基于MC9S12XEP100的純電動物流車整車控制器設(shè)計

韓愛國，王 萌

（武漢理工大學(xué) 現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點試驗室 汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，武漢 430070）

隨著日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和能源短缺，大力發(fā)展新能源汽車已成為未來汽車發(fā)展的必然趨勢[1]。在全國物流業(yè)不斷發(fā)展的今天，物流車具有廣大的市場潛力，純電動物流車因其低能耗、零排放等特點將在日益發(fā)展的城市交通中占據(jù)一席之地[2]。整車控制器在協(xié)調(diào)汽車各部件工作中具有重要作用，通過對各傳感器信號的采集，實時監(jiān)測整車狀態(tài)，并通過CAN總線與電池管理系統(tǒng)、電機控制器、儀表顯示等設(shè)備通信。具有綜合管理、完成車輛驅(qū)動、信息監(jiān)測、故障處理等功能，是實現(xiàn)純電動汽車高效可靠運行的必要保障[3]。整車控制策略作為整車控制器的軟件部分，是整車控制器開發(fā)的核心。本文對某款純電動物流車的整車控制器進行了設(shè)計并驗證了其可行性和有效性。

1 純電動物流車動力系統(tǒng)構(gòu)成

純電動物流車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括整車控制器、電池系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、高壓配電柜及電機直驅(qū)主減速器[4]，如圖1所示。電池系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng)是實現(xiàn)動力蓄電池狀態(tài)監(jiān)控及安全保護的關(guān)鍵部件；電機系統(tǒng)中的電機控制器通過控制電機將電能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動車輛的動能或?qū)④囕v的動能轉(zhuǎn)化為電能回收；高壓配電柜主要將動力電池的電源分配給各用電系統(tǒng)，包括電機系統(tǒng)及附件子系統(tǒng)。

圖1 整車動力系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Structure of vehicle control system

2 純電動物流車整車控制器硬件設(shè)計

硬件系統(tǒng)是整車控制策略、網(wǎng)絡(luò)通信、驅(qū)動運算、調(diào)試標(biāo)定等功能的載體[5]。

2.1 整車控制器核心器件選擇

整車控制器的核心控制芯片采用飛思卡爾16位高性能微控制器MC9S12XEP100，專為汽車控制設(shè)計，工作溫度范圍寬，可靠性高，具有較強的運算能力，保證了系統(tǒng)的實時性。它能夠采集各傳感器信號，與電機控制器、電池管理系統(tǒng)、儀表等進行通信，實現(xiàn)整車控制。該控制器具有32 KB內(nèi)部RAM，512 KB片內(nèi)Flash存儲器，4 KB內(nèi)部E2PROM和32 KB片內(nèi)D-Flash存儲器，4路MSCAN外設(shè)用于CAN總線，2 個 12 b A/D，6 路 SCI，3 路 SPI總線，2 路I2C總線，總線時鐘最高可達(dá)40 MHz。

整車控制器采用12 V電壓平臺，工作電壓范圍為6 V～36 V，并可通過硬件配置兼容24 V平臺。整車控制器設(shè)計有4路模擬輸入通道、18路數(shù)字開關(guān)輸入通道、4路頻率量輸出通道、3路CAN通信接口、8路高邊驅(qū)動、8路低邊驅(qū)動和5 V外部傳感器供電輸出。整車電氣原理如圖2所示。

圖2 整車電氣原理Fig.2 Electric schematic diagram of vehicle

整車控制器元器件幾乎全部采用汽車級器件，工作溫度范圍-40℃～85℃，具備汽車級標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 硬件布局設(shè)計

整車控制器在設(shè)計時除了要注意原理圖的設(shè)計滿足功能要求，在PCB（印刷電路板）設(shè)計上也要進行特殊處理，以達(dá)到高可靠性和較強的機械及電磁防護水平。

整車控制器采用4層電路板設(shè)計，頂層和底層是器件布局和走線層，中間2層是電源層和地層。其中頂層和底層進行了加厚鋪銅設(shè)計，以保證大電流通過能力，并增強了散熱能力。此外，在接口上，整車控制器在板端輸入和輸出端子入口處都設(shè)計了瞬態(tài)抑制二極管和電磁干擾濾波器件，防止電磁干擾并盡可能靠近外部接口。接口電容電阻耐壓值大于等于50 V，保證了接口容阻器件的可靠。最后，對于電路板電磁兼容設(shè)計，PCB四周采用過孔連接頂層、底層及中間2層的地線構(gòu)成地墻，裝配后處于外殼接縫處，可以阻隔溢出和滲入的電磁波。在頂層電路板的阻焊層添加裸露圍邊，與金屬外殼裝配時連接在一起，將地墻地線和外殼地線短接，增強電磁防護。

