基于雙路CAN總線的電動(dòng)大客車整車控制器研究

林 程，周 輝，孫逢春，南金瑞

Lin Cheng，Zhou Hui，Sun Fengchun，Nan Jinrui

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京 100081）

早期電動(dòng)大客車的控制策略主要是以電機(jī)為主、基于速度控制的控制策略[1]。電動(dòng)大客車是一個(gè)整體，各個(gè)部件單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)給客車整車性能的發(fā)揮帶來(lái)了很大影響。整車控制器是汽車尤其是電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的核心，整車控制策略是汽車控制系統(tǒng)的靈魂，能夠在分析駕駛員的駕駛意圖、行駛工況以及各部件狀態(tài)等信息的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)各部件之間的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多能源管理和控制、故障診斷及處理和整車狀態(tài)監(jiān)視等功能。

1 整車控制器硬件設(shè)計(jì)1

BK6121是一款以服務(wù)北京2008年奧運(yùn)會(huì)為目標(biāo)的純電動(dòng)低地板概念車，能量源為鋰離子動(dòng)力電池，車上裝有電機(jī)控制器、ABS（Antilock Brake Systern，制動(dòng)防抱死系統(tǒng)）、蓄電池管理系統(tǒng)、AMT（Automated Mechanical Transmission，自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)）、EPS（Electric Power Steering，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)）、車身中央控制器模塊、駕駛室顯示系統(tǒng)、充電機(jī)控制系統(tǒng)、調(diào)度控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)[2]。如果按照傳統(tǒng)方式安裝各個(gè)系統(tǒng)，不僅給安裝帶來(lái)麻煩，增加維修難度，而且各個(gè)部件不能協(xié)調(diào)工作，導(dǎo)致電動(dòng)汽車無(wú)法發(fā)揮整車最佳性能。開(kāi)發(fā)以CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣橘|(zhì)的整車控制器，可以通過(guò)CAN總線來(lái)接收信息及傳達(dá)指令，將電動(dòng)大客車連為一個(gè)整體，使整車性能達(dá)到最優(yōu)。

1.1 整車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動(dòng)大客車對(duì)整車控制的實(shí)時(shí)性要求比較高，所以要求信號(hào)的傳輸速度要快，對(duì)比各種傳輸線，具有高傳輸速率且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的CAN總線[3]可以滿足要求。電動(dòng)大客車的能量源是鋰離子電池，相比內(nèi)燃機(jī)汽車，鋰離子電池的單體電壓也需要被監(jiān)測(cè)。電動(dòng)大客車鋰離子電池有100多組，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比內(nèi)燃機(jī)車要多，如果采用單路CAN總線，就容易出現(xiàn)類似交通堵塞的數(shù)據(jù)堵塞情況，導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)癱瘓。通過(guò)增加道寬可以解決交通堵塞，同樣可以采用相同的辦法解決數(shù)據(jù)傳輸堵塞的問(wèn)題。采用 2路CAN總線，其中一路作為主路，與對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的控制器（電機(jī)控制器、AMT、ABS、EPS）相連，它們的優(yōu)先級(jí)相對(duì)較高；另一路作為輔路，與對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較低的電池管理系統(tǒng)、充電控制系統(tǒng)以及調(diào)度控制系統(tǒng)等相連，它們的優(yōu)先級(jí)略低一些，然后將2路CAN總線與整車控制器相連，構(gòu)成電動(dòng)大客車整車控制系統(tǒng)，如圖1所示。這樣可以保證所有數(shù)據(jù)都能順暢地在CAN總線上傳輸，避免了整車控制系統(tǒng)癱瘓。

這個(gè)網(wǎng)絡(luò)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且容易維護(hù)，與沒(méi)有采用及采用單路CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)勢(shì)明顯。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，加速踏板和制動(dòng)踏板的信號(hào)不再直接傳給電機(jī)控制器，而是傳給整車控制器，這樣整車控制器可以根據(jù)從其他的子系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)來(lái)判斷目前汽車的狀態(tài)，然后根據(jù)不同的情況給電機(jī)控制器不同的指令，而不是將接收到的加速或制動(dòng)信號(hào)直接傳給電機(jī)控制器。

1.2 整車控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了保證整車控制器具有好的抗震性和散熱性，殼體采用特殊材料制成，內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)，能夠牢固地將板子固定在殼體上以及將殼體固定在汽車上，而且結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，如圖 2所示。整車控制器硬件核心部分由 UNO-3062和2塊板卡構(gòu)成，其中PCI1710用于采集不能通過(guò)CAN總線發(fā)送的數(shù)據(jù)，PCI1680有2個(gè)CAN端口，可以通過(guò)2路CAN總線采集數(shù)據(jù)。

