電動(dòng)輪汽車整車控制系統(tǒng)及控制策略研究

王 偉

（上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司，上海201804）

1 整車結(jié)構(gòu)

電動(dòng)輪汽車凈重325．25kg，可乘坐2人，采用鋰電池作為動(dòng)力源，置于車座后方；4個(gè)車輪由獨(dú)立的永磁無(wú)刷直流輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)電機(jī)額定功率1kW，額定電壓48V；4個(gè)電機(jī)控制器分別放置在電動(dòng)輪附近的懸架上，額定電壓48V。整車管理系統(tǒng)（Vehicle Management System）與4個(gè)分模塊組成轉(zhuǎn)矩分配的CAN網(wǎng)絡(luò)，按照J(rèn)1939標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定5個(gè)節(jié)點(diǎn)相應(yīng)單元的發(fā)送地址、接收地址、報(bào)文編號(hào)和優(yōu)先級(jí)，從而完成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制。同時(shí)，電池管理系統(tǒng)（Battery Management System）、CAN儀表也分別作為CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。BMS將電池的電壓、電流、電量等工作參數(shù)以一定周期發(fā)送至VMS，反映在儀表上或控制策略里。電動(dòng)輪汽車參數(shù)如表1所示，電動(dòng)輪汽車結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 電動(dòng)輪汽車參數(shù)

圖1 電動(dòng)輪汽車結(jié)構(gòu)

2 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整車電控系統(tǒng)主要包括整車管理系統(tǒng)和4個(gè)分控制模塊，模塊之間以CAN網(wǎng)絡(luò)為通道進(jìn)行轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等信息的傳遞和共享。此外，方向盤轉(zhuǎn)角傳感器、油門踏板、制動(dòng)踏板3路模擬信號(hào)，各類開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入，儀表顯示輸出均由主模塊根據(jù)駕駛?cè)藛T的具體操作和電池、電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整控制。

2．1 儀表

采用的儀表為普通機(jī)械式，供電12V，顯示信息包括電池的電量、電壓、電流和電動(dòng)汽車的行駛速度，以及左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、充電連接等各種指示燈，還有電機(jī)過(guò)熱、控制器過(guò)熱等報(bào)警信號(hào)。若直接使用主控制模塊的I／O控制儀表，不僅線束復(fù)雜，而且易受干擾，基于以上考慮，在儀表內(nèi)加入8位帶CAN控制器的單片機(jī)，這樣利用CAN通信接收VMS發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，帶來(lái)了很大方便。

儀表內(nèi)部8位單片機(jī)采用NEC公司產(chǎn)品μPD78F0883，主要資源包括37個(gè)I／O口、5個(gè)8位／16位定時(shí)器、1路CAN控制器等，可以使用8MHz外部晶振，定時(shí)器達(dá)到微秒級(jí)，而且有多路倍頻，完全符合應(yīng)用需求。具體操作時(shí)，首先制定通訊協(xié)議，按照J(rèn)1939標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定此節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的收發(fā)地址、優(yōu)先級(jí)等內(nèi)容。這樣駕駛員對(duì)各種開(kāi)關(guān)量的每一次動(dòng)作都會(huì)使VMS輸入口發(fā)生變化，于是發(fā)送的數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)變化。儀表內(nèi)部節(jié)點(diǎn)將收到的數(shù)據(jù)從I／O口、定時(shí)器口輸出驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的指示燈，電壓、電流等模擬量。

2．2 輪轂電機(jī)

輪轂電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)由于電機(jī)電制動(dòng)容量較小，不能滿足整車制動(dòng)效能的要求，通常需要附加機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。輪轂電機(jī)系統(tǒng)中的制動(dòng)器可以根據(jù)結(jié)構(gòu)采用鼓式或者盤式制動(dòng)器。由于電機(jī)電制動(dòng)容量的存在，往往可以使制動(dòng)器的設(shè)計(jì)容量適當(dāng)減小。大多數(shù)輪轂電機(jī)系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，也有采用水冷和油冷的方式對(duì)電機(jī)、制動(dòng)器等的發(fā)熱部件進(jìn)行散熱降溫，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