3 純電動物流車整車控制策略設(shè)計

純電動物流車整車控制策略分為驅(qū)動控制策略和故障處理策略。驅(qū)動控制策略主要根據(jù)駕駛員操作、整車運行狀態(tài)判斷駕駛員意圖，計算電機需求扭矩；故障診斷及處理主要是對整車控制相關(guān)故障進行檢測并對驅(qū)動控制所確定的需求扭矩進行修正調(diào)節(jié)，保證行車安全。

3.1 整車控制策略總體架構(gòu)

整車控制策略總體架構(gòu)如圖3所示，分為上下電控制、爬行模式、行車模式、制動能量回收模式、跛行模式、倒車模式、故障處理[6]。

圖3 整車控制策略總體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture of the vehicle control strategy

上下電控制基于鑰匙門位置設(shè)置，實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、自檢、充電狀態(tài)判斷等功能。

爬行模式鑰匙門接到通電狀態(tài)，檔位掛在驅(qū)動檔，整車控制器檢測到加速踏板的開度為零，電機根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩指令對驅(qū)動系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)矩使電動汽車由靜止?fàn)顟B(tài)行駛至某一較低車速的過程。

行車模式電池的SOC值大于30%，電機、動力電池?zé)o故障，若制動信號為零，加速踏板信號不為零，進入行車模式。

制動能量回收模式制動信號不為零，電池的SOC值小于90%，電機的轉(zhuǎn)速大于門限轉(zhuǎn)速，進入制動能量回收模式。

跛行模式電池SOC介于20%與30%之間，若制動信號為零，加速踏板信號不為零，則進入跛行模式。

倒車模式倒擋信號不為零，制動信號和加速踏板信號均不為零，則進入倒車模式。

故障處理故障處理分為行車前系統(tǒng)自檢及行車過程中的故障診斷及處理。整車上電結(jié)束，高壓主繼電器吸合，完成系統(tǒng)各部件故障狀態(tài)檢測，如無故障系統(tǒng)進入READY狀態(tài)，指示可以進行正常駕駛操作，否則禁止行車，直至故障消除。若行車過程出現(xiàn)故障，則根據(jù)故障處理中相應(yīng)控制策略進行限功率運行，故障等級較高時不允許行車。

3.2 加速踏板解析策略

純電動汽車在實際行駛中，當(dāng)駕駛員踩下加速踏板，車輛會進入正常行駛模式。駕駛員對車輛驅(qū)動力矩的需求體現(xiàn)在加速踏板開度變化上。在加速踏板全開時，為保證汽車具有最大動力性，電機轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)為100%，在加速踏板為零時，電機不輸出動力，電機轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)為零。中間的對應(yīng)關(guān)系則體現(xiàn)了該車對加速踏板的解析策略。有3種踏板解析策略[7]，如圖4所示。A策略動力性較好，C策略經(jīng)濟性較好，B策略為線性策略，函數(shù)關(guān)系簡單，容易實現(xiàn)，且能較真實地反應(yīng)駕駛員需求?？紤]到整車駕駛的動力性和舒適性，加速踏板解析策略選擇B曲線，即相同轉(zhuǎn)速下扭矩隨加速踏板開度線性增加。

圖4 加速踏板解析策略Fig.4 Resolution strategy of accelerator pedal

3.3 制動能量回收控制策略

與傳統(tǒng)燃油車相比，電動汽車能夠?qū)崿F(xiàn)制動能量回收功能。當(dāng)整車處于制動狀態(tài)時進行制動能量回收控制，電機轉(zhuǎn)速很低時回收效率低，不回收能量，且為了保護動力電池，SOC過高時為防止電池過充取消電機再生制動。設(shè)計一個電機轉(zhuǎn)速門限值和SOC最大值，低于該門限轉(zhuǎn)速或高于SOC值最大值停止能量回收，否則電機以一定的回饋扭矩進行能量回收，制動能量回收的控制策略如圖5所示。

