新能源汽車低速行駛模擬提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 勇，陳子明，張引引

（中航愛維客汽車有限公司，江蘇 南通 226017）

新能源汽車低速行駛模擬提示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 勇，陳子明，張引引

（中航愛維客汽車有限公司，江蘇 南通 226017）

針對(duì)純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車在起步或車速小于20 km/h時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)聲音較小，在城市及人流密集的區(qū)域，極容易對(duì)行人或者其它車輛造成事故的情況，設(shè)計(jì)一種低速模擬提示系統(tǒng)，可以根據(jù)車輛的行駛狀況模擬其行駛聲音，從而主動(dòng)地提醒行人及其它車輛注意避讓，為新能源汽車行駛安全提供參考。

純電動(dòng)汽車；插電式混合動(dòng)力汽車；起步；模擬提示系統(tǒng)；事故

隨著中國新能源汽車工業(yè)的高速發(fā)展，越來越多的新能源汽車將投放市場。純電動(dòng)及插電式混合動(dòng)力汽車在起步時(shí)都是利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力來源，聲音較小，起步速度較快，在城市及人流密集的區(qū)域，極容易引發(fā)對(duì)車外行人及其它車輛的安全事故。

鑒于目前在商用客車上尚未有滿足上述要求的產(chǎn)品可供使用，針對(duì)以上情況，本文提出設(shè)計(jì)一種低速行駛模擬提示器，當(dāng)車輛在起步且車速低于20 km/h行駛時(shí)，可以根據(jù)車輛的行駛狀況模擬其行駛聲音，以提示車內(nèi)乘客注意及車外行人、車輛主動(dòng)避讓，防止人員傷害及車輛碰撞等安全事故發(fā)生，確保新能源汽車的運(yùn)行安全。外人員發(fā)出適當(dāng)?shù)奶崾拘月曧懀?］。

GB 7258《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（送審稿）12.13.2條規(guī)定：純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車在車輛起步且車速低于20 km/h時(shí)，應(yīng)能給車身人員發(fā)出適當(dāng)?shù)奶崾韭曧懀?］。

1 國內(nèi)外法規(guī)要求

2010年2月，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（UNECE）世界車輛法規(guī)協(xié)調(diào)論壇（WP29）設(shè)立了安靜道路車輛（QRTV）的非正式工作組，該工作組的主要職責(zé)為研究安靜車輛提示音技術(shù)的可行性以及全球化協(xié)調(diào)的必要性，并起草了車輛提示音的全球技術(shù)法規(guī)（GTR）［1］。

2012年，全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)啟動(dòng)車輛低速提示音標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。GB/T 28382—2012《純電動(dòng)乘用車技術(shù)條件》4.4“安全條件”規(guī)定：車輛在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮車輛起動(dòng)、車速低于20 km/h時(shí)，能夠給車

2 設(shè)計(jì)思路

由于目前電動(dòng)汽車儀表板的安裝空間有限，增加電氣設(shè)備需要考慮占用儀表板空間較小、便于安裝的要求，低速行駛模擬提示器的操作面板采用標(biāo)準(zhǔn)翹板開關(guān)結(jié)構(gòu)，主機(jī)部分按隱藏式安裝方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

為了提醒車外行人或車輛，需要在車外安裝一個(gè)揚(yáng)聲器。同時(shí)，為了便于駕駛員感知提示音的變化，可在隱藏式主機(jī)內(nèi)附帶一個(gè)小喇叭。車外提示揚(yáng)聲器安裝于車廂外，需要具備防水性能，其防護(hù)等級(jí)按IP67的要求設(shè)計(jì)。

車輛行駛可能在醫(yī)院、學(xué)?；蛞归g等需要安靜的環(huán)境，此時(shí)，需要將提示音調(diào)低或關(guān)閉。因此，需要設(shè)計(jì)音量調(diào)節(jié)或靜音功能。

3 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)有關(guān)政策法規(guī)和國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，結(jié)合新能源汽車的設(shè)計(jì)環(huán)境，低速模擬提示器應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求。

1）提示器的有效工作車速＞0 km/h且≤20 km/h；對(duì)于20 km/h以上的車速，若需要提示器工作，其發(fā)出的聲壓級(jí)不應(yīng)超過其在20 km/h車速下的提示音。

