新能源汽車整車控制器的改進設計與應用研究

陳萬武 盧俊康 夏淋

摘 要：本文介紹了整車控制器的功能作用，并建立在現(xiàn)有整車控制器的基礎上進行改進設計，對改進后整車控制器在新能源汽車上的應用進行研究分析。

關鍵詞：新能源汽車;整車控制器;設計;應用

0 引言

隨著新能源汽車的普及推廣，因其環(huán)保、低成本、駕駛體驗好等受到人們的青睞。但是在發(fā)展過程中，新能源汽車容易受到的干擾因素也同樣不容忽視，為提高用戶駕駛體驗，本文將對整車控制器的應用技術進行研究分析，并通過試驗證明可行性。

1 整車控制器的功能

作為新能源汽車的核心零部件，整車控制器對汽車的各種信息進行檢測、對車內(nèi)通信網(wǎng)絡和異常信息進行監(jiān)控等，能夠提高駕駛性能，保障車輛整車行駛[4]。為了提升續(xù)航與降低能耗，新能源汽車均配備了動能回收系統(tǒng)，將充電與制動的能量進行回收，以此提升能量使用效率。整車控制器在完成動能控制的同時，還負責調(diào)控新能源汽車的各個子系統(tǒng)，故整車控制器的設計對于汽車的動力性、經(jīng)濟性與可靠性的影響十分重要。

圖1為新能源汽車控制器結(jié)構(gòu)原理圖。其具體功能如下：一是設備管理功能，整車控制器對新能源汽車的各個設備運行狀態(tài)實時監(jiān)控，并針對具體情況及時做調(diào)整;二是故障診斷功能，整車控制器對汽車出現(xiàn)的異常情況進行診斷分析、預警提示與修復管理工作;三是系統(tǒng)控制功能，整車控制器根據(jù)駕駛員加速踏板的位置、擋位以及制動踏板力進行響應操作，協(xié)調(diào)各個動力部件的運作，實現(xiàn)動態(tài)控制;四是能量管理功能，通過采集司機的操作信號與汽車的實際情況對整車進行調(diào)整，從而達到優(yōu)化能量提供、延長汽車壽命、提升汽車經(jīng)濟性的目的。

2 整車控制器的設計改進

為保證新能源汽車正常運行需求，下面將在部分功能保留的前提下，對整車控制器中的機械結(jié)構(gòu)、安全架構(gòu)、電路改造、平臺軟件四個層面進行改進設計。

2.1 機械結(jié)構(gòu)

為確保汽車具有較高的行駛安全性，對整車控制器外殼進行改造升級，選用壓鑄鋁材質(zhì)防護等級高且厚度較薄的材料。在控制器內(nèi)部增加氣塞，將整車控制器產(chǎn)生的熱量傳導至冷卻裝置，降低整車控制器電路板溫度的同時，還能做到平衡控制器內(nèi)外壓力，達到保護控制器的目的。

2.2 安全架構(gòu)

結(jié)合人工智能技術，硬件系統(tǒng)采用AI+安全雙芯片架構(gòu)，獨立的雙電源供電系統(tǒng)以及借助扭矩傳感器的雙路冗余信號數(shù)據(jù)采集，控制器芯片與安全監(jiān)控芯片內(nèi)部通過SPI總線系統(tǒng)與CAN通訊系統(tǒng)進行聯(lián)系。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠根據(jù)預先設定的規(guī)則對汽車工作模式進行研判，及時發(fā)現(xiàn)并處理故障[3]。

