純電動汽車整車控制策略*

翟世歡 辛明華 于蘭

（天津清源電動車輛有限責任公司）

目前，空氣污染不斷加重，霧霾天氣已影響到人們的生活，國家越來越意識到節(jié)能和環(huán)保的重要性。能源危機以及環(huán)境惡化2大問題亟待人類去解決。純電動汽車以零污染和零排放的優(yōu)點受到人們的青睞，研發(fā)和推廣純電動汽車是緩解能源和環(huán)境危機的重要手段。純電動汽車作為新能源汽車的一個重要成員，飽含著國家對新能源汽車發(fā)展的期望[1]。文章從純電動汽車整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，著重闡述整車控制單元及相關(guān)控制策略，力求能對新能源汽車的研究和開發(fā)起拋磚引玉的作用[2]。

1 純電動汽車系統(tǒng)概述

1.1 純電動汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

純電動汽車僅僅依靠動力電池組提供的電能作為動力源驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動，以此為整車提供動力。純電動汽車結(jié)構(gòu)主要包括電機驅(qū)動系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、整車控制單元、充電控制單元、電源變換裝置（DC/DC）及儀表顯示系統(tǒng)等。其基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示[3-4]。

電池及管理系統(tǒng)為整車的能量來源；電機及控制系統(tǒng)為整車提供動力；整車控制器（VCU）采集擋位信號和踏板信號等，控制電池的放電及電機的運行；充電機為電池組充電；電機控制系統(tǒng)將電池組的直流高壓電轉(zhuǎn)換成交流電驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，為整車提供動力；儀表為駕駛者提供車輛運行狀況信息。

1.2 純電動汽車整車控制器

VCU為純電動汽車的調(diào)度控制中心，負責與車輛其他部件進行通信，協(xié)調(diào)整車的運行。

VCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其主要包含電源電路、開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊及CAN通訊模塊。電源模塊從車載蓄電池取電，開關(guān)量輸入模塊接收的信號主要有鑰匙信號、擋位信號及制動開關(guān)信號等；開關(guān)量輸出信號主要是控制繼電器，其在不同整車系統(tǒng)中意義略有不同，一般情況下控制如水泵繼電器、風扇繼電器、EV繼電器及PTC繼電器等。模擬量輸入模塊采集加速踏板和制動踏板開度信號及蓄電池電壓信號等。CAN模塊負責與整車其他設備通信，主要設備有電機控制器（MCU）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、顯示儀表、DC/DC模塊及充電機等[5]。

2 純電動汽車整車控制策略

VCU主要功能有：1）整車通信網(wǎng)絡管理；2）整車工作模式控制；3）接收駕駛員指令，輸出電機驅(qū)動扭矩；4）整車能量管理；5）監(jiān)測和協(xié)調(diào)管理車上其他電器；6）系統(tǒng)狀態(tài)儀表顯示。

2.1 整車通信管理

根據(jù)圖1，整車系統(tǒng)通過CAN通信網(wǎng)絡將各個子控制系統(tǒng)連接在一起。整車系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖，如圖3 所示[6]。

VCU通過CAN網(wǎng)絡接收BMS發(fā)送的電池各項信息，計算得出電機控制信息，并把此信息通過網(wǎng)絡發(fā)送到MCU端。當汽車充電時，BMS與充電機進行通信，控制充電機輸出所需的電壓和電流，完成充電功能。車載顯示系統(tǒng)獲取CAN網(wǎng)絡中的所需信息，并將其顯示給用戶。VCU起到協(xié)調(diào)管理整個通信網(wǎng)絡的功能，是各個子設備的通信服務端。

2.2 整車工作模式控制

VCU工作模式，如圖4所示[7]。

2.2.1 充電模式

通過打開充電門，VCU被觸發(fā)上電。在檢測到充電連接信號后，VCU啟動BMS，然后BMS與充電機進行通信，啟動充電過程，VCU持續(xù)監(jiān)測BMS的報文信息。充電過程出現(xiàn)故障時，VCU會及時切斷BMS繼電器，以中斷充電過程，防止發(fā)生危險事故。

2.2.2 上電模式

駕駛員打開鑰匙開關(guān)，VCU觸發(fā)上電，首先進行系統(tǒng)自檢，然后閉合BMS繼電器，控制電池系統(tǒng)上電，最后控制電機預充電過程，使電機系統(tǒng)上電。當整車所有設備都正常啟動后，系統(tǒng)進入READY狀態(tài)，指示可以進行正常駕駛操作。

