微型電動(dòng)汽車整車控制器設(shè)計(jì)分析與研究

吳小江

摘 要：世界資源緊張的程度不斷加劇，人們對(duì)于化石能源的使用不僅會(huì)造成環(huán)境破壞和污染，引發(fā)能源危機(jī)。汽車是人們主要出行工具和能源消耗大戶，為了減少能源消耗，電動(dòng)汽車成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問題。本篇文章基于微型電動(dòng)汽車探討整車控制器設(shè)計(jì)，首先分析電動(dòng)汽車的基本結(jié)構(gòu)，以及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，提出控制器的電源、硬件、軟件方面的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；控制系統(tǒng)；整車控制器

1 前言

化石能源是當(dāng)今世界消耗能源的主流，具有不可再生的特征。隨著人們對(duì)能源不加節(jié)制地開采，石油儲(chǔ)量越來越少。根據(jù)IEA的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到2020年在交通運(yùn)輸領(lǐng)域消耗的石油量占總石油消耗量的62%以上。我國(guó)正處于高速發(fā)展的階段，同時(shí)又是貧油國(guó)，對(duì)于石油能源的依賴較大。在此形勢(shì)下，研發(fā)微型電動(dòng)汽車，降低我國(guó)交通出行占用的石油量具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2 電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)

按照驅(qū)動(dòng)原理和技術(shù)水平，電動(dòng)汽車可以分為純電動(dòng)、混合動(dòng)力、插電式混合動(dòng)力、燃料電池電動(dòng)汽車四種。微型電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮力學(xué)性能，它的優(yōu)良程度決定了整輛汽車的性能。當(dāng)車輛處于行駛狀態(tài)，由電池向電機(jī)提供能力，以此克服在電動(dòng)汽車行進(jìn)過程中的內(nèi)部和外部阻力。因此，汽車整車控制器設(shè)計(jì)，需要根據(jù)電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)方式以及力學(xué)性能進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)包括整車控制器（VCU）、電機(jī)及控制器（ECU）、電池與電池管理系統(tǒng)（BMS）等，同時(shí)根據(jù)電機(jī)的安裝位置，動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)、多電機(jī)驅(qū)動(dòng)[1]。

集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，與傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力結(jié)構(gòu)相似，將石油供能換為電能，以電機(jī)代替發(fā)動(dòng)機(jī)。車輛的驅(qū)動(dòng)模式與傳統(tǒng)汽車相似，主要是從電機(jī)傳輸電到減速器、差速器，從而實(shí)現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式的電動(dòng)汽車，可以直接借鑒傳統(tǒng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不需要做太大的結(jié)構(gòu)性改變，動(dòng)力控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，也是當(dāng)前市場(chǎng)上電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，則是在電動(dòng)汽車中安裝多個(gè)電機(jī)，按照需要設(shè)計(jì)安裝位置，能夠支持多樣化的驅(qū)動(dòng)模式。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)電機(jī)的獨(dú)立性，相比集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械結(jié)構(gòu)較少，有效改善電機(jī)性能，但是控制難度也隨之增加。

3 電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 控制器方案

整車的控制器功能支持電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器狀態(tài)、能量管理信息采集以及駕駛員的操作質(zhì)量。這樣的設(shè)計(jì)，能夠在車輛行駛過程中根據(jù)多個(gè)部分匯集的信息，反饋給電機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能量配置方案。

對(duì)于整車控制器的功能定義，有以下幾點(diǎn)：1、感知駕駛員的操作意圖，根據(jù)電動(dòng)汽車的點(diǎn)火開關(guān)、制動(dòng)踏板、檔位開關(guān)等信息判斷駕駛員操作意圖；2、驅(qū)動(dòng)管理，根據(jù)駕駛員操作意圖，控制器向電源管理系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)發(fā)送運(yùn)行指令；3、能量管理和回收，對(duì)于整車的駕駛狀態(tài)，合理地安排電能供給，以此判斷當(dāng)前需要機(jī)械剎車或是再生制動(dòng)操作；4、網(wǎng)絡(luò)通信，利用CAN、232、485的通訊接口，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)、被控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信；5、安全管理，判斷電動(dòng)汽車當(dāng)前出現(xiàn)的障礙類型（電氣故障、機(jī)械故障），并發(fā)出相應(yīng)的警示信息，使電動(dòng)汽車在復(fù)雜多變的環(huán)境下維持運(yùn)行安全與可靠。整車控制在電動(dòng)汽車中發(fā)揮信號(hào)收集中心的作用，采集來自踏板、檔位、車速傳感器等部位的信號(hào)，然后綜合處理后發(fā)送相應(yīng)的操作指令到對(duì)應(yīng)子系統(tǒng)[2]。