2.3 電路改造

將電路進行模塊化設計可以降低設計難度與縮短開發(fā)周期，同時有利于PCB電路布局優(yōu)化及提高系統(tǒng)抗干擾能力。具體如下：

①處理器模塊。利用SPI通訊技術與CAN通訊技術，在主控芯片與安全監(jiān)控芯片中建立連接，實現(xiàn)信息傳遞與監(jiān)控功能。②電源模塊。重點突出電源的保護功能，提高電池本體在新能源汽車上的穩(wěn)定性。③數(shù)字輸入模塊：分為高有效輸入信號與低有效輸入信號。④傳感器驅(qū)動模塊：提供傳感器信號采集電路。⑤輸出驅(qū)動模塊：分為高邊輸出驅(qū)動與低邊輸出驅(qū)動。⑥CAN通訊模塊：將外部通信電路與內(nèi)部電路隔離開來，組織電路耦合產(chǎn)生的電磁干擾[5]，實現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)的傳輸。

2.4 平臺軟件

整車控制器底層軟件平臺主要負責單片機初始化設置、CAN總線信號的實時收發(fā)與其余輸出或輸入信號的診斷，它在控制器硬件與上層控制策略之中發(fā)揮承上啟下的作用。圖2為整車控制器軟件建立模型，整個流程從“上電喚醒”開始至“下電停機”結(jié)束，過程中通過故障診斷完成自檢工作、通過高壓管理實現(xiàn)汽車控制工作。

3 改進后整車控制器在新能源汽車上的應用

3.1 動力及車身控制

整車控制器相當于汽車的大腦，通過采集各部件信號來驅(qū)動車輛運行。因此整車控制器的策略需要針對汽車的設計要求進行調(diào)整：一是將控制命令數(shù)據(jù)發(fā)送至電機，驅(qū)動電機實現(xiàn)限電、停機等功能;二是當電機運行溫度過高或轉(zhuǎn)速過快時，整車控制器發(fā)送限制指令，對電機實施限流驅(qū)動，同時通過車載智能系統(tǒng)向駕駛?cè)藛T發(fā)出警報;三是當汽車電池電壓不足時，整車控制器將停止發(fā)出指令，使整車進入停機狀態(tài)。汽車廠商出于安全考慮，會在距離極限值一定范圍內(nèi)設置臨界值，用以提前告知駕駛員電力不足，同時車輛將采取類似其余省電措施用以優(yōu)先保障汽車動力。四是自帶保護功能，當加速踏板超出限定值時，整車控制器向驅(qū)動電機發(fā)送限制指令，在防止車輛失控的同時實現(xiàn)對電機的保護。五是整車控制器將通過各項設備如儀表盤、BMS管理系統(tǒng)等信息對車輛故障進行判斷，并主動進行維護，確保車輛能夠正常運行。

3.2 運行效果

整車控制器在新能源車輛實際運行過程中，將故障信息進行收集并通過策略調(diào)整對車輛進行保護作用。比如在低溫環(huán)境下，整車控制器對周邊環(huán)境溫度與電池進行收集，當檢測到電池溫度小于預設的最低值時，整車控制器將會發(fā)送指令對電機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號進行切斷;當溫度上升時，整車控制器逐漸解除限制。此外，整車控制器通過分析油門踏板的信號數(shù)據(jù)，調(diào)整控制策略，有效防止因油門踏板的干擾而出現(xiàn)的安全問題。

4 結(jié)論

本文通過分析新能源汽車對駕駛方面的功能需求，進行了機械結(jié)構(gòu)、安全架構(gòu)、電路改造、平臺軟件的改進設計。改進后的整車控制器在新能源汽車的實際應用中，兼容性、安全性及經(jīng)濟性都有所提升。相信隨著科技技術的不斷發(fā)展，新能源汽車的能源與資源利用效率將不斷提升。

參考文獻：

[1]童志剛，方進，鐘崢華.電動汽車整車控制器設計與應用[J].客車技術與研究，2013（3）：33-36.

[2]任亮.新能源汽車整車控制器的改進設計與應用研究[J].價值工程，2020，9（15）：140-141.

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[4]許志鴻，黃志騰，梁星.純電動汽車整車控制器研究[J].南方農(nóng)機，2019（8）：146.

[5]楊洪，蔣麗萍，劉夢，等.純電動皮卡車整車控制器設計[J].科技與創(chuàng)新，2019（9）：120-121.