本電機(jī)為低速外轉(zhuǎn)子型，最高轉(zhuǎn)速在510r／min左右，無(wú)任何減速裝置，電機(jī)的外轉(zhuǎn)子與車輪的輪輞固定或者集成在一起，車輪的轉(zhuǎn)速與電機(jī)相同。

2．3 電機(jī)控制器

本電動(dòng)輪汽車采用的電機(jī)控制器線束主要有6條，不僅包括電機(jī)控制器電源輸入端、電機(jī)控制器輸出輪轂電機(jī)的三相信號(hào)、0～5V的調(diào)速信號(hào)線、剎車信號(hào)線，還包括電流狀態(tài)輸出信號(hào)（5A時(shí)輸出1V左右，10A輸出2V左右……25A輸出5V左右，信號(hào)為0～5V不同占空比的方波信號(hào)）、保護(hù)指示（堵轉(zhuǎn)保護(hù)、防飛車保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)時(shí)，輸出5V；油門踏板復(fù)位后退出保護(hù)狀態(tài)，輸出0V），以及模擬霍爾信號(hào)輸出（輸出0～5V相同占空比的方波信號(hào)，每23個(gè)周期信號(hào)等于電機(jī)轉(zhuǎn)速1r），并且包括倒車地線、倒車信號(hào)線（接地時(shí)為倒車狀態(tài)，倒車最大速度為全速的50%，前進(jìn)時(shí)倒車無(wú)效，減速停止后進(jìn)入倒車狀態(tài)）。

2．4 整車管理系統(tǒng)

整車管理系統(tǒng)采用NEC的32位單片機(jī)μPD70337A作為芯片，可以使用8MHz外部晶振，經(jīng)過(guò)倍頻后頻率最高可達(dá)32MHz，運(yùn)算在微秒級(jí)，滿足采樣要求；具有3個(gè)16位計(jì)數(shù)器，支持多路分頻、PWM輸出模式，這樣可以直接用數(shù)字量控制儀表的電壓、電流等模擬量；具備16路10位分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器；2路CAN通道：CAN0有14組數(shù)據(jù)緩沖器，每個(gè)可傳送8字節(jié)數(shù)據(jù)，即完成一幀的收發(fā)；CAN1有17組數(shù)據(jù)緩沖器。VMS與BMS有一幀的接收與4個(gè)分模塊8幀的接收，可見(jiàn)完全滿足要求。

電動(dòng)輪汽車整車控制系統(tǒng)由整車管理系統(tǒng)和4個(gè)分布控制模塊組成。主模塊與分模塊通過(guò)CAN通訊完成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等信息的處理和傳遞，從而實(shí)現(xiàn)各種控制算法和策略，達(dá)到穩(wěn)定、安全的目的。另外，主模塊還包括電源轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換（A／D）、輸入／輸出口（I／O）3大部分。諸如油門踏板、制動(dòng)踏板這樣的模擬信號(hào)通過(guò)A／D轉(zhuǎn)換以一定的采樣周期采集到單片機(jī)的寄存器中，然后以一定的策略由CAN發(fā)送到分模塊。類似鑰匙、喇叭開(kāi)關(guān)、儀表中的指示燈等開(kāi)關(guān)量，則采用輸入／輸出口來(lái)實(shí)現(xiàn)具體的功能。

3 整車電控系統(tǒng)CAN節(jié)點(diǎn)布置方案

整車電控系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括VMS和4個(gè)控制分模塊（圖2）。采用主模塊中的一路CAN通道掛載4個(gè)控制分模塊，另一路CAN通道掛載儀表、BMS。然后根據(jù)J1939標(biāo)準(zhǔn)在報(bào)文的標(biāo)識(shí)符場(chǎng)中設(shè)定各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送單元、接收單元的地址、優(yōu)先級(jí)、報(bào)文編號(hào)。

圖2 CAN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在采用J1939應(yīng)用層協(xié)議時(shí)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用為總線消息編排一個(gè)合理的總線仲裁優(yōu)先順序，以改善CAN通訊的實(shí)時(shí)性。在本應(yīng)用場(chǎng)合，主模塊發(fā)給分模塊的控制命令比分模塊的反饋信息具有更高的優(yōu)先級(jí)。此外，中央控制器發(fā)往4個(gè)車輪控制器的指令必須同步，才能為后續(xù)控制提供可靠的前提。