考慮電動(dòng)汽車的功能需求，定義控制器功能，以及信號(hào)采集和發(fā)出，適應(yīng)各類信號(hào)采集能力，確保被控系統(tǒng)與上位機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信狀況良好，能夠及時(shí)將駕駛者操作意圖反饋到被控設(shè)備中。

3.2 驅(qū)動(dòng)與再生制動(dòng)控制策略

電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)控制，主要對(duì)電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)駕駛員的操作意圖形成電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速輸出方案，從而讓車輛行進(jìn)過程符合安全要求的力學(xué)性能，了解驅(qū)動(dòng)控制研究的核心內(nèi)容。由于道路和天氣環(huán)境變化，電動(dòng)汽車的工作環(huán)境和狀態(tài)也隨之變化，因此駕駛員的操作意圖呈現(xiàn)隨機(jī)變化的情況，整車控制器無(wú)法預(yù)測(cè)合適的電機(jī)控制策略。針對(duì)這一情況，設(shè)想不同駕駛條件的電機(jī)控制策略，使得駕駛員改變駕駛狀態(tài)時(shí)，能夠快速響應(yīng)控制改變力學(xué)性能。

根據(jù)電動(dòng)汽車的工作特點(diǎn)，劃分為啟動(dòng)、一般駕駛、經(jīng)濟(jì)駕駛、動(dòng)力駕駛、倒車、應(yīng)急駕駛六種驅(qū)動(dòng)模式。對(duì)應(yīng)電動(dòng)汽車駕駛的常見場(chǎng)景，通過設(shè)置固定的動(dòng)力和電機(jī)電能輸送，實(shí)現(xiàn)控制。

例如，啟動(dòng)模式的控制，主要發(fā)生在電動(dòng)汽車點(diǎn)火開關(guān)時(shí)開始到車速達(dá)到相應(yīng)速度時(shí)結(jié)束，本次設(shè)計(jì)方案將車速初步定義為10km/h。當(dāng)汽車從其他驅(qū)動(dòng)模式轉(zhuǎn)為低速起步，也可視作汽車處于啟動(dòng)模式狀態(tài)。在啟動(dòng)模式下，汽車首先對(duì)整車進(jìn)行自檢，如電池、電機(jī)、剎車狀態(tài)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)無(wú)誤后向駕駛員提示可以正常起步。

3.3 控制通信網(wǎng)絡(luò)搭建

電動(dòng)汽車的控制器局域網(wǎng)（CAN）作為通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，在此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下信息的傳輸速率達(dá)到1Mb/s的串行數(shù)據(jù)通信總線。本次設(shè)計(jì)方案采用的CAN總線協(xié)議為J1929標(biāo)準(zhǔn)，通訊速率達(dá)到250kb/s。同時(shí)為總線系統(tǒng)配置多個(gè)電子控制單元（ECU），彼此之間共享信息，以此滿足電動(dòng)汽車行駛過程中對(duì)信息的靈活控制要求。

采取CAN總線的設(shè)置，基于優(yōu)先權(quán)多主方式，發(fā)送數(shù)據(jù)不包含發(fā)送、接收節(jié)點(diǎn)物理地址，能夠在不破壞線路競(jìng)爭(zhēng)的前提下，完成線路數(shù)據(jù)交換。同時(shí)設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)，當(dāng)線路兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，可以根據(jù)優(yōu)先級(jí)的排列發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。

通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于SAEJ1939協(xié)議，綜合控制系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組合而成，根據(jù)功能定義分布在電動(dòng)汽車的相應(yīng)位置，以此解決過于復(fù)雜的子系統(tǒng)分布，增加布線難度的問題。同時(shí)采用總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以更簡(jiǎn)潔的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證各項(xiàng)操作指令能夠及時(shí)響應(yīng)和發(fā)出。根據(jù)被控制對(duì)象的不同，CAN總線網(wǎng)絡(luò)分為高速CAN和低速CAN，前者主要應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)性能、網(wǎng)關(guān)、BMS系統(tǒng)等子系統(tǒng)的通信需要；后者主要對(duì)非關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)備的通信，如電動(dòng)門窗、智能儀表等設(shè)備能接入到網(wǎng)絡(luò)中。