2）提示器發(fā)出的聲音應(yīng)至少包含2個(gè)160～5 000 Hz范圍內(nèi)的1/3倍頻帶，且至少有一個(gè)1/3倍頻帶在1 600 Hz以下。

3）當(dāng)車輛以5～20 km/h范圍內(nèi)的某一車速行駛時(shí)，提示器所發(fā)出的聲音中至少有一個(gè)聲音的頻率會(huì)隨車速而變化。

4）提示器所發(fā)出的聲音應(yīng)避免采用如救護(hù)車、消防車的報(bào)警音等有特定含義的聲音。推薦采用類似于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛的聲音類型。

5）提示器預(yù)留有音量調(diào)節(jié)開關(guān)、系統(tǒng)指示燈。

6）提示音的聲壓原則上不能超過傳統(tǒng)車的噪音。參考GB1495—2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》對(duì)車外加速行駛的噪聲限值［4］和GB16170—1996《汽車定置噪聲限值》對(duì)勻速行駛的限值［5］，將提示音聲壓設(shè)置為70～80 dBA（100 cm）。

7）防護(hù)等級(jí)參考GB/T 10485的要求，應(yīng)符合IPX5［6］。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 供電電源特性

根據(jù)QC/T413—2002《汽車電器設(shè)備基本技術(shù)條件》要求，12 V及24 V標(biāo)稱電壓的車用電器設(shè)備工作電壓范圍見表1［7］，可根據(jù)需要，標(biāo)稱電壓12 V或24 V均可。

表1 車用電器工作電壓范圍 V

4.2 溫度環(huán)境要求

根據(jù)QC/T413—2002《汽車電器設(shè)備基本技術(shù)條件》要求，乘員艙電子設(shè)備溫度范圍應(yīng)按-40～85℃進(jìn)行設(shè)計(jì)［7］。

4.3 系統(tǒng)邏輯框圖

低速行駛模擬提示器由控制面板、主機(jī)、揚(yáng)聲器和連接線束等組成，其邏輯方框圖如圖1所示。

圖1 提示器邏輯方框圖

4.4 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）電源轉(zhuǎn)換電路 根據(jù)寬電源、低功耗的設(shè)計(jì)要求，選用DC-DC直流開關(guān)轉(zhuǎn)換芯片，將外部9～36 V寬電壓電源轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5 V直流電源。該類芯片可選范圍寬，考慮到設(shè)計(jì)成本，選用市場上較常規(guī)的XL1509-5.0E1芯片。該芯片最大轉(zhuǎn)換電流達(dá)到2 A，工作極限電壓45 V，可靠工作電壓上限為40 V，自帶過流保護(hù)，芯片為SOP-8封裝，適合本產(chǎn)品的使用［8］。

考慮到汽車電子產(chǎn)品的電源反極性保護(hù)要求及本產(chǎn)品的實(shí)際工作電流，選用在電源正極串入二極管1N4004方式來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，在電源芯片輸入端與搭鐵之間并聯(lián)一個(gè)大功率的TVS，型號(hào)為SMBJ36 A，功率600 W，其額定工作電壓36 V，鉗位電壓38～42 V，可有效保護(hù)后端的電源芯片不受損壞。

2）輸入信號(hào)檢測電路 ①CAN接口：用于接收車輛的車速、擋位、左右轉(zhuǎn)向信號(hào)，采用CAN通信簡化設(shè)計(jì)，便于產(chǎn)品附加功能擴(kuò)展。總線接口預(yù)留共模電感和靜電防護(hù)二極管，方便應(yīng)用于比較惡劣環(huán)境時(shí)進(jìn)行調(diào)整防護(hù)。②左、右轉(zhuǎn)向信號(hào)采集：對(duì)未采用CAN通信的車型，預(yù)留左、右轉(zhuǎn)向信號(hào)硬線接口，需要滿足脈沖式檢測或固定電平檢測（高低電平均可）。③車速脈沖：對(duì)未采用CAN通信的車型，預(yù)留車速脈沖檢測，脈沖頻率最高需檢測1 kHz。④倒車信號(hào)：對(duì)未采用CAN通信的車型，預(yù)留倒車信號(hào)檢測，需要固定電平檢測（高低電平均可）。⑤靜音按鍵或旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)采集：預(yù)留靜音或音量調(diào)節(jié)功能，滿足醫(yī)院、學(xué)校、夜晚等需要安靜的環(huán)境要求。⑥系統(tǒng)指示燈：用于指示當(dāng)前系統(tǒng)是否處于靜音狀態(tài)。

