池放電電流和電機輸出轉(zhuǎn)矩進行控制，同時協(xié)調(diào)純電動汽車各功能模塊的正常工作，使得車輛各個部件能夠協(xié)調(diào)的運行，這是整車控制器最基本的功能。

（2）制動能量回收控制

純電動汽車區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的重要特征就是能夠進行制動能量回收，這是通過將純電動汽車的電機工作在再生制動狀態(tài)來實現(xiàn)，整車控制器分析駕駛員制動意圖、電池組狀態(tài)和電機狀態(tài)等消息，并結(jié)合制動能量回收控制策略，在滿足制動能量回收的條件下對電機控制器發(fā)送電機模式指令和轉(zhuǎn)矩指令，使得電機工作在發(fā)電模式，在不影響制動性能的前提下將電制動回收的能量儲存在電池組中，從而實現(xiàn)制動能量回收[18]。

（3）能量優(yōu)化控制和管理

為了使電動汽車能夠有最大的續(xù)駛里程，必須對能量進行優(yōu)化管理，以提高能量的利用率。

（4）車輛狀態(tài)的監(jiān)測和顯示

控制液晶顯示單元顯示車輛運行狀態(tài)。實時監(jiān)測車輛的狀態(tài)可以使駕駛員準(zhǔn)確了解車輛行駛狀態(tài)。整車控制器直接或者通過 CAN總線通信獲得車速、電池剩余電量、電機轉(zhuǎn)速、電流等車輛運行數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)通過液晶顯示單元進行顯示，便于駕駛員準(zhǔn)確掌握車輛整體運行狀況完成相應(yīng)操作[19]。

（5）故障診斷和處理

對整車控制系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，進行故障報警和診斷。故障指示燈指示出故障并進行報警。根據(jù)故障內(nèi)容，及時進行相應(yīng)安全保護處理。

2.2 整車控制器當(dāng)前軟件設(shè)計方案思路簡述

根據(jù)整車控制器的功能與要求，在整車控制器的設(shè)計開發(fā)過程中采取了模塊化的設(shè)計思想，整車控制器采集相應(yīng)的外部信號以及接收 CAN總線上的共享數(shù)據(jù)信號，對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理之后，以驅(qū)動信號或者命令的方式控制其它EUC單元完成相應(yīng)動作[1]。

2.2.1 MCU選型及原則

從文獻[21]可以看出，整車控制器MCU的選型，首先要考慮MCU的穩(wěn)定性、處理速度和片上資源盡量滿足整車控制器的控制需求，這樣就可以減少外圍器件的使用，使硬件結(jié)構(gòu)盡可能的簡化和緊湊；其次要考慮整車控制器的后續(xù)開發(fā)，即要預(yù)留MCU的一部分資源，以應(yīng)對后續(xù)對控制器的改進和升級；另外要考慮到所選MCU的使用范圍和使用率，要選擇在汽車上常用的芯片，供應(yīng)商批量生產(chǎn)并且被廣泛使用或者有很大可能即將大規(guī)模使用的微控制器；最后要考慮成本和經(jīng)濟性等方面因素。

綜合文獻[22]，CMU主要選擇飛思卡爾公司生產(chǎn)的16位雙核微控制器 MC9S12XDP512和飛索半導(dǎo)體專門為汽車電子器件設(shè)計的32位RISC架構(gòu)的MB91F526F微控制器。

2.2.2 系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)文獻[16]，整車控制器硬件電路設(shè)計，按照模塊化的設(shè)計思想和要求，根據(jù)整車控制器的功能要求，簡要介紹了微控制器電路、供電電源電路、CAN通訊電路等重要電路設(shè)計部分，在考慮整車控制器所工作的惡劣的電氣環(huán)境的前提下，特別注重電路的電磁兼容設(shè)計，采用了最新的汽車級芯片，提高了整車控制器的實時性、可靠性和集成度，同時進一步降低了功耗。

（1）電源電路設(shè)計

系統(tǒng)電源電路的作用是為單片機提供5V的外部供電電壓。而目前汽車上主流的電源電壓是12V，所以必須對電源電路進行設(shè)計。單片機每個電源端都選用盡量靠近單片機和接地端的去藕電容濾去高頻干擾[23]。

