新能源汽車整車控制器的改進(jìn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

摘要：邯鄲市陸續(xù)完成了1200余臺(tái)次車用能源的轉(zhuǎn)換任務(wù)，在主城區(qū)內(nèi)已全部實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)化運(yùn)營(yíng)。公交車維修團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)三年多的運(yùn)行實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)了同一款整車控制器硬件平臺(tái)兼容12V和24V整車電氣系統(tǒng)的重大突破。開(kāi)發(fā)的新系統(tǒng)架構(gòu)安全可靠，具有電源電壓等級(jí)的智能識(shí)別和自適應(yīng)能力，控制器全部端口具有防濫用智能保護(hù)功能。

Abstract： Handan City has successively completed the conversion task of more than 1，200 sub-vehicle energy sources， and has fully realized pure electric operation in the main urban area. After more than three years of operation practice， the bus maintenance team has achieved a major breakthrough in the compatibility of 12V and 24V vehicle electrical systems in the same vehicle controller hardware platform. The new system architecture developed is safe and reliable， has intelligent identification and self-adaptive ability of power supply voltage level， and all ports of the controller have anti-abuse intelligent protection function.

關(guān)鍵詞：新能源汽車;公共交通;整車控制器

Key words： new energy vehicles;public transportation;vehicle controller

中圖分類號(hào)：U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）15-0132-02

0 ?引言

新時(shí)代，創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享“五位一體”的新發(fā)展理念已經(jīng)深入人心，擁有安全舒適、低碳健康、綠色暢通的出行方式是廣大人民群眾的熱切期盼，是全面實(shí)現(xiàn)小康社會(huì)的應(yīng)有之義。新能源汽車在公共交通領(lǐng)域的普及推廣，以其消除尾氣、降低噪音、節(jié)能環(huán)保、高效輕便的顯著特色，為新時(shí)代城市建設(shè)增加了新的亮點(diǎn)，同時(shí)也為公交人開(kāi)啟了對(duì)新能源汽車應(yīng)用技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新的新征程。

1 ?新能源汽車在邯鄲市公交系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

邯鄲位于河北省最南部，遍布太行山東麓的鋼鐵煤炭企業(yè)是邯鄲市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，加上地理和氣象條件的原因，邯鄲已經(jīng)成為深受霧霾之害的重污染區(qū)。2005年后城市的汽車存量逐年激增，汽車尾氣排放為大氣污染加油添醋，紅色預(yù)警致使人們對(duì)限號(hào)限行已經(jīng)習(xí)以為常。

中國(guó)石油消耗對(duì)外依存度早已超過(guò)了警戒線，追求GDP高速度增長(zhǎng)使本已貧油的能源消耗雪上加霜，能源危機(jī)正在步步逼近。推行經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的基本國(guó)策，大力推廣新能源汽車是勢(shì)在必行，促進(jìn)汽車能源轉(zhuǎn)型是公共交通及運(yùn)輸行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

邯鄲市的公共交通事業(yè)起步于上世紀(jì)六十年代，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，燃油汽車一直是全市公共交通的一統(tǒng)天下。2016年，國(guó)產(chǎn)新能源汽車成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。居于環(huán)境污染和能源短缺的雙重壓力之下的邯鄲市，依托國(guó)家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)推廣政策，陸續(xù)完成了1200余臺(tái)次車用能源的轉(zhuǎn)換任務(wù)，在主城區(qū)內(nèi)已全部實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)化運(yùn)營(yíng)。煥然一新的車型為三千年古城增添了一道道靚麗風(fēng)采，市民朋友再不用追逐吸吮污濁尾氣，在和諧的輕音中盡享出行的愉悅。

公交車維修團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)三年多的運(yùn)行實(shí)踐，對(duì)新能源汽車從初步接觸到逐漸了解，再到對(duì)整車技術(shù)的深入學(xué)習(xí)研究，取得了豐碩的成果。尤其是對(duì)整車控制器產(chǎn)品平臺(tái)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了同一款整車控制器硬件平臺(tái)兼容12V和24V整車電氣系統(tǒng)的重大突破。開(kāi)發(fā)的新系統(tǒng)架構(gòu)安全可靠，具有電源電壓等級(jí)的智能識(shí)別和自適應(yīng)能力，控制器全部端口具有防濫用智能保護(hù)功能。整車控制器平臺(tái)產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)全面測(cè)試，并成功應(yīng)用于廣通牌新能源純電動(dòng)汽車的維修業(yè)務(wù)，在1200多臺(tái)車示范運(yùn)營(yíng)車輛中，產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2 ?整車控制器的功能與在新能源汽車上的作用

