電動汽車控制系統(tǒng)研究

賈瑞　潘秉鈺　王金鑫

摘 要：隨著電動汽車控制技術(shù)和電子控制單元（ECU）的發(fā)展，如何優(yōu)化車輛控制性能成為了決定電動汽車設(shè)計水平的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)的車輛部件進(jìn)行合理、協(xié)調(diào)的綜合控制，本文基于模塊化思想，通過構(gòu)建分布式控制網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了純電動汽車控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對車輛控制器的工作原理和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析，為純電動汽車的控制系統(tǒng)的性能評價提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電動汽車 車輛控制系統(tǒng) 整車控制器

1 引言

現(xiàn)代電動汽車的研究和開發(fā)是基于現(xiàn)代控制技術(shù)的理論，包括汽車技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動技術(shù)、電力電子技術(shù)和儲能技術(shù)等。

電動汽車設(shè)計過程中需要解決的三大問題，分別是整車技術(shù)、電力驅(qū)動技術(shù)和能源管理技術(shù)。其中，整車技術(shù)包括兩個方面：一是車身技術(shù)，主要是通過減輕電動汽車車身重量，實(shí)現(xiàn)加速和爬坡能力提升，有效增加行駛距離；二是整車控制系統(tǒng)集成控制技術(shù)，主要是對電動汽車的電子控制單元進(jìn)行合理布置和協(xié)調(diào)，節(jié)省材料和降低成本，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在控制過程中的優(yōu)化，提高車輛性能[1]。

在傳統(tǒng)燃油汽車中，發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)控制發(fā)動機(jī)在滿足排放法規(guī)的前提下，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和駕駛性能；對于純電動汽車，動力電池代替燃油作為動力來源，取代了原有的發(fā)動機(jī)，因此，純電動汽車還需要一個車輛控制系統(tǒng)優(yōu)化能量的分配以提高行駛里程。而車輛控制系統(tǒng)對車輛行駛性能有著重要影響，是純電動汽車控制技術(shù)研究的重要內(nèi)容[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計需求分析

純電動汽車控制系統(tǒng)集成了包括電機(jī)、變流器、動力電池、變速器等在內(nèi)的各種電控設(shè)備，是一個集電氣、電子、機(jī)械、化學(xué)等于一體的非線性動態(tài)系統(tǒng)。因此，無論電動汽車的其他裝配性能如何，即使都處于良好狀態(tài)、一旦整車控制器出現(xiàn)問題，車輛將無法正常運(yùn)行，無法實(shí)現(xiàn)能量回收控制，甚至發(fā)生事故。如何協(xié)調(diào)各部分功能單元，使之合理、高效地工作成為純電動汽車控制系統(tǒng)設(shè)計的一個非常棘手的問題。

基于國內(nèi)外車輛控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，針對車輛控制技術(shù)發(fā)展過程中存在的一些問題，本文構(gòu)建了車輛控制系統(tǒng)的整體框架，對車輛控制器的工作原理進(jìn)行了分析，最終確定了其功能。

3 車輛控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

一般來說，純電動汽車控制器的功能實(shí)現(xiàn)方案有兩種：集中式控制和分布式控制，如表1所示。

由于CAN總線越來越多地應(yīng)用于分布式控制系統(tǒng)，結(jié)合表1提供的兩種控制方案的分析，本研究采用了基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)。

基于模塊化結(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)可提高車輛各子系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性。該系統(tǒng)可分為兩層：整車控制器和二級控制器。如圖1所示，其中，整車控制器（VCU）作為處理信息和發(fā)布指令的頂層，二級控制器中的電機(jī)控制器（MCU）、車輛組合儀表（ICM）和電池管理系統(tǒng)（BMS）對各自的控制對象進(jìn)行管理和監(jiān)控。各級實(shí)時狀態(tài)參數(shù)子系統(tǒng)將采集到的信息通過CAN總線實(shí)現(xiàn)共享交換給VCU，再由VCU進(jìn)行信息綜合，在各級控制器之間實(shí)現(xiàn)集中與分散的控制功能、信息交互功能[3-4]。

4 電動汽車控制系統(tǒng)概述

純電動汽車動態(tài)控制系統(tǒng)可分為三部分，分別為車輛控制系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和電池管理系統(tǒng)，如圖2所示。整車控制器作為衡量車輛控制系統(tǒng)性能和功能水平的車輛控制系統(tǒng)核心部件，其功能實(shí)現(xiàn)程度直接影響整車控制系統(tǒng)的控制效果[5]。