分模塊分別控制電動(dòng)輪汽車的左前輪、右前輪、左后輪和右后輪。主模塊發(fā)出的CAN消息數(shù)據(jù)場(chǎng)結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 VMS報(bào)文內(nèi)容

分模塊向中央控制器反饋當(dāng)前狀態(tài)信息的CAN消息數(shù)據(jù)場(chǎng)結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 分模塊報(bào)文內(nèi)容

儀表中需要顯示的電壓、電流、電量、里程等模擬量，都是通過(guò)內(nèi)部芯片的8位定時(shí)器輸出口以脈寬調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)，具體標(biāo)定計(jì)算在VMS中已經(jīng)做好，以下是CAN消息數(shù)據(jù)場(chǎng)結(jié)構(gòu)（表4）。

表4 儀表報(bào)文內(nèi)容

BMS連接著采集模塊，可以實(shí)時(shí)采集計(jì)算出電池組的總電壓、總電流、荷電總量等信息量，以下是CAN消息數(shù)據(jù)場(chǎng)結(jié)構(gòu)（表5）。

表5 BMS報(bào)文內(nèi)容

4 整車保護(hù)策略

整車保護(hù)策略主要是針對(duì)電動(dòng)輪汽車上的核心部件即電機(jī)、電機(jī)控制器及電池。

電機(jī)保護(hù)主要包括溫度保護(hù)、過(guò)流保護(hù)及欠壓保護(hù)。市場(chǎng)上采用的某些電機(jī)、電機(jī)控制器已經(jīng)加入了溫度傳感器，并在電機(jī)控制器中加入了CAN控制模塊，這樣就可以由主模塊通過(guò)CAN通訊實(shí)時(shí)了解到電機(jī)、電機(jī)控制器的溫度，并根據(jù)該電機(jī)、電機(jī)控制器的實(shí)際特性作出保護(hù)。例如，若電機(jī)、電機(jī)控制器的工作溫度范圍是－20～85℃，則可以設(shè)定70℃為限制運(yùn)行溫度。當(dāng)小于限制溫度時(shí)，電機(jī)全工運(yùn)行；當(dāng)大于限制溫度時(shí)，電流固定在一個(gè)門限值。同樣，過(guò)流保護(hù)也可以通過(guò)設(shè)置閾值來(lái)進(jìn)行。當(dāng)電流超過(guò)此閾值若干秒時(shí)，就可以由主模塊發(fā)出警報(bào)信號(hào)，并通過(guò)踏板復(fù)位退出保護(hù)狀態(tài)。欠壓保護(hù)是指當(dāng)電機(jī)電壓低于某一閾值時(shí)，電機(jī)進(jìn)入限壓運(yùn)行狀態(tài)。

電池保護(hù)得益于電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用。BMS上有若干采集模塊可以采集單體電池的電壓、電流、溫度，還可以實(shí)時(shí)計(jì)算出電池組的當(dāng)前總電壓、總電流、溫度及荷電狀態(tài)（SOC），并根據(jù)單體電池當(dāng)前的狀態(tài)發(fā)出報(bào)警信息，如單體電壓過(guò)大、放電電流峰值過(guò)大、溫度過(guò)高、節(jié)點(diǎn)通信錯(cuò)誤等。VMS將接收到的電壓、電流、荷電狀態(tài)、報(bào)警信息輸出到儀表中顯示，使駕駛者可以及時(shí)作出反應(yīng)，從而達(dá)到保護(hù)的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

整車電控系統(tǒng)在整個(gè)電動(dòng)輪汽車中處于核心地位，只有完善的控制系統(tǒng)，才能在以后的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中為電動(dòng)輪汽車其他方面的深入研究提供很好的借鑒。

［1］傅世樞．汽車趨勢(shì)——世界迎來(lái)電動(dòng)輪汽車的新時(shí)代［N］．中國(guó)青年報(bào)，2006－01－05

［2］王玲瓏，黃妙華．輪轂式電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展綜述［J］．北京汽車，2007（1）