新能源汽車是一個(gè)由若干個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)，其動(dòng)力系統(tǒng)主要包括電池、電機(jī)、變速箱、制動(dòng)器等，還有空調(diào)、助力轉(zhuǎn)向等多個(gè)附件。各子系統(tǒng)都要通過(guò)自己的控制單元 （ECU）來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能和目標(biāo)。這就需要在有一個(gè)智能化的人車交互接口，以達(dá)到各子系統(tǒng)之間的彼此匹配和良好協(xié)作。整車控制器（VCU）就是用來(lái)管理汽車汽車中的各個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件，它將車輛動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)化，起到了“汽車大腦”的重要作用。通過(guò)這個(gè)人工“大腦”從整車的角度的“思考”，有效實(shí)現(xiàn)了駕駛員生理大腦的意圖，有效地解決了對(duì)汽車同一平臺(tái)多種配置的管理問(wèn)題，改善了司機(jī)駕駛操作的感受，從而滿足了整車動(dòng)力性和節(jié)能減排要求，展示出新能源汽車的經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性優(yōu)勢(shì)。

整車控制器作為汽車的指揮管理中心，連接著車輛中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)、動(dòng)力電池系統(tǒng)、DCDC等各系統(tǒng)，并掌握著這些系統(tǒng)的瞬時(shí)狀態(tài)。其主要功能包括：驅(qū)動(dòng)力矩控制、制動(dòng)能量的優(yōu)化控制、整車的能量管理、CAN網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態(tài)監(jiān)視等。當(dāng)整車控制器采集到駕駛員操作車輛的加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、檔位信號(hào)及其他部件信號(hào)后，迅速對(duì)駕駛意圖作出識(shí)別判斷，開(kāi)啟對(duì)下層各部件控制器的動(dòng)作指令，驅(qū)動(dòng)汽車維持正常行駛。因此，整車控制器對(duì)汽車的平穩(wěn)起步、加速減速、制動(dòng)能量回饋、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管、整車故障診斷與處理等功能起著非常重要的關(guān)鍵作用。

3 ?整車控制器硬件平臺(tái)兼容應(yīng)用研究

目前，邯鄲市公交系統(tǒng)配備的新能源汽車多為廣通牌純電動(dòng)公交車型。車輛進(jìn)入的批次車型不同，每個(gè)車型平臺(tái)對(duì)整車控制器的需求也有差別，車載低壓電氣系統(tǒng)電壓等級(jí)也有12V和24V之分。但對(duì)其核心功能和安全可靠性要求是一致的，同時(shí)整車控制器的硬件質(zhì)量?jī)?yōu)劣直接決定了車輛的穩(wěn)定性和安全性。

為了統(tǒng)一協(xié)調(diào)新能源汽車整車電器設(shè)備的集約化管理，在全面系統(tǒng)總結(jié)了車載電器設(shè)備的特性和對(duì)整車控制器的系統(tǒng)需求、電氣需求、應(yīng)用層軟件接口需求、安裝需求、診斷需求、質(zhì)量要求、成本要求等的基礎(chǔ)上，公交維修團(tuán)隊(duì)遵循最新道路車輛功能安全I(xiàn)SO26262標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)整車控制器產(chǎn)品平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)方案改進(jìn)設(shè)計(jì)的研究與開(kāi)發(fā)。

4 ?對(duì)整車控制器平臺(tái)產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)

為滿足公司新能源汽車對(duì)整車控制器的應(yīng)用需求，并適當(dāng)考慮部分功能預(yù)留，對(duì)整車控制器進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路、底層平臺(tái)軟件等進(jìn)行系統(tǒng)性改進(jìn)設(shè)計(jì)。

4.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

根據(jù)硬件尺寸，選擇高防護(hù)等級(jí)的接插件，外殼采用壓鑄鋁材質(zhì)，并增加一通氣塞，用于平衡控制器內(nèi)外部壓力，增加了防塵防水能力。

4.2 安全架構(gòu)

硬件系統(tǒng)采用雙芯片安全架構(gòu)，完全獨(dú)立的雙供電系統(tǒng)的二級(jí)電源管理、扭矩相關(guān)的關(guān)鍵信號(hào)雙路冗余采集，主控制芯片和安全監(jiān)控芯片之間采用SPI和CAN冗余直接通訊。在異常情況對(duì)整車上的BMS電池管理系統(tǒng)及MCU電機(jī)控制器采取安全控制，通過(guò)EEPROM存儲(chǔ)安全故障信息。