2.2.3 行車模式

系統(tǒng)完成正常上電后，VCU采集來自駕駛?cè)藛T的控制信號（擋位信號、加速踏板及制動踏板信號等），并根據(jù)系統(tǒng)的限制條件，經(jīng)算法運算向MCU輸出驅(qū)動扭矩，控制汽車的運行。

2.2.4 制動模式

相比傳統(tǒng)燃油車，電動汽車的制動過程可以實現(xiàn)能量回收。當電動汽車處于制動狀態(tài)時，VCU通過狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，推算所需的制動扭矩。此時驅(qū)動電機從工作模式轉(zhuǎn)換為發(fā)電機模式向電池組充電。

2.2.5 故障模式

整車故障一般分為2級（1級故障和2級故障）。故障來自于VCU，BMS，MCU及DC/DC變換器等終端設備。這里定義1級故障為嚴重故障，2級故障為一般故障。整車系統(tǒng)出現(xiàn)2級故障時，汽車進入跛行故障模式，主要以限制系統(tǒng)輸出功率的方式實現(xiàn)。整車系統(tǒng)出現(xiàn)1級故障時，整車系統(tǒng)進入緊急停止工作狀態(tài)。

2.2.6 停車模式

停車模式是整車運行過程中無故障出現(xiàn)，駕駛者正常關(guān)閉鑰匙，此模式中VCU控制電機和電池系統(tǒng)下電，然后控制各個附件設備關(guān)閉，完成自下電過程。

2.3 整車驅(qū)動系統(tǒng)控制

純電動車的整車驅(qū)動系統(tǒng)由電機和電機控制系統(tǒng)組成，并通過CAN總線方式與整車網(wǎng)絡通信。

1）VCU通過采集到的踏板開度信號和擋位信號，參考電池信息，經(jīng)過轉(zhuǎn)矩計算，得出最后的扭矩信息。扭矩信息通過CAN總線由VCU發(fā)送到MCU，MCU收到相應的控制信號后，執(zhí)行對應的動作。

2）電機控制系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)矩控制方式和轉(zhuǎn)速控制方式。VCU通過所發(fā)送的控制模式選擇位來確定MCU的控制模式。

在轉(zhuǎn)矩控制模式下，VCU向MCU發(fā)送的信息為電機輸出轉(zhuǎn)矩值、電機運行方向及電機運轉(zhuǎn)模式等。在轉(zhuǎn)速控制模式下，VCU向MCU發(fā)送的信息變?yōu)殡姍C輸出轉(zhuǎn)速值、電機運行方向及電機運轉(zhuǎn)模式等。

3）根據(jù)汽車的運行狀況，電機運轉(zhuǎn)模式分為電動模式和發(fā)電模式。電動模式下整車運行在驅(qū)動狀態(tài)，汽車屬于行駛狀態(tài)；發(fā)電模式下整車運行在滑行或制動狀態(tài)，實現(xiàn)制動能量的回饋。

4）電機控制系統(tǒng)在運行狀態(tài)下，MCU實時向VCU上報狀態(tài)信息和故障信息，并在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時做出及時處理。VCU接收到MCU的各項信息后，會根據(jù)信息的內(nèi)容對整車系統(tǒng)做出合理的控制。

5）MCU能夠提供的狀態(tài)信息有：電機轉(zhuǎn)速、電機轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)矩極限值、電機運行狀態(tài)、電機運轉(zhuǎn)模式、電機運行電流和電壓值、電機溫度信息、風扇運行狀態(tài)及水泵運行狀態(tài)等。MCU能夠提供的故障信息有：直流側(cè)電壓故障、IGBT故障、過流、散熱器過熱、超載及超速等。

2.4 整車能量優(yōu)化控制

純電動汽車整車能量的唯一來源為電池組，被BMS有序管理。VCU通過總線與BMS通信[8]。

1）BMS能夠向VCU上報剩余電量信息、電池箱總電壓和總電流、電池系統(tǒng)溫度信息、電池輸出繼電器狀態(tài)、以及電池組最大放電電流、最大回充電流及故障報警信息等。

2）VCU根據(jù)汽車控制策略以及來自總線上的電池狀態(tài)和電機狀態(tài)信息以閉合或者斷開BMS的總正/負繼電器，完成高壓回路的閉合和斷開功能。

3）與傳統(tǒng)燃油車相比，電動汽車能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回饋功能。當整車處于減速滑行或制動狀態(tài)時，VCU控制汽車產(chǎn)生再生制動力矩，使電機發(fā)電，并將電機發(fā)出的電能回充到蓄電池中，以實現(xiàn)有效的制動能量回收。