3）單片機(jī) 目前，單片機(jī)種類繁多，分為通用型、DSP型、混合型及特殊型等幾種。根據(jù)設(shè)計(jì)成本和系統(tǒng)要求，單片機(jī)采用ST公司生產(chǎn)的新型單片機(jī)STM32F103系列產(chǎn)品。該系列芯片主要性能：ARM 32位Cortex-M3內(nèi)核，運(yùn)算速度快，滿足聲音快速響應(yīng)要求；高達(dá)256K的Flash，可儲(chǔ)存多種音效；2.0～3.6 V寬電壓；多種時(shí)鐘可選，內(nèi)部最高72 MHz RC時(shí)鐘；多種電源管理模式，如等待、活躍停機(jī)、停機(jī)等；窗口看門狗和獨(dú)立看門狗 2個(gè)定時(shí)器；多種通信接口，如UART/SPI/I2C/CAN等。

根據(jù)實(shí)際需要，選用STM8F103R8。寬溫（-40～105℃），256K的FLASH，帶12位ADC，1路CAN接口，2路DAC，多個(gè)I/O口及外部中斷［9］。

4）單片機(jī)外圍電路 按照芯片推薦的外圍電路，用RC復(fù)位電路完成芯片的上電復(fù)位，并在電阻上反相并聯(lián)一個(gè)泄放二極管，以應(yīng)對(duì)電源的快速波動(dòng)。

其它如芯片VDD，通過一個(gè)電容做內(nèi)部電源的濾波。

由于采用CAN通信，需要采用外部晶振保證時(shí)鐘的精度，確保CAN通信正常工作。

程序升級(jí)接口預(yù)留一個(gè)4芯插座，便于在線仿真和軟件升級(jí)。

5）聲音輸出 主機(jī)喇叭采用中低音喇叭，為提示器聲音輸出器件，用于駕駛員感知提示器的音量。車外揚(yáng)聲器采用高低音揚(yáng)聲器，保證高頻和低頻聲音均可輸出，確保在不同聲音頻率下車外行人或車輛都能感知。

6）操作面板與指示燈 方案1：按鍵式操作面板上有2個(gè)LED指示燈，綠色為電源指示燈，上電后常亮；紅色為靜音指示燈，按下靜音按鍵，指示燈點(diǎn)亮，提示駕駛員目前已進(jìn)入靜音狀態(tài)。如圖2所示。

方案2：旋鈕式操作面板上有一個(gè)電源指示燈，用于觀察提示器的工作狀態(tài)。通過旋鈕，可以調(diào)節(jié)提示器的音量，右旋音量增大，左旋音量減小。如圖3所示。

圖2 按鍵式操作面板效果圖

圖3 旋鈕式操作面板效果圖

7）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 操作面板外殼按底座和面板組合設(shè)計(jì)，底座考慮卡槽和兩側(cè)的彈片，應(yīng)能牢固地卡入儀表板上翹板開關(guān)底座內(nèi)。彈片設(shè)計(jì)為鋸齒狀，可有效地卡入不同厚度的安裝板上。上蓋采用透明材質(zhì)設(shè)計(jì)，并在正中預(yù)留一個(gè)靜音按鍵或音量調(diào)節(jié)旋鈕開關(guān)位置。如圖4所示。

圖4 操作面板結(jié)構(gòu)圖

提示器主機(jī)按隱藏式安裝方式設(shè)計(jì)，大小為122 mm×83 mm×35 mm，共有橫豎4個(gè)安裝孔，小巧精致，方便安裝。同時(shí)，內(nèi)置喇叭采用百葉窗式出音孔，可有效地防止異物顆粒掉入。如圖5所示。

圖5 提示器主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

外接揚(yáng)聲器采用防水喇叭造型，喇叭口可90°旋轉(zhuǎn)，選擇合適的位置和角度安裝。如圖6所示。

圖6 外接揚(yáng)聲器結(jié)構(gòu)圖

8）軟件流程圖 系統(tǒng)軟件流程方框圖如圖7所示。

圖7 軟件流程方框圖

9）開發(fā)環(huán)境 STM32微處理器基于ARM嵌入式開發(fā)環(huán)境，可用STM32開發(fā)。Keil是德國知名軟件公司Keil（現(xiàn)已并入ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺(tái)，是目前ARM內(nèi)核單片機(jī)開發(fā)的主流工具。Keil的開發(fā)方案提供了一個(gè)集成的開發(fā)環(huán)境（uVision），目前最高版本是uVision3，其界面友好，易學(xué)易用。在調(diào)試程序、軟件仿真方面，也有很強(qiáng)的功能［10］。