2 整車控制策略設(shè)計(jì)

電動(dòng)大客車整車控制策略應(yīng)具有一定的智能性，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，如圖 3所示，整車控制策略實(shí)現(xiàn)功能如圖4所示。

整車控制策略設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下。

1）在整車控制器的控制下，電動(dòng)大客車的各個(gè)部分相互協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。整車控制器根據(jù)駕駛員給整車控制器的信號(hào)，對(duì)車輛狀態(tài)、動(dòng)力電池狀態(tài)以及道路環(huán)境等因素進(jìn)行綜合分析后，參照數(shù)據(jù)庫(kù)，向CAN總線發(fā)送控制命令，各個(gè)子控制器根據(jù)從CAN總線上得到的命令來(lái)控制相應(yīng)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的最優(yōu)控制。

2）提高能源利用效率。在電池能量一定的情況下，延長(zhǎng)電動(dòng)大客車的續(xù)駛里程。電池的能量密度低一直是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的一個(gè)障礙，而且目前突破這一關(guān)比較難，因此要增加電動(dòng)大客車的續(xù)駛里程只能靠好的控制策略。

3）當(dāng)車輛有制動(dòng)需求時(shí)，整車控制器要根據(jù)踏板信息（制動(dòng)踏板和加速踏板）、車輛行駛狀態(tài)、動(dòng)力電池狀態(tài)以及能量回饋系統(tǒng)信息，向電機(jī)控制器或制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出制動(dòng)指令。

4）整車控制系統(tǒng)除了要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)/制動(dòng)方面的管理控制外，還負(fù)責(zé)組織各子系統(tǒng)間的信息傳輸、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)管理等功能。

5）對(duì)與車輛行駛沒(méi)有直接關(guān)系的空調(diào)用電設(shè)備進(jìn)行管理，其目的是提高整車能量的利用效率，盡可能延長(zhǎng)續(xù)駛里程[4]。

6）實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷保護(hù)功能。整車控制器不僅將各個(gè)子控制器在CAN總線上發(fā)布的信息通過(guò)儀表顯示出來(lái)，而且在汽車出現(xiàn)故障后，使汽車自動(dòng)進(jìn)入故障模式行駛，并發(fā)出故障警告。圖5為電池箱溫度異常時(shí)的故障診斷流程。

7）實(shí)現(xiàn)汽車運(yùn)行模式的切換。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、故障模式等，如圖6所示。平時(shí)汽車處于自動(dòng)模式，在自動(dòng)模式下運(yùn)行的前提是汽車各個(gè)零部件完好無(wú)損，一旦汽車出現(xiàn)故障，汽車會(huì)切換到故障模式下，同時(shí)以報(bào)警方式通知駕駛員，駕駛員應(yīng)該盡快將汽車開(kāi)到最近的維修站，排除故障。手動(dòng)模式是為特殊駕駛需求制定的。

早期的控制策略主要是以電機(jī)為主的控制策略，是基于速度控制的控制策略[1]，現(xiàn)在的整車控制策略，在保證電動(dòng)大客車充分發(fā)揮其整體性能的同時(shí)，又兼顧了汽車的行駛安全性，比以前的控制策略更能體現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)中以人為本的設(shè)計(jì)思想。

3 整車控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

基于硬件參數(shù)，整車控制器采用嵌入式 XPE作為操作系統(tǒng)，軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)是一套組態(tài)軟件。該軟件能以靈活多樣的組態(tài)方式而不是編程方式進(jìn)行系統(tǒng)集成，提供了良好的用戶開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)潔的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的組態(tài)，便可以容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能[5]。對(duì)于整車控制器的開(kāi)發(fā)，該軟件最大的好處是可以方便地開(kāi)發(fā)出美觀的儀表顯示界面，而且容易修改，同時(shí)它是基于VC開(kāi)發(fā)的軟件，編程功能比較強(qiáng)大，比較容易將整車控制策略應(yīng)用在電動(dòng)大客車上。

3.1 整車控制器軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

1）一級(jí)友好界面顯示，即主界面，如圖7所示。在用鑰匙啟動(dòng)汽車后儀表顯示屏顯示的信息包括動(dòng)力電池剩余電量、動(dòng)力電池電壓、各個(gè)主要部件的故障情況和傳統(tǒng)汽車儀表顯示的一些信息。

2）二級(jí)界面顯示，主要包括各個(gè)子控制器的工作模式界面和各個(gè)部分的故障顯示界面，如圖8所示。主界面上只顯示哪個(gè)部分出現(xiàn)故障，發(fā)生的具體故障通過(guò)二級(jí)界面顯示，一級(jí)界面與二級(jí)界面之間的切換通過(guò)顯示屏下方的按鍵實(shí)現(xiàn)。