4 能源管理系統(tǒng)以及控制器軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用可變?nèi)蒌囯姵亟M設(shè)計(jì)，即利用單體電池通過一定的技術(shù)手段，與其他單體電池組成容量更大的電池，同時(shí)單體電池之間通過一定的保護(hù)處理，滿足其在負(fù)載狀態(tài)下，仍能滿足電流、電壓供給需求。通過這樣的設(shè)置，不僅實(shí)現(xiàn)大功率能量?jī)?chǔ)存，還能避免峰谷電壓因用電需求下降對(duì)電路的損害。

電池成組結(jié)構(gòu)如下：?jiǎn)误w電池→單體電池→電池模塊→電池串→電池堆。連接方式為：并聯(lián)→串聯(lián)→并聯(lián)→串并聯(lián)。盡管電池成組技術(shù)已有了一定的發(fā)展，也切實(shí)應(yīng)用到電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)中，但在實(shí)際操作中限于安全的因素，不能安裝過大容量的電池，因此限制了續(xù)航因素。

超級(jí)電容是介乎于電解質(zhì)電容、電化學(xué)電容之間的儲(chǔ)能裝置，相比其他傳統(tǒng)電池，能夠利用靜電極化電解溶液存儲(chǔ)能量，同時(shí)支持多達(dá)十萬(wàn)次、百萬(wàn)次的充放電次數(shù)，具有非常大的電容儲(chǔ)電量。

針對(duì)電池成組技術(shù)限制，采用超級(jí)電容混合電源的設(shè)計(jì)，將兩個(gè)能量源組合作為儲(chǔ)能設(shè)備使用，一個(gè)具有較高能量密度，另一個(gè)具有較高功率密度。

4.2 硬件電路設(shè)計(jì)

整車控制器的芯片采用STM32F205，這款芯片基于ARM核心，具有512K字節(jié)閃存的32位微控制器?？刂破魍ㄟ^它實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換、駕駛員操作指令采集、開關(guān)信號(hào)輸出、CAN總線網(wǎng)絡(luò)通訊等。

本次設(shè)計(jì)方案的電源電池電壓為48V，輔助電池電壓為24V，電機(jī)為整車提供動(dòng)力的電壓為48V，而24V的電源則主要為控制系統(tǒng)提供能量的作用，為了滿足更細(xì)化的控制需求，還需要12V、5V、3.3V的電源電壓。其中12V電壓主要為動(dòng)力電源的繼電器提供能量；5V的電源主要為光電隔離電路、模擬量采集等提供工作電流；3.3V主要為控制芯片STM32F205及其外圍電路供電。因此硬件電路設(shè)計(jì)，需要預(yù)留相應(yīng)的電路接口。

數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計(jì)，利用控制芯片STM32F205的數(shù)據(jù)I/O口，在每個(gè)GPI/O端口配置兩個(gè)32位配置寄存器、數(shù)據(jù)寄存器，一個(gè)32位置位/復(fù)位寄存器，一個(gè)16位復(fù)位寄存器，一個(gè)32位鎖定寄存器。通過這樣的配置，控制芯片具有三個(gè)12位ADC，且每個(gè)ADC共享16個(gè)多路通道，通過它可以進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)采集。為了保證信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性、準(zhǔn)確性，對(duì)輸入信號(hào)濾波處理。

4.3 軟件設(shè)計(jì)

為了保證電動(dòng)汽車行進(jìn)過程的各項(xiàng)操作指令能夠及時(shí)響應(yīng)，需要對(duì)整車控制器軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)特定功能和控制策略?；赟TM32F205的芯片，編程環(huán)境為RVMDK3.80A，采用ARM公司推出的嵌入式軟件開發(fā)工具。

系統(tǒng)自檢流程，在電動(dòng)汽車打火開關(guān)的時(shí)候，自動(dòng)對(duì)整車控制子系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)CAN通訊狀態(tài)正常，無(wú)高壓漏電、電機(jī)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)故障等情況，若是發(fā)現(xiàn)問題，則自動(dòng)將故障信號(hào)傳遞給下一級(jí)程序。驅(qū)動(dòng)控制流程，則根據(jù)電動(dòng)汽車的駕駛模式，制定相應(yīng)的控制策略，因此開發(fā)識(shí)別當(dāng)前驅(qū)動(dòng)模式的程序，從而將駕駛結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)。

5 結(jié)論

綜合上述，在世界能源緊張的形勢(shì)下，電動(dòng)汽車獲得良好的發(fā)展機(jī)遇。為了保證電動(dòng)汽車的性能和續(xù)航，通過通信網(wǎng)絡(luò)搭建、控制策略、硬件電路設(shè)計(jì)等手段，強(qiáng)化混合電源能量控制和管理策略，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

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