（2）時鐘電路

單片機系統(tǒng)運行需要的兩個最基本的條件是電源與時鐘。時鐘電路中的晶振為單片機系統(tǒng)提供時鐘，電路中各元件都應(yīng)以該時鐘頻率作為基準(zhǔn)有條不紊的工作[24]。

（3）復(fù)位電路與BDM電路

當(dāng)控制器檢測到需要復(fù)位時，它將寄存器和控制位設(shè)置成起始默認值，此時單片機系統(tǒng)開始工作。

BDM電路是單片機的調(diào)試電路。用戶可以通過BDM接口將程序下載到單片機，同時能夠通過上位機查看調(diào)試信息，包括CPU運行時的動態(tài)信息。

（4）CAN通訊電路

整車控制器設(shè)計了三路相互獨立的 CAN通訊電路，其中CAN1用于與電機控制器進行通訊，CAN2用于與電池管理系統(tǒng)進行通訊，CAN3用于與車載儀表進行通訊。這樣的設(shè)計能夠避免干擾和沖突，滿足多種情況下的 CAN通訊需求[25]。

（5）傳感器信號調(diào)理及驅(qū)動模塊電路設(shè)計

傳感器信號調(diào)理電路主要用于電子加速踏板和電子制動踏板的模擬電壓信號、鑰匙信號和檔位信號等開關(guān)量信號以及速度傳感器的脈沖信號的采集和處理。并將采集到的信號準(zhǔn)確可靠地傳輸回主控芯片，以使主控芯片可以實時地獲知駕駛員操作指令。驅(qū)動電路的作用是將主控芯片輸出的低功率開關(guān)量信號轉(zhuǎn)換成所需的大功率驅(qū)動信號，以達到驅(qū)動控制真空泵，冷卻水泵，冷卻風(fēng)扇繼電器的目的。

（6）制動能量回收

對于純電動汽車而言，由于在車體結(jié)構(gòu)中存在電動機，所以在制動控制過程中可以進行制動能量回饋[26]。制動能量回饋要綜合考慮汽車動力學(xué)特性，電機發(fā)電特性，電池安全保證與充電特性等多方面的問題。文獻[4]在做這部分設(shè)計時，進行了一個探索式嘗試 當(dāng)制動踏板踩下時，進入制動能量回饋模式?？刂破鞲鶕?jù)制動踏板位置和電機轉(zhuǎn)速，按照一定的比例關(guān)系向電機給出負力矩值，電機處于發(fā)電狀態(tài)，由此產(chǎn)生再生制動力矩，回饋整車的部分慣性能量，實現(xiàn)制動能量回饋。電機制動力矩的大小還受到電電池的soc狀態(tài)以及電機轉(zhuǎn)速等因素的限制，因此制動能量回饋力矩還要參考車輛系統(tǒng)提供的狀態(tài)參數(shù)進行修正[27]。

3 當(dāng)今純電動車整車控制器主要存在的問題及擬解決方案

3.1 當(dāng)今純電動車整車控制器主要存在的問題

（1）在電源設(shè)計方面，純電動車整車控制器設(shè)計部分存在一定的問題。整車控制器在實際工作中會出現(xiàn)供電過低或者過高狀態(tài)，會導(dǎo)致整車控制器在欠壓過壓情況下運行。如何設(shè)計一款能在不同電壓下穩(wěn)定工作的整車控制器，是當(dāng)前面臨的一個主要問題。

（2）續(xù)航里程方面?，F(xiàn)在大多數(shù)純電動汽車設(shè)計中，都有針對動力源和驅(qū)動部分進行設(shè)計和改進，但是真正能達到長途運行能力的汽車不多，最主要的原因就是能源的供給不滿足要求；