3）單體電池電壓及溫度顯示界面、車身電器工作狀況顯示界面等相對(duì)次要，但是在汽車出現(xiàn)故障時(shí)可以通過(guò)查看界面查找故障信息。圖 9為單體電池電壓顯示界面，這種界面比以前的每查看一箱電池電壓需要按一次翻頁(yè)鍵的界面更方便，而且所有電池電壓可以在一個(gè)界面上同時(shí)顯示，在充電時(shí)只需通過(guò)界面切換鍵將界面切換到此界面即可，提高了操作方便性。

4）控制功能，通過(guò)采集鑰匙開(kāi)關(guān)信號(hào)、加速踏板、制動(dòng)踏板、變速箱擋位等信息及網(wǎng)絡(luò)上其他控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、車輛傳感器數(shù)據(jù)、車輛運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合處理，將處理結(jié)果以控制消息的方式通過(guò)總線發(fā)布，其他子控制系統(tǒng)根據(jù)從總線接收的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作處理。

5）數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及保存功能。為了實(shí)現(xiàn)該功能，控制器被設(shè)置為每50 ms采集數(shù)據(jù)并保存?？紤]到存儲(chǔ)空間的有限性，只有一部分?jǐn)?shù)據(jù)是每50 ms保存一次，而類似單體電池電壓的數(shù)據(jù)分2種方法保存，一種是每10 min保存一次，另一種是當(dāng)發(fā)現(xiàn)有電池?fù)p壞時(shí)保存一次。

6）數(shù)據(jù)歷史趨勢(shì)查詢功能。圖 10為電機(jī)控制器溫度在一段時(shí)間內(nèi)的變化情況，可以對(duì)某一部件在近幾個(gè)小時(shí)的運(yùn)行情況有一個(gè)比較直觀的了解。

圖11為車上的各個(gè)設(shè)備、開(kāi)發(fā)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)和顯示界面之間的關(guān)系圖?？梢钥闯鲩_(kāi)發(fā)的主要任務(wù)是開(kāi)發(fā)顯示界面、編寫驅(qū)動(dòng)程序，并將設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)和顯示界面相連接。

3.2 開(kāi)發(fā)步驟

1）首先根據(jù)對(duì)主界面的要求利用力控組態(tài)軟件進(jìn)行主界面的開(kāi)發(fā)；

2）然后根據(jù)需要開(kāi)發(fā)二級(jí)界面；

3）在數(shù)據(jù)庫(kù)組態(tài)里進(jìn)行變量定義，根據(jù)主界面和二級(jí)界面的要求在 DBmanager 里面對(duì)需要采集數(shù)據(jù)的點(diǎn)進(jìn)行定義；

4）定義I/O設(shè)備，在力控開(kāi)發(fā)環(huán)境的I/O設(shè)備列表中選取自定義的PCI1680，進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，將已經(jīng)定義好的點(diǎn)與 PCI1680設(shè)備的對(duì)應(yīng)連接項(xiàng)一一關(guān)聯(lián)；

5）將一級(jí)界面與二級(jí)界面里的圖形與在DBmanager里定義的變量相連接，如圖12所示，并根據(jù)變量值的變化設(shè)計(jì)圖形顯示變化；

6）編寫腳本代碼。通過(guò)編寫程序，利用整車控制器從CAN總線及設(shè)備上直接采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一些電動(dòng)車所特有的信息顯示，比如SOC的估計(jì)；實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)客車的控制，包括驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)及故障診斷等，這樣整車的優(yōu)化工作通過(guò)軟件可以實(shí)現(xiàn)。控制策略在車上的應(yīng)用即把控制策略轉(zhuǎn)變成程序語(yǔ)言，下載到整車控制器的存儲(chǔ)器，運(yùn)用程序?qū)崿F(xiàn)整車的控制。

4 結(jié) 論

電動(dòng)大客車整車控制器是控制系統(tǒng)的核心，不僅給駕駛員提供汽車運(yùn)行狀態(tài)的信息，更重要的是發(fā)揮其智能作用，協(xié)調(diào)各子控制器工作，在大客車某一部分出現(xiàn)故障時(shí)，及時(shí)作出判斷，使汽車自動(dòng)進(jìn)入預(yù)先設(shè)定好的故障模式運(yùn)行，以保護(hù)汽車的其他部件不受損壞。因此，整車控制器的功能完善與否直接影響電動(dòng)大客車的性能，成為評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車好壞的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。在分析電動(dòng)大客車整車控制器功能需求后，開(kāi)發(fā)的整車控制器在某些方面已經(jīng)顯示了智能性，體現(xiàn)了整車控制器在電動(dòng)大客車控制系統(tǒng)中的重要地位。

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