制動能量回收的程度由VCU通過收到的制動踏板開度、電池剩余電量及電機轉(zhuǎn)速等信息計算得到。當電機轉(zhuǎn)速較低時，制動回饋能量較低，隨著電機轉(zhuǎn)速增加，制動回饋能量也會相應增加；制動回饋程度隨制動深度的增加而增加；其他條件不變時，當電池剩余電量較高時，制動回饋程度會降低，反之會增加。

2.5 汽車狀態(tài)的顯示

VCU對汽車的狀態(tài)信息進行采集和處理，將重要的狀態(tài)和故障信息發(fā)送給儀表進行顯示，其顯示的主要內(nèi)容有：車速信息、電機轉(zhuǎn)速、電池剩余電量、電機故障信息及電池故障信息等。

3 整車控制器開發(fā)流程

作為純電動汽車系統(tǒng)的核心部件，VCU的開發(fā)主要根據(jù)整車的控制需求以及性能指標進行，而且VCU開發(fā)過程中需要各種不同的測試試驗，而這些整車性能測試試驗耗時較長，因此整個開發(fā)過程需要引入仿真手段，以縮短VCU開發(fā)的周期。文章將開發(fā)流程分為整車系統(tǒng)分析計算、系統(tǒng)建模仿真、半實物硬件在環(huán)仿真、實車臺架及道路試驗4個階段[9]。

3.1 整車系統(tǒng)分析計算

VCU開發(fā)的最初階段，要分析系統(tǒng)的需求，包括整車系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成和性能參數(shù)。分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成，可以確定VCU相關(guān)接口的配置需求，進而確定VCU的硬件電路原理圖。整車系統(tǒng)的性能參數(shù)包括一般性參數(shù)、動力性參數(shù)及制動性能參數(shù)。這些參數(shù)的確定可以得出整車系統(tǒng)的續(xù)駛里程、動力性能及制動性能等數(shù)據(jù)，為VCU的仿真研究做好準備。

3.2 整車控制器系統(tǒng)建模仿真

由3.1節(jié)已經(jīng)得到整車系統(tǒng)的各項參數(shù)指標，在仿真軟件中（如Cruise，Advisor）搭建系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)VCU的控制策略。仿真可以初步確定整車的續(xù)駛里程、最高車速及最大爬坡度等。

3.3 整車控制器半實物硬件在環(huán)系統(tǒng)仿真

經(jīng)過軟件建模仿真后，VCU的硬件系統(tǒng)和控制策略基本確定。因此，可以據(jù)此設計VCU的硬件電路和相應控制策略，編寫VCU的軟件程序。

硬件在環(huán)仿真是在VCU硬件電路板和軟件程序已設計完成的前提下，對所設計的整車系統(tǒng)進行離線實物仿真的過程。

目前比較常用的是通過dSPACE設備搭建整車的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。dSPACE設備通過板卡與PC機通訊，通過綜合試驗環(huán)境ControlDesk軟件實現(xiàn)部分控制信號的下發(fā)和仿真結(jié)果的實時顯示，并通過硬線接口與設計好的VCU連接。此外，一些控制信號（如擋位、加速踏板及制動踏板信號）亦可以通過硬線連接將信號輸入到dSPACE設備中。dSPACE在環(huán)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

3.4 實車臺架及道路試驗

VCU通過了硬件在環(huán)仿真后，便可以進入實測階段，實車測試分為臺架試驗和道路試驗。

測試過程首先需要進行臺架試驗，其主要目的是保證VCU進行后續(xù)道路試驗的安全性，減少系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率，優(yōu)化系統(tǒng)的控制參數(shù)。

臺架試驗設備包括VCU、電機系統(tǒng)及電池系統(tǒng)等，試驗主要驗證VCU硬件系統(tǒng)是否穩(wěn)定，軟件控制策略和故障處理是否正確。

為了完全且真實的驗證VCU的性能指標，測試試驗還需要進行道路試驗。通過試驗結(jié)果，試驗者可以進一步優(yōu)化驅(qū)動策略、制動回饋策略、能量管理策略及CAN通訊調(diào)度參數(shù)等。

4 結(jié)論

純電動汽車整車控制是系統(tǒng)以VCU為核心部件，電池、電機及充電系統(tǒng)為外圍輔助系統(tǒng)的一套完整的電控系統(tǒng)。純電動汽車整車控制策略究其根本就是VCU的策略，包括整車網(wǎng)絡管理、整車工作模式控制、驅(qū)動控制及能量管理等。而VCU的開發(fā)包括了系統(tǒng)分析、系統(tǒng)建模仿真驗證及實車驗證測試等。文章所論述的有關(guān)純電動汽車的控制策略及整車開發(fā)的流程是新能源汽車開發(fā)過程中必須考慮的，從實踐層面上對整車開發(fā)有一定的指導意義[10]。