3.4 故障診斷及處理策略

VCU對MCU、BMS故障的處理策略：1級故障時，直接進入停機模式，控制電機零扭矩，禁止電機使能；2級故障時，功率限制模塊根據(jù)MCU、BMS分別發(fā)送允許最大驅(qū)動、制動功率進行限功率處理。具體的故障描述、相應(yīng)的診斷及處理策略，如表1所示。

圖5 制動踏板控制策略程序流程Fig.5 Program flow chart of brake pedal control strategy

表1 純電動物流車故障診斷與處理策略Tab.1 Fault diagnosis and treatment strategy of pure electric logistic vehicle

4 模擬車輛行駛性能驗證

整車控制器控制策略的設(shè)計思想是基于扭矩控制，實現(xiàn)加減速扭矩控制、制動能量回收、驅(qū)動扭矩的限制等功能。硬件電路分別用來模擬數(shù)字量、模擬量輸入模塊。將已開發(fā)的控制策略軟件刷寫至整車控制器硬件上，結(jié)合硬件電路模擬信號在標(biāo)定系統(tǒng)中進行車輛行車模式的試驗。當(dāng)車輛完成上電模式后，指示燈點亮，車輛進入行車模式。

4.1 CAN通信網(wǎng)絡(luò)測試

VCU通過CAN總線獲得電機和電池組信息，結(jié)合采集到的駕駛員操作指令通過控制策略給MCU和BMS相應(yīng)命令，實現(xiàn)車輛行駛功能。試驗設(shè)計了純電動物流車的通信協(xié)議，采用擴展幀、29位標(biāo)識符格式，對各節(jié)點優(yōu)先級、數(shù)據(jù)域進行了規(guī)定[8]。圖6給出了CAN總線對報文的接收與發(fā)送測試。

4.2 行車模式模擬驗證

本試驗使用ECKA V2標(biāo)定工具對開發(fā)的整車控制器控制策略進行了標(biāo)定試驗。

圖6 報文的接收與發(fā)送Fig.6 Sending and receiving of message

圖7給出了純電動物流車行駛性能曲線。圖8給出了在車輛行駛中電池SOC和電池總電壓降低時對輸出扭矩限值的曲線。

圖7 純電動物流車行駛性能曲線Fig.7 Curve of pure electric logistic vehicle driving

圖8 電池SOC、總電壓值變化時汽車行駛性能曲線Fig.8 Vehicle performance curve of SOC and total voltage

從圖7可以看出，在加速度段，輸出扭轉(zhuǎn)隨加速踏板開度增加而增加；踩下制動踏板，加速踏板信號為零且不再隨加速踏板模擬量的變化而變化，VCU通過CAN總線接收到的電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速值和SOC值判斷是否進行能量回收，若滿足制動能量回收條件此時給定電機回饋扭矩，電機驅(qū)動狀態(tài)為發(fā)電狀態(tài)；否則電機扭矩輸出為零。從圖8可以看出，該策略是為了最大限度地保護電池及整車功能的安全運行。通過SOC值和電池組總電壓值在汽車行駛過程中的變化條件診斷出BMS故障后，進入限扭矩模式，此時，即使加速踏板的模擬量增加到最大，輸出扭矩也不會超出對應(yīng)的限制扭矩，實現(xiàn)了故障診斷處理的控制策略。

試驗表明，整車控制策略能準(zhǔn)確解析駕駛員意圖、進行制動能量回收、輕微故障時能及時實施限功率保護，實現(xiàn)預(yù)期功能。

5 結(jié)語

純電動物流車整車控制系統(tǒng)是以VCU為核心，結(jié)合BMS、MCU及充電系統(tǒng)組成的一套完整的電控系統(tǒng)。本文提出的VCU控制策略包括對整車CAN通信管理、工作模式判別、驅(qū)動控制及故障診斷處理。根據(jù)硬件電路設(shè)計和標(biāo)定系統(tǒng)模擬了車輛在行駛過程中扭矩隨加速踏板變化曲線；在制動時進行制動能量回收；同時還實現(xiàn)了實時診斷并在輕微故障時進行限扭矩輸出。整車控制策略的設(shè)計滿足了汽車動力性、經(jīng)濟性及安全性的需求。接下來需進一步完善控制策略，進行道路實車試驗。

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