論電動汽車控制技術的發(fā)展趨勢與展望

高仲敏

摘 要：在“安全、節(jié)能、環(huán)?！钡内厔菹?，由電動汽車帶來的汽車電氣化進程在不斷加快。以電子控制為核心，以電驅動、電傳動、電制動和電轉向等為執(zhí)行機構的新一代汽車底盤系統(tǒng)已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的潮流與前沿。

關鍵詞：電動汽車；底盤控制；發(fā)展

1 汽車底盤控制發(fā)展概述

隨著電控技術、傳感技術、智能控制技術以及車載網絡技術的迅猛發(fā)展，車輛集成控制得到了長足的發(fā)展，汽車底盤系統(tǒng)的集成化程度不斷提升，綜合性能不斷提升。但是大多車輛集成控制研究，僅限于以車輛動力性，穩(wěn)定性為控制目標，或以單純的經濟性為控制目標，而綜合考慮車輛動力性、穩(wěn)定性、經濟性等控制目標的研究，尚不多見。十八世紀中期，汽車動力學集成控制開始出現并得到迅速發(fā)展。隨著四輪轉向等汽車電控技術的研發(fā)成功與廣泛應用，部分汽車生產廠家開始思考TCS/ABS與四輪轉向等電控系統(tǒng)的協(xié)調控制問題。1985年，日本日產公司率先使用機電一體化技術，將電控自動變速器、發(fā)動機電控系統(tǒng)、四輪轉向系統(tǒng)、ABS以及舒適性控制系統(tǒng)，一并加裝到其概念車CUE-X上，并在東京車展上得到業(yè)內一致好評

2 電動汽車控制系統(tǒng)電子電氣架構研究

電動汽車控制系統(tǒng)電子電氣架構設計的研究范疇主要包含以下幾個方面：（1）控制軟件系統(tǒng)架構的設計，其中主要考慮軟件系統(tǒng)架構的兼容性能，應對突發(fā)狀況的應急性能以及自動檢測與修復的性能；（2）確保電子電氣架構具備較高的穩(wěn)定性與可靠性，同時采用適當的架構最優(yōu)設計方法，來實現整車電源，傳輸線束與車載網絡的合理布置；（3）選澤合理的架構優(yōu)化映射、分配算法，以實現電子電氣架構的標準合理布局與功能劃分。

2.1 汽車控制系統(tǒng)電子電氣架構分析

由于大量電子計算機嵌入式技術、控制器集成技術、智能化控制技術的廣泛應用，電動汽車控制系統(tǒng)數量增加，結構變得更加復雜，這必將為電動汽車電子電氣架構的設計帶來種種挑戰(zhàn)。首先車載通訊網絡的控制節(jié)點數量大幅增加，傳輸信息量增加，且信號傳輸對速率的要求更加復雜，對硬件系統(tǒng)的冗余能力要求更高；其次，驅動電機大功率開關，高壓通電線等電磁輻射設備的存在，將使通訊信號的傳輸受到不同程度的干擾，硬件架構的電磁兼容性能設計難度加大。2006 年，歐盟針對汽車電子電氣架構與控制軟硬件架構進行深入研究，并實施了EASIS（Electronic Architecture and System Engineering for Integrated Safety Systems）計劃，最終推出 ISS（Integrated Safety Systems）集成安全系統(tǒng)。EASIS 計劃主要面向汽車系統(tǒng)可靠性與開發(fā)流程、系統(tǒng)驗證策略、汽車 ISS 系統(tǒng)軟硬件架構設計進行研究。對軟硬件及通訊網絡的容錯性能進行了改進，探索了基于無線網關的車輛內外部通訊協(xié)議轉換方法。采取軟硬件冗余與容錯相互結合的方法進行傳感器布置，基于能量管理系統(tǒng)設計雙電源系統(tǒng)。通過對基于線控轉向原理的試驗樣機進行試驗臺驗證，充分證明了 ISS 系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