4.3 電路改造

硬件電路采取模塊化設(shè)計(jì)，有利于優(yōu)化PCB布局、提高系統(tǒng)抗干擾能力。

模塊化的VCU硬件電路主要有：

①處理器模塊。包括一個(gè)高性能單片機(jī)的主控芯片和一個(gè)8位單片機(jī)的安全監(jiān)控芯片，兩個(gè)處理器之間采用SPI通訊和內(nèi)部CAN通訊實(shí)現(xiàn)可靠的信息傳遞以及相互監(jiān)控，還有與之相匹配的時(shí)鐘電路、程序刷寫(xiě)電路、EEPROM等。

②電源模塊：電源電路改進(jìn)突出防反接保護(hù)、過(guò)電壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、電壓跌落保護(hù)功能等。將車載蓄電池供電（9-36V）的輸入轉(zhuǎn)換為主控芯片、安全監(jiān)控芯片、邏輯電路所需的5V電源，轉(zhuǎn)換為控制器內(nèi)部傳感器電路和控制器外部傳感器5V供電電源。

③數(shù)字輸入模塊：輸入信號(hào)分成高有效和低有效輸入兩大類，同時(shí)考慮抗ESD處理、防短路設(shè)計(jì)、濾波處理、12V和24V信號(hào)等級(jí)兼容處理等。

④傳感器輸入模塊：采集電路匹配傳感器輸入信號(hào)改進(jìn)，主要考慮的是傳感器輸出驅(qū)動(dòng)能力、抗ESD處理，防短路處理、濾波處理等。

⑤輸出驅(qū)動(dòng)模塊：按照所連接的負(fù)載不同，將輸出驅(qū)動(dòng)分為高邊和低邊兩大類，根據(jù)負(fù)載所需電流能力選擇功率器件，同時(shí)要考慮輸出短路和開(kāi)路的診斷、驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)溫度、過(guò)電流和過(guò)電壓等保護(hù)功能。

⑥CAN通訊模塊：硬件電路提供了2路符合CAN2.0B通訊協(xié)議的通訊模塊，用于與其他控制模塊之間的通訊以及用于程序在線更新和CCP標(biāo)定。主要考慮CAN Hi和CAN Lo端口的抗ESD處理、短路診斷和保護(hù)、預(yù)留休眠和喚醒功能。

4.4 底層平臺(tái)軟件

整車控制器底層平臺(tái)軟件是介于控制器硬件和上層應(yīng)用軟件之間，是二者之間的橋梁。底層平臺(tái)軟件支持Simulink和Targetlink兩種模型平臺(tái)，集成了基于KWP2000的診斷服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)故障事件響應(yīng)，故障指示燈管理等并在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行了KWP2000診斷協(xié)議棧管理，Bootloader模塊開(kāi)發(fā)，診斷工具軟件開(kāi)發(fā)，F(xiàn)lash在線軟件刷寫(xiě)功能的開(kāi)發(fā)。整車控制器底層平臺(tái)軟件集成了基于CCP協(xié)議的在線標(biāo)定功能，能夠方便對(duì)內(nèi)部數(shù)百個(gè)標(biāo)定量進(jìn)行在線標(biāo)定和標(biāo)定量的更新與下載。

5 ?測(cè)試成果與結(jié)論

邯鄲公交公司對(duì)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的整車控制器的電氣功能、EMC、熱沖擊、耐高溫、耐低溫、密封性能、機(jī)械振動(dòng)、機(jī)械沖擊、跌落、壽命測(cè)試、耐化學(xué)藥品等測(cè)試試驗(yàn)，產(chǎn)品性能符合使用環(huán)境的特殊要求，達(dá)到了同一款整車控制器硬件平臺(tái)兼容12V和24V整車電氣系統(tǒng)的目標(biāo)。維修人員已系統(tǒng)的掌握了整車控制器等的關(guān)鍵電子產(chǎn)品的電氣系統(tǒng)、系統(tǒng)架構(gòu)、硬件系統(tǒng)、底層軟件和系統(tǒng)測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)。所研發(fā)改進(jìn)的整車控制器平臺(tái)產(chǎn)品已成功小批量應(yīng)用于新能源車上，VCU整車控制器平臺(tái)已經(jīng)成功完成1000多套的小批量維修生產(chǎn)和實(shí)車示范運(yùn)營(yíng)應(yīng)用。新能源動(dòng)力汽車維修技術(shù)必將在“高技術(shù)、高情感”理念下日臻完善。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：任亮（1982-），男，河北邯鄲人，計(jì)算機(jī)網(wǎng)路本科畢業(yè)，現(xiàn)為中級(jí)電子工程師。