電動汽車車速信號采集與傳輸?shù)姆椒?/h1>
2020-09-10 04:53:58朱明
內(nèi)燃機(jī)與配件 2020年13期 關(guān)鍵詞：電動汽車
朱明
摘要：車速信號被廣泛應(yīng)用于電動汽車各個ECU，車速信號的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到汽車的安全性與可靠性。MCU通過編碼器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)速，再利用后橋主減比、輪胎滾動半徑計算出車速，或者ABS通過輪速傳感器、輪胎滾動半徑計算出車速。最后MCU和ABS分別將各自計算出的車速信號發(fā)送至CAN總線上，給各個ECU使用。
Abstract： The speed signal is widely used in each ECU of electric vehicle. The accuracy of speed signal is directly related to vehicle safety and reliability. The MCU obtain the motor speed through the encoder， then calculate the speed using the main reduction ratio of the rear axle and the tire rolling radius， or ABS calculate the speed by the wheel speed sensor and the tire rolling radius. Finally， the MCU and ABS respectively send the calculated speed signal to CAN bus for each ECU to use.
關(guān)鍵詞：電動汽車;車速信號;MCU;ABS
Key words： electric vehicle;speed signal;MCU;ABS
0 ?引言
隨著電動汽車的發(fā)展，電動汽車車速信號的準(zhǔn)確采集與顯示，對于駕駛員以及全車電子電控單元控制至關(guān)重要[1-3]。電動汽車需要車速信號的電控單元相較于傳統(tǒng)燃油車更多。因此，車速信號的準(zhǔn)確獲取以及安全傳輸對于整車非常重要。CAN（Controller Area Network，CAN）總線技術(shù)，由于其高性能、高可靠性、實(shí)時性等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛的應(yīng)用到汽車電子控制系統(tǒng)中。
電動汽車采用電池管理系統(tǒng)（BMS）、驅(qū)動電機(jī)控制器（MCU）、充電機(jī)控制系統(tǒng)（OBC）等替代傳統(tǒng)車的動力系統(tǒng)。BMS、MCU、電動空調(diào)系統(tǒng)（EAS）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（RMS）、行人警示器（VSP）等都需要采集車速信號給控制系統(tǒng)使用，并且這些ECU大多數(shù)都采用CAN總線通訊方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。傳統(tǒng)燃油車可以通過車速傳感器采用硬線的方式輸出給組合儀表，組合儀表通過硬線或者總線的方式輸出給其它單元使用，或者通過防抱死系統(tǒng)（ABS）采集輪速傳感器，再通過硬線或者總線的輸出給其它單元使用。但是硬線方式需要考慮不同電子電控單元信號的匹配問題，設(shè)計比較復(fù)雜，可靠性較低。電動汽車無車速傳感器，可以通過MCU的編碼器、后橋傳動比、輪胎的滾動半徑等計算車速值，MCU再通過CAN總線的方式輸出給其它單元使用。
本文通過MCU車速信號和ABS車速信號融合的方法，降低了電動汽車由于MCU故障或者ABS故障導(dǎo)致車速信號丟失帶來的安全風(fēng)險。
1 ?車速獲取方法
1.1 車速傳感器
車速傳感器采用霍爾式頻率傳感器，車速傳感器每轉(zhuǎn)一圈，輸出的脈沖數(shù)為n（傳感器固定的參數(shù)）?；魻柺筋l率傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號幅值不受靶輪轉(zhuǎn)速影響、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車中。傳感器安裝于變速箱輸出軸靶輪，電子電控單元采集車速傳感器脈沖信號，計算出車速信息。電子電控單元依據(jù)車速傳感器脈沖周期、變速箱至傳感器速比、后橋主減速比、輪胎的滾動半徑計算得出車速，計算公式如下：
1.4 車速信號基準(zhǔn)
國家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)GB 15082-2008《汽車用車速表》要求，車速表指示車速要大于實(shí)際車速，避免駕駛員超速行駛，具體要求如下：
理論上顯示車速在滿足法規(guī)要求的前提下，越準(zhǔn)確越好。實(shí)際上，汽車輪胎的滾動半徑受胎壓、車輛載荷、輪胎磨損等因素都會使?jié)L動半徑變小，影響較大。傳動系統(tǒng)的誤差小，可以忽略。車速表的車速與輪速同步，在車速不變的情況下，由于輪胎磨損等因素的影響，只會使車速表的指示變得更高。并且，車速表的顯示都是采用正公差進(jìn)行設(shè)計。
2 ?電動汽車車速信號安全傳輸系統(tǒng)