車載控制器作為純電動汽車控制系統(tǒng)中最重要的核心部分，負(fù)責(zé)整體控制、協(xié)調(diào)和監(jiān)控車輛的運(yùn)行狀態(tài)，將總線信號和傳感器信號通過控制策略，傳遞給二級電子控制單元，實(shí)現(xiàn)能量管理、故障診斷和對車輛運(yùn)行狀態(tài)的控制、監(jiān)控等功能，并通過液晶汽車儀表顯示。車輛控制器架構(gòu)如圖3所示。

5 整車控制系統(tǒng)的工作原理

車輛控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，按執(zhí)行任務(wù)的層次可分為三層：駕駛員意圖層，根據(jù)駕駛員駕駛需要，將油門踏板、剎車踏板、擋位等發(fā)送給整車控制器；協(xié)調(diào)層，根據(jù)車輛控制器處理的實(shí)時狀態(tài)信息和控制指令對駕駛員的操作企圖進(jìn)行合理判斷；執(zhí)行層，處理由車輛控制器做出的相關(guān)控制指令。為了提高整車控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，要依靠系統(tǒng)的控制誤差進(jìn)行反饋修正。圖4展示了整車控制器的工作原理。

純電動汽車的充電是通過地面上的充電設(shè)備完成的，當(dāng)駕駛員使用鑰匙啟動開關(guān)時，動力電池通過DC/DC轉(zhuǎn)換為輔助電源，為儀表和照明等低壓電器設(shè)備提供能量。同時，通過動力電池向電機(jī)控制器供電，逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換為三相交流電供電機(jī)運(yùn)行，然后經(jīng)過變速器、旋轉(zhuǎn)軸、差速器和后橋驅(qū)動車輛。整車控制器通過控制驅(qū)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或后退[6]。

當(dāng)車輛啟動時，駕駛員首先將擋位選擇在 “前進(jìn)”或“后退”位置，然后踩下加速踏板。當(dāng)加速踏板離開初始位置后，駕駛員可以通過改變加速踏板的開度來完成行駛扭矩的給定值變化。VCU采集到該信號，經(jīng)過扭矩管理后發(fā)送給電機(jī)控制器。當(dāng)電機(jī)控制器收到控制信號和驅(qū)動力矩給定值時，控制其運(yùn)行，能量流向電機(jī)，并根據(jù)控制信號確定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，同時根據(jù)給定值確定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，根據(jù)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩信號給定值來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

純電動汽車的制動方式分為兩種：緊急制動和應(yīng)急制動。前者一般依靠機(jī)械制動系統(tǒng)進(jìn)行制動；后者通常由機(jī)械制動和電機(jī)再生制動組成。當(dāng)需要使用較小的制動強(qiáng)度時，制動系統(tǒng)將以再生制動為主，機(jī)械制動為輔；當(dāng)二級制動強(qiáng)度時，制動系統(tǒng)將以機(jī)械制動為主，再生制動為輔。

當(dāng)駕駛員踩下制動踏板制動，制動踏板偏離初始位置時，VCU采集到該信號，經(jīng)過扭矩管理后發(fā)送給電機(jī)控制器。電機(jī)控制器會結(jié)合控制信號、制動水平和制動力矩給定值三個指標(biāo)來控制電機(jī)的制動狀態(tài)功率，并根據(jù)制動力矩給定值信號來確定電機(jī)輸出制動力矩的大小，同時開啟再生制動，給動力電池供電。當(dāng)抬起制動踏板時，制動狀態(tài)信號消失，制動力矩給定值也恢復(fù)為零，這時電機(jī)控制器停止制動力矩的輸出。當(dāng)車輛在減速模式下運(yùn)行時，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能為電池供電，以增加純電動汽車的續(xù)航里程。

6 整車控制系統(tǒng)的主要功能

整車控制器作為純電動汽車的核心控制器，對車輛的運(yùn)行管理和各相關(guān)ECU的控制起著至關(guān)重要的作用。由于電控單元對各部分的控制功能不同，原來復(fù)雜的控制系統(tǒng)可以分解成相對簡單的單個子系統(tǒng)，然后基于模塊化思想明確每個模塊可以實(shí)現(xiàn)的功能。