世界各大汽車廠商及零部件廠商，紛紛推出各自的新一代汽車電子電氣硬件系統(tǒng)。順應車輛電氣化與智能化趨勢的新一代電子電氣架構主要包括：底盤總線、動力總線、儀表總線、診斷總線、娛樂總線及相關控制節(jié)點。同時，為了進一步提升汽車電子電氣架構的開發(fā)效率，完善開發(fā)流程，德國卡爾斯魯厄工學院（KIT）、卡爾斯魯厄信息技術研究中心（FZI）與同戴姆勒集團聯合開發(fā)了汽車電子電氣架構開發(fā)與設計工具PREEvision 以及汽車電子電氣架構的高效建模工具，明顯提高了開發(fā)效率。

2.2 電動汽車控制系統(tǒng)電子電氣架構設計

（1）系統(tǒng)硬件配置方案

本文以一汽 B50 轎車為基礎，拆除了發(fā)動機和部分底盤系統(tǒng)，安裝了動力電池、輪轂電機、EHB 等線控系統(tǒng)，建立了新一代電動汽車系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件配置如下圖。

試驗樣車采用四輪獨立驅動的方式，每個車輪分別配置有輪轂電機、電機控制器、輪速傳感器和輪缸壓力傳感器。（1）動力系統(tǒng)。動力系統(tǒng)以 BMS 為控制核心，同時協(xié)調 DC/DC 變壓充電器為 12V 車載鉛酸蓄電池充電，保證點火線圈、儀表板、照明系統(tǒng)等用電設備供電。所有用電設備電壓可以靈活選擇，并且每個設備功率可以獨立控制。為了保證輪轂電機的功率需求，采用高壓動力母線直接供電。（2）車載網絡。系統(tǒng)基于 CAN 總線車載網絡進行數據通訊，總線節(jié)點包括：電機 ECU（Electronic Control Unit），電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）ECU，車輛中央控制單元（Vehicle Control Unit，VCU），橫擺角速度傳感器，側向加速度傳感器和方向盤轉角傳感器。在 AUTOSAR 架構的基礎上，整合 VCU、EPS 控制器與 EHB 控制器。

3 電動汽車控制技術的發(fā)展趨勢與展望

（1）電動汽車在能量管理控制方面與傳統(tǒng)汽車有很大的不同。電動汽車的能量傳遞具有雙向性，在驅動時，可以實現從電能到驅動電機，再到車輛執(zhí)行機構機械能的轉化過程，在制動時，驅動電機也可充當發(fā)電機，實現從車輛執(zhí)行機構的機械能到電池電能的轉化過程。由于當前電池技術的制約，電動汽車的續(xù)航能力成為其發(fā)展的瓶頸。目前各大汽車廠商及研發(fā)機構增加電動汽車續(xù)航里程的普遍做法是增加車載電池的容量，但顧此失彼的是，同時增加了汽車的重量，又會帶來其他的種種問題。針對以上問題，應該從提高電能的利用效率入手，提高電機的工作效率，盡量使其工作于高效率區(qū)。

（2）當前，汽車控制大多基于給定的執(zhí)行機構（如對 4WD/4WS 的車輛進行控制、或對裝有 AFS 與 ESP 的車輛進行控制），控制架構受限于給定的硬件結構。本文旨在設計一種通用的車輛控制架構，可以滿足多種車輛結構，設計時不必考慮特定的執(zhí)行器形式。將車輛的各種執(zhí)行機構進行統(tǒng)一抽象化處理，按照各執(zhí)行機構的各項特性，把其看做力的產生器與目標產生器，使得控制架構能夠根據實際執(zhí)行機構的數量和類型，在控制結構上作出歸一化調整，使得控制架構具有名副其實的通用性。異于傳統(tǒng)的控制架構，在此控制架構中，某個執(zhí)行器加入或離開系統(tǒng)時，控制架構不需做重大改變，仍可適應控制系統(tǒng)的需求。

參考文獻

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