（3）純電動汽車行駛完全依賴電池的能量，電池容量越大，可以實現(xiàn)的續(xù)駛里程越長，但是電池的體積和重量也越大，會影響到其他的車輛性能。

3.2 擬解決方案

（1）使用抗干擾較強的芯片搭建5V電壓轉(zhuǎn)換電路，它的輸入電壓范圍為9V-18V隔離電源芯片，輸出穩(wěn)定的5V電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)過流、過壓和過溫保護，可以防止干擾從外部電源引入，適合汽車環(huán)境使用；

（2）與傳統(tǒng)汽車相比，純電動汽車能夠工作在再生制動模式，此時按照控制策略電機提供部分或者承擔(dān)全部的制動力，回收的制動能量可以沿著驅(qū)動軸傳送到蓄電池，這樣在保證汽車制動安全性的同時可以回收一部分的動能以供再次利用；

（3）采取“邊開邊充電”策略，在車輪上設(shè)置一個發(fā)電裝置，然后經(jīng)過整壓穩(wěn)流等措施調(diào)為滿足要求的電壓，供給蓄電池以增加續(xù)航；

（4）純電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施加快完善進度，保證足夠多的充電基礎(chǔ)設(shè)施；

（5）動力蓄電池組方面。在電池組的放電過程中，合理控制放電倍率及大倍率時的放電時間，可以提高電池組的工作效率，延長純電動汽車的續(xù)駛里程。

4 純電動汽車的應(yīng)用前景和預(yù)測其未來發(fā)展方向

進入21世紀(jì)以來，我國提出“節(jié)能和新能源汽車戰(zhàn)略”，政府高度關(guān)注新能源汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。在國家的倡導(dǎo)和支持下，我國各地有關(guān)節(jié)能與新能源車的產(chǎn)品研發(fā)及示范推廣可謂風(fēng)起云涌。

2016年1-月，新能源汽車生產(chǎn)17.7萬輛，銷售17.0萬輛，同比分別增長125%和126.9%。其中，純電動汽車產(chǎn)銷分別完成13.4萬輛和12.6萬輛。

2016年初，國家財政部等五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于“十三五”新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施獎勵政策及加強新能源汽車推廣使用的通知》。旨在加快推動新能源汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，培育良好的新能源汽車應(yīng)用環(huán)境，2016-2020年中央財政將繼續(xù)安排資金對充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、運營給予獎補。[28]

純電動汽車性能正在逐步改善，但與燃油車相比仍存在一定的差距，其發(fā)展受多方面因素的影響。根據(jù)發(fā)展的主導(dǎo)方式、技術(shù)水平、能源供給設(shè)施建設(shè)規(guī)模等特點，我國純電動汽車發(fā)展可分為2個階段，即示范應(yīng)用期和推廣成熟期。區(qū)分2個階段的主要標(biāo)志應(yīng)是純電動汽車發(fā)展由政府推動過渡為市場推動。

目前純電動汽車的發(fā)展處于示范應(yīng)用期時，純電動汽車技術(shù)趨向成熟，但經(jīng)濟性差；發(fā)展模式以政府主導(dǎo)的示范運行為主，依靠政府補貼，應(yīng)用數(shù)量相對較少，主要是定點、定線、定半徑運行的公共服務(wù)用車；在局部區(qū)域個人使用的微型電動汽車自發(fā)形成一定規(guī)模；能源供給設(shè)施的建設(shè)剛剛起步，主要是滿足純電動汽車的示范運行。相信在不遠的將來，隨著汽車技術(shù)的發(fā)展，越來越多的純電動車能滿足人們出行、城市節(jié)能排放的要求，為能源節(jié)約和環(huán)境保護增添一份光彩。

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A View of Pure electric vehicle controller test system

Deng Jie, Gou Xiaoyi, Song Chunhua, Wei Xingping, Xu Quan, Song Changlin
( School of mechanical engineering, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039 )

TH16 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-105-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.036

鄧杰，男，(1992-)，碩士研究生，就讀于西華大學(xué)機械工程學(xué)院。研究方向機械設(shè)計。茍小義，女，（1996-）本科生，自動化專業(yè)。宋春華，男，（1976-），博士，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向驅(qū)動技術(shù)與智能系統(tǒng)以及機電液控制。*四川省部級重點實驗室項目（szjj2015-045）和四川省教育廳重點項目（16202473）。