2.1 車速信號傳輸系統(tǒng)
電動汽車的電子信息化越來越高，車速信號的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性對車輛安全非常重要。圖1為某一車型車速信號CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，該系統(tǒng)包括：整車控制器（VCU）、MCU、BMS、OBC、ABS、EPS、組合儀表（ICM）、娛樂主控單元（EHU）、EAS、電子溫控系統(tǒng)（ECC）、RMS、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）、網(wǎng)關(guān)（GW）和PEPS系統(tǒng)等。
該系統(tǒng)包括兩路滿足ISO 11898-2要求的高速CAN總線，EVBUS和IBUS，GW作為這兩路CAN的中轉(zhuǎn)站，各控制器模塊都可以通過總線讀取車速信號。組合儀表預(yù)留硬線車速信號輸出接口，通過PWM硬線方式輸出給其它不帶總線的用電器單元，方便擴(kuò)展，降低成本。
2.2 車速信號選擇
圖2為某一車型通過ABS和MCU采集到的車速信號。ABS存在一個最小識別車速，車速為2km/h[4]。MCU通過電機(jī)編碼器識別電機(jī)轉(zhuǎn)速，最低識別車速比ABS小。圖3為MCU與ABS車速信號的差值。通過圖2和圖3可以看出在車速小于30km/h時，MCU與ABS的差值在-1～1km/h區(qū)間。在車速大于30km/h時，MCU與ABS的差值在-0.5～2.5km/h區(qū)間，并且大多數(shù)時刻，MCU的車速都相較于ABS要高。
當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)在ON檔時，組合儀表通過CAN總線同時獲得ABS發(fā)出的車速和MCU發(fā)出的車速，并且以這兩者的最大值作為組合儀表當(dāng)前車速顯示。
當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)在ON檔時，組合儀表通過ABS車速報文的車速有效標(biāo)志位判斷車速信號是否有效。如果無效，將MCU發(fā)出的車速信號作為當(dāng)前車速顯示。
當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)在ON檔時，組合儀表通過MCU報文判斷MCU內(nèi)部的編碼器是否存在故障。若有故障，將ABS發(fā)出的車速信號作為當(dāng)前車速顯示。
通過以上車速信號選擇方法，有效降低了由于車速信號源故障以及傳輸問題導(dǎo)致的風(fēng)險。經(jīng)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，行駛5萬公里以上，未出現(xiàn)車速信號異常的情況，驗(yàn)證了此車速信號選擇方案的可行性。即使在ABS系統(tǒng)存在故障或者電機(jī)故障、輪胎胎壓欠壓等狀態(tài)下，儀表也能準(zhǔn)確的指示出滿足國標(biāo)要求的車速。
3 ?結(jié)束語
通過建立電動汽車車速信號安全傳輸系統(tǒng)，電動汽車各個ECU單元通過CAN總線通訊方式，安全地、可靠地、高效地實(shí)現(xiàn)了每個ECU單元之間的車速信號交互與傳輸。本文采用的車速信號獲取和車速信號選擇方法，準(zhǔn)確性和可靠性優(yōu)。
參考文獻(xiàn)：
[1]冷德龍，杜潔，孫連明，蘇朋軍.基于多信號源融合的汽車車速信號處理及應(yīng)用[J].汽車電器，2018（12）：33-34，37.
[2]雷偉昌.汽車車速信號采集與傳輸?shù)姆椒╗J].電子世界，2017（12）：98.
[3]孫濤，葉金飛.汽車車速信號采集與傳輸?shù)姆椒╗J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015（06）：68-70.
[4]呂亭強(qiáng)，周亮亮，江進(jìn)，李成岳，趙維偉，張鵬.基于VCU的商用車車速信號處理技術(shù)[J].汽車電器，2019（06）：42-44.
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朱明
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Abstract： The speed signal is widely used in each ECU of electric vehicle. The accuracy of speed signal is directly related to vehicle safety and reliability. The MCU obtain the motor speed through the encoder， then calculate the speed using the main reduction ratio of the rear axle and the tire rolling radius， or ABS calculate the speed by the wheel speed sensor and the tire rolling radius. Finally， the MCU and ABS respectively send the calculated speed signal to CAN bus for each ECU to use.