10）固件庫 軟件編程采用ST公司針對(duì)STM32芯片提供的固件庫對(duì)寄存器和外設(shè)進(jìn)行配置。目前ST公司已有多種標(biāo)準(zhǔn)的固件庫可供使用，并提供了固件庫使用手冊進(jìn)行詳細(xì)說明。本產(chǎn)品開發(fā)基于STM32固件庫使用手冊V3.5版本，即《32位基于ARM微控制器STM32F101xx與STM32F103xx固件函數(shù)庫》（英譯文原版為UM0427 Oct.2007 Rev2）［11］。

5 低速行駛模擬提示器工作原理

1）電源模塊提供電源，輸入電壓12 V/24 V系統(tǒng)可選。

2）CAN總線模塊可接收車速、轉(zhuǎn)向、倒車等信號(hào)，供給中控模塊分析。對(duì)于未采用CAN總線的車型，可使用脈沖接收模塊接收車速、轉(zhuǎn)向、倒車等信號(hào)。

3）中控模塊通過信號(hào)接收模塊提供的信息進(jìn)行分析、計(jì)算，合成音頻信號(hào)；音頻信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大和功率放大后，推動(dòng)喇叭發(fā)出提示音。中控模塊合成的提示音隨車速變化，靈活改變音頻的音調(diào)和音量。

4）中控模塊通過信號(hào)接收模塊接收的信息，可識(shí)別車輛倒車、轉(zhuǎn)向等信息，實(shí)現(xiàn)語音提示。

5）中控模塊通過采集操作面板的信息，控制靜音或音量調(diào)節(jié)。

6 結(jié)束語

新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，國務(wù)院對(duì)新能源汽車安全問題高度重視。車輛運(yùn)行安全，也是一個(gè)不容忽視的問題。按照以上設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)的低速行駛模擬提示器，通過實(shí)車安裝測試，滿足最初設(shè)計(jì)要求，可以在車輛起步或低速行駛時(shí)模擬其行駛聲音，主動(dòng)提醒行人及其它車輛注意避讓，對(duì)新能源汽車的運(yùn)行安全提供了保障。

［1］ 高岳.安靜行駛車輛低速提示音標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)國際狀況及發(fā)展趨勢分析［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（ 19）：44-45.

［2］ GB/T28382，純電動(dòng)乘用車技術(shù)條件［S］.2012.

［3］ GB 7258，機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件［S］.2016.

［4］ GB1495 汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法［S］.2002.

［5］ GB16170 汽車定置噪聲限值［S］.1996.

［6］ GB/T10485 汽車及掛車外部照明和信號(hào)裝置基本環(huán)境試驗(yàn)［S］.2007.

［7］ QC/T413，汽車電器設(shè)備基本技術(shù)條件［S］.2002.

［8］ XLSEMI公司.XL1509數(shù)據(jù)手冊［R］.

［9］ ST公司.STM32F10xReference［R］.

［10］ ARM公司.Create Applications with MDK Version 5 for ARM Cortex-M Microcontrollers［R］.

［11］ ST公司.32位基于ARM微控制器STM32F101xx與STM32F103xx固件函數(shù)庫［R］.

（編輯 楊 景）

Design of Simulating Cue System for Low-speed Driving on New Energy Vehicles

HAN Yong，CHEN Zi-ming，ZHANG Yin-yin
（AVIC Motor Co.，Ltd.，Nantong 226017，China）

Due to the small sound of electric motors when the speed is below 20 km/h，it is easy for pure electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles to cause accidents that involve pedestrians or other vehicles in urban areas and crowded areas.Here a low-speed simulation prompt system is designed for this issue.It can simulate driving sound of these vehicles according to their driving state，so as to actively alert pedestrians and other vehicles.This system will be used as some references for driving safety of new energy vehicles.

pure electric vehicle；plug-in hybrid car；starting；simulation system；accident

U469.72

A

1003-8639（2017）09-0001-04

2016-12-22

韓勇（1988-），男，工程師，主要從事新能源汽車整車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研發(fā)。