一方面，它通過傳感器接收駕駛員傳輸?shù)鸟{駛意圖數(shù)據(jù)和指令，并按照控制策略進(jìn)行處理和分析，然后向電機(jī)控制單元、電池管理系統(tǒng)和汽車儀表盤控制單元發(fā)送控制指令，同時對車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控；另一方面，在純電動汽車制動過程中對制動能量進(jìn)行回饋控制，進(jìn)而提高純電動汽車的續(xù)航里程。車輛控制器的電子控制單元利用CAN總線和其他數(shù)據(jù)信息來傳遞控制指令。車輛控制器被視為車輛通信網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，以提高數(shù)據(jù)傳輸率和可靠性。

該車輛控制器實(shí)現(xiàn)的主要功能有：

（1）驅(qū)動力矩控制

驅(qū)動力矩的控制，作為整車控制器最基本、最重要的功能，通過收集踏板信息，然后解析駕駛員的操作意圖，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)輸出力矩需求的計算。在這個過程中，駕駛員通過操縱油門或制動踏板來實(shí)現(xiàn)信號輸入，也就是將駕駛員的操作目的以信號的形式傳遞給整車控制器，然后通過分析處理后由機(jī)動車控制器根據(jù)駕駛員的心理意圖輸出驅(qū)動力矩或制動力矩。

（2）制動能量優(yōu)化控制

純電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比，主要區(qū)別之一是制動能量的回收。電機(jī)作為唯一的動力輸出并具有電機(jī)和發(fā)電機(jī)兩種功能——當(dāng)駕駛員踩下油門踏板驅(qū)動車輛時，電機(jī)的功能相當(dāng)于電動機(jī)；相反，當(dāng)駕駛員踩下制動踏板減速行駛時，電機(jī)的功能相當(dāng)于發(fā)電機(jī)，也就是利用電動汽車的制動能量發(fā)電并儲存到儲能裝置中，當(dāng)滿足一定條件時，又將能量輸送到電池組中。在這個過程中，車輛控制器根據(jù)加速踏板開度、制動踏板開度、當(dāng)前速度以及動力電池的荷電狀態(tài)（SOC）來確定是否在某一時刻回收制動能量，提高能量利用效率。

（3）車輛能量管理

在純電動汽車發(fā)展過程中，動力電池除了向驅(qū)動系統(tǒng)供電外，還向轉(zhuǎn)向電機(jī)、空調(diào)等汽車電氣設(shè)備供電。為了延長續(xù)航里程，整車控制器可以對能源進(jìn)行合理的優(yōu)化，當(dāng)電池電量不足時，發(fā)出關(guān)閉部分輔助電器設(shè)備的控制指令，從而保證車輛用電的安全性，進(jìn)而提高能源利用率。

（4）CAN網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理

整車控制器作為通信網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)，同時也對車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，該通信網(wǎng)絡(luò)基于CAN總線技術(shù)，擁有多個主從節(jié)點(diǎn)，對車載網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，并具有信息動態(tài)分配的優(yōu)先權(quán)。

（5） 故障診斷與處理

整車控制器可以連續(xù)實(shí)時監(jiān)測車輛運(yùn)行狀態(tài)，包括各部件ECU的工作情況，一旦電子控制單元出現(xiàn)故障首先及時報警，在采取安全措施的同時，再進(jìn)行故障診斷，存儲并發(fā)送錯誤代碼，為以后的汽車維修和日常檢查提供依據(jù)，最后對故障問題進(jìn)行分類處理，并對那些不影響車輛運(yùn)行的故障進(jìn)行處理，以維持車輛的正常行駛。

（6）車輛狀況監(jiān)測

整車控制器基于車載儀表顯示車輛的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)信息，使駕駛員了解車輛狀態(tài)。車況監(jiān)測技術(shù)基于CAN總線通信對電機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、電池剩余電量、電流等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并將上述數(shù)據(jù)通過車載儀表盤直觀顯示，提高了駕駛員與車輛之間的互動性，同時為駕駛員準(zhǔn)確掌握車輛整體運(yùn)行狀況提供便利條件。

7 總結(jié)

純電動汽車整車控制器作為整車控制系統(tǒng)的核心部件，對汽車的移動、制動能量優(yōu)化、能量管理、CAN網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理、故障診斷和處理、車況監(jiān)測等功能的實(shí)現(xiàn)程度起著關(guān)鍵作用。本文首先介紹了純電動汽車控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，以及分布式控制系統(tǒng)的確定，然后通過整車控制器原理圖概述了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，再詳細(xì)介紹了整車控制器的工作原理，最后提出了整車控制器所能實(shí)現(xiàn)的功能，為進(jìn)一步研究開發(fā)和性能評估提供理論依據(jù)。

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