關(guān)鍵詞：電動汽車;車速信號;MCU;ABS
Key words： electric vehicle;speed signal;MCU;ABS
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隨著電動汽車的發(fā)展，電動汽車車速信號的準(zhǔn)確采集與顯示，對于駕駛員以及全車電子電控單元控制至關(guān)重要[1-3]。電動汽車需要車速信號的電控單元相較于傳統(tǒng)燃油車更多。因此，車速信號的準(zhǔn)確獲取以及安全傳輸對于整車非常重要。CAN（Controller Area Network，CAN）總線技術(shù)，由于其高性能、高可靠性、實(shí)時性等優(yōu)點(diǎn)，越來越廣泛的應(yīng)用到汽車電子控制系統(tǒng)中。
電動汽車采用電池管理系統(tǒng)（BMS）、驅(qū)動電機(jī)控制器（MCU）、充電機(jī)控制系統(tǒng)（OBC）等替代傳統(tǒng)車的動力系統(tǒng)。BMS、MCU、電動空調(diào)系統(tǒng)（EAS）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（RMS）、行人警示器（VSP）等都需要采集車速信號給控制系統(tǒng)使用，并且這些ECU大多數(shù)都采用CAN總線通訊方式實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能。傳統(tǒng)燃油車可以通過車速傳感器采用硬線的方式輸出給組合儀表，組合儀表通過硬線或者總線的方式輸出給其它單元使用，或者通過防抱死系統(tǒng)（ABS）采集輪速傳感器，再通過硬線或者總線的輸出給其它單元使用。但是硬線方式需要考慮不同電子電控單元信號的匹配問題，設(shè)計比較復(fù)雜，可靠性較低。電動汽車無車速傳感器，可以通過MCU的編碼器、后橋傳動比、輪胎的滾動半徑等計算車速值，MCU再通過CAN總線的方式輸出給其它單元使用。
本文通過MCU車速信號和ABS車速信號融合的方法，降低了電動汽車由于MCU故障或者ABS故障導(dǎo)致車速信號丟失帶來的安全風(fēng)險。
1 ?車速獲取方法
1.1 車速傳感器
車速傳感器采用霍爾式頻率傳感器，車速傳感器每轉(zhuǎn)一圈，輸出的脈沖數(shù)為n（傳感器固定的參數(shù)）?；魻柺筋l率傳感器具有抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號幅值不受靶輪轉(zhuǎn)速影響、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于汽車中。傳感器安裝于變速箱輸出軸靶輪，電子電控單元采集車速傳感器脈沖信號，計算出車速信息。電子電控單元依據(jù)車速傳感器脈沖周期、變速箱至傳感器速比、后橋主減速比、輪胎的滾動半徑計算得出車速，計算公式如下：
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2.2 車速信號選擇
圖2為某一車型通過ABS和MCU采集到的車速信號。ABS存在一個最小識別車速，車速為2km/h[4]。MCU通過電機(jī)編碼器識別電機(jī)轉(zhuǎn)速，最低識別車速比ABS小。圖3為MCU與ABS車速信號的差值。通過圖2和圖3可以看出在車速小于30km/h時，MCU與ABS的差值在-1～1km/h區(qū)間。在車速大于30km/h時，MCU與ABS的差值在-0.5～2.5km/h區(qū)間，并且大多數(shù)時刻，MCU的車速都相較于ABS要高。
當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)在ON檔時，組合儀表通過CAN總線同時獲得ABS發(fā)出的車速和MCU發(fā)出的車速，并且以這兩者的最大值作為組合儀表當(dāng)前車速顯示。
當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)在ON檔時，組合儀表通過ABS車速報文的車速有效標(biāo)志位判斷車速信號是否有效。如果無效，將MCU發(fā)出的車速信號作為當(dāng)前車速顯示。
當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)在ON檔時，組合儀表通過MCU報文判斷MCU內(nèi)部的編碼器是否存在故障。若有故障，將ABS發(fā)出的車速信號作為當(dāng)前車速顯示。
通過以上車速信號選擇方法，有效降低了由于車速信號源故障以及傳輸問題導(dǎo)致的風(fēng)險。經(jīng)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，行駛5萬公里以上，未出現(xiàn)車速信號異常的情況，驗(yàn)證了此車速信號選擇方案的可行性。即使在ABS系統(tǒng)存在故障或者電機(jī)故障、輪胎胎壓欠壓等狀態(tài)下，儀表也能準(zhǔn)確的指示出滿足國標(biāo)要求的車速。
3 ?結(jié)束語
通過建立電動汽車車速信號安全傳輸系統(tǒng)，電動汽車各個ECU單元通過CAN總線通訊方式，安全地、可靠地、高效地實(shí)現(xiàn)了每個ECU單元之間的車速信號交互與傳輸。本文采用的車速信號獲取和車速信號選擇方法，準(zhǔn)確性和可靠性優(yōu)。
參考文獻(xiàn)：
[1]冷德龍，杜潔，孫連明，蘇朋軍.基于多信號源融合的汽車車速信號處理及應(yīng)用[J].汽車電器，2018（12）：33-34，37.
[2]雷偉昌.汽車車速信號采集與傳輸?shù)姆椒╗J].電子世界，2017（12）：98.
[3]孫濤，葉金飛.汽車車速信號采集與傳輸?shù)姆椒╗J].汽車實(shí)用技術(shù)，2015（06）：68-70.
[4]呂亭強(qiáng)，周亮亮，江進(jìn)，李成岳，趙維偉，張鵬.基于VCU的商用車車速信號處理技術(shù)[J].汽車電器，2019（06）：42-44.
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