純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車整車控制單元的開發(fā)

汪 斌 ，吳明瞭，劉曉謙，李 良，盧 佳

Wang Bin，Wu Mingliao，Liu Xiaoqian，Li Liang，Lu Jia

（東風(fēng)汽車股份有限公司商品研發(fā)院，湖北 武漢 430057）

在國家《電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》中，純電動(dòng)汽車受到了相當(dāng)大的關(guān)注，是國家實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級、技術(shù)轉(zhuǎn)型和科技跨越的必然要求[1]。但限于當(dāng)前電池技術(shù)的發(fā)展水平，大規(guī)模個(gè)人使用純電動(dòng)車輛還有很多困難。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，政府主導(dǎo)的市政環(huán)衛(wèi)車輛對于純電動(dòng)車型有相當(dāng)大需求量，這體現(xiàn)了政府對電動(dòng)車發(fā)展的支持與鼓勵(lì)，為推動(dòng)電動(dòng)汽車事業(yè)向前發(fā)展有重要影響。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能定義

文中的純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車采用前置后驅(qū)的模式，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要部件包括：整車控制單元、電動(dòng)機(jī)及其控制單元、動(dòng)力電池包及其管理單元、手動(dòng)變速器、主減速器、DCDC、電動(dòng)轉(zhuǎn)向泵和電動(dòng)打氣泵等，由于環(huán)衛(wèi)車一般在市內(nèi)工作，運(yùn)行條件和充電條件較好，因此該車不設(shè)置車載充電機(jī)，依靠外接充電。

整車控制單元對駕駛員的加速踏板、換擋等操作進(jìn)行識(shí)別，進(jìn)而控制車輛的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)整車定義的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)安全性指標(biāo)。因此，整車控制單元是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心[2]，具體需要實(shí)現(xiàn)的功能及其功能描述列于表1。

表1 整車控制單元功能定義及簡要描述

2 硬件平臺(tái)

根據(jù)整車控制單元需要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)控制器的硬件，包括：

1）外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。需實(shí)現(xiàn)整體防護(hù)要求達(dá)到IP67，為此選用的插接件為ECU專用的成熟產(chǎn)品，防護(hù)性能高，且經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)。

2）電源模塊?？刂破髟O(shè)計(jì)工作電壓為 DC24 V，電壓適應(yīng)范圍為DC16～32 V。

3）輸入輸出接口模塊。完成數(shù)據(jù)采集濾波和控制指令的發(fā)出。控制器設(shè)計(jì)有2路CAN總線，分別用于行車時(shí)的數(shù)據(jù)通信和停車充電時(shí)的通訊。為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，對需要的地方進(jìn)行光耦隔離。

4）算法處理單元。這是整車控制單元的核心部分，實(shí)現(xiàn)了控制算法的硬件基礎(chǔ)。采用Freescale公司成熟的S12系列16位微處理器，能夠保證算法計(jì)算的實(shí)時(shí)性。

5）電路設(shè)計(jì)。電路設(shè)計(jì)除考慮常用需要外，重點(diǎn)應(yīng)滿足電磁兼容性的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

控制單元的軟件結(jié)構(gòu)大體分為上層程序和底層程序。其中，上層程序指控制策略的實(shí)現(xiàn)部分，是滿足控制功能的核心部分；底層程序主要是對硬件設(shè)備進(jìn)行控制，是控制單元穩(wěn)定可靠運(yùn)行的保證。

3.1 上層算法設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)表 1中的功能，控制器軟件將整車工況狀態(tài)劃分為多種模式，每種模式都對入口條件進(jìn)行判斷：軟件根據(jù)加速踏板位置、制動(dòng)踏板位置、擋位、離合器狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)狀態(tài)和電池狀態(tài)綜合分析判斷當(dāng)前整車處于何種狀態(tài)。每種狀態(tài)下，定義了控制器應(yīng)當(dāng)采取的應(yīng)對措施，產(chǎn)生并發(fā)出控制信號(hào)。這些控制信號(hào)基于整車轉(zhuǎn)矩控制，同時(shí)也限制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行最高轉(zhuǎn)速。例如，對正常行駛狀態(tài)的判斷是：上電完成，未發(fā)駐車信號(hào)，未掛空擋，未踩離合器，加速踏板踩下，此時(shí)，根據(jù)加速踏板開度的大小計(jì)算相應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩值通過CAN總線發(fā)送至電動(dòng)機(jī)控制單元，通過電動(dòng)機(jī)控制單元對電動(dòng)機(jī)電流進(jìn)行控制。

3.2 底層軟件設(shè)計(jì)

控制單元的主程序無限循環(huán)運(yùn)行，進(jìn)入主程序之前，首先需對控制單元的各個(gè)端口進(jìn)行初始化，使其處于正常工作狀態(tài)。進(jìn)入主程序后，通過底層程序采集端口上的信號(hào)，并送入主程序中的控制算法進(jìn)行計(jì)算，然后將算法計(jì)算所得到的各種控制量通過底層軟件發(fā)送出去，傳送給其他執(zhí)行器的控制單元，實(shí)現(xiàn)整車控制。

4 實(shí)車道路試驗(yàn)

實(shí)車基本參數(shù)列于表2。

表2 純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車基本參數(shù)

在襄陽試車場進(jìn)行實(shí)車實(shí)際道路試驗(yàn)，累計(jì)試驗(yàn)里程已超過20000 km，整車控制單元各項(xiàng)指標(biāo)都經(jīng)受住實(shí)際檢驗(yàn)，安全有效。

5 結(jié)束語

針對純電動(dòng)市政環(huán)衛(wèi)車的使用工況和條件，設(shè)計(jì)定義了整車控制需要滿足的功能，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的軟、硬件設(shè)計(jì)與自主開發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。通過實(shí)車試車場試驗(yàn)表明，所開發(fā)的控制單元能較好地滿足預(yù)定的功能和性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[1]中國科技網(wǎng). 電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃（摘要）[EB/OL]. http：//www.stdaily.com/，2012-03-03.

[2]羅水平. 純電動(dòng)汽車整車控制器開發(fā)的探討[J]. 海峽科學(xué)，2010，（12）：64-67.