電動汽車整車控制器設(shè)計及測試

黃 其，薛利昆，羅 玲，王偉建

（1.國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心，貴陽550081；2.西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安710072）

電動汽車以電機為驅(qū)動機構(gòu)，與傳統(tǒng)燃油發(fā)動機汽車相比，起動力矩大、加速快，變速箱噪聲減少，行駛中沒有尾氣排放，應(yīng)用越來越廣泛[1]。電動汽車的三大核心部件為整車控制器VCU（vehicle control unit）、電池管理系 統(tǒng)BMS（battery management system）和電機控制系統(tǒng)MCU（motor control unit），通過控制信號線束（通常采用CAN 總線）和電力線束相互連接[2]，如圖1 所示。整車控制器VCU接收駕駛員的操作指令，并實時監(jiān)控整車附件、電池系統(tǒng)及電機系統(tǒng)部件的狀態(tài)，向附件和電機系統(tǒng)發(fā)出控制指令。電池管理系統(tǒng)BMS 主要完成電量檢測、保護、狀態(tài)預(yù)測、充放電控制、電流均衡等功能[3]。電機控制系統(tǒng)MCU 是實現(xiàn)電能向汽車動能轉(zhuǎn)換的部件，主要完成行車、剎車、倒車、駐車等功能。三大核心部件都屬于獨立的電子系統(tǒng)，在進行整車組裝前都各自進行測試，通常采用硬件在回路仿真平臺，例如LabCar 或dSPACE 實時仿真系統(tǒng)[4-5]。但半實物仿真平臺系統(tǒng)復(fù)雜，信號采集設(shè)備成本高；而且車輛組裝完成后，測試系統(tǒng)不方便隨車進行現(xiàn)場測試。

圖1 電動汽車的三大核心部件Fig.1 Three major components of electrical vehicle

根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用汽車級單片機英飛凌XC2267M 開發(fā)了電動汽車整車控制器，介紹了硬件結(jié)構(gòu)和程序功能； 并設(shè)計了一套低成本、便攜式的測試系統(tǒng)，包括信號板（開關(guān)量和模擬量輸入，輸出顯示）、USBCAN 通信卡和LabVIEW 測試上位機，對整車控制器進行了相關(guān)測試。

1 整車控制器設(shè)計

整車控制器是電動汽車的控制中心，一方面要識別駕駛員的操作指令，控制各執(zhí)行部件動作，轉(zhuǎn)化為車輛運動；另一方面要對車輛的各個部件（電池管理系統(tǒng)BMS、高壓柜DC/DC、電機控制器MCU、空調(diào)等）進行實時監(jiān)控，根據(jù)運行狀況作出警告或降功率保護處理[6]。

1.1 整車控制器處理硬件設(shè)計

整車控制器的輸入信號主要是駕駛員的操作指令，包括檔位、鑰匙、充電機、以及油門和剎車踏板，還有高壓配電柜反饋信號；整車控制器的輸出信號主要是控制電機與電源母線通斷的接觸器，還有控制空調(diào)、助力轉(zhuǎn)向油泵、制動氣泵、冷卻水泵通斷的繼電器。整車控制器通過CAN 總線與電機控制器、電池管理系統(tǒng)、儀表進行通信。

根據(jù)整車控制器處理的信號內(nèi)容來設(shè)計硬件電路，主要由英飛凌XC2267M 單片機最小系統(tǒng)電路、AD 接口電路、 開關(guān)量電平轉(zhuǎn)換電路、CAN 總線通信電路組成，如圖2 所示。英飛凌XC226x 系列單片機的時鐘頻率為80 MHz，擁有4 個PWM 單元，兩個快速10 位ADC，6 個串行接口（USIC 通道）、6個CAN 節(jié)點，可以運行在低功耗省電模式。整車控制器采用TJA1050 芯片實現(xiàn)CAN 總線通信、 采用BTS724G 芯片實現(xiàn)5 V 高邊驅(qū)動。整個電路板裝入金屬盒，再把金屬盒接地進行屏蔽，來提高整車控制器的抗干擾性能。

圖2 整車控制器的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of VCU

1.2 整車控制器的軟件設(shè)計

英飛凌XC2267M 單片機可采用可視化芯片寄存器配置軟件Dave，直接生成project 文件（包含主函數(shù)和各個模塊的子函數(shù)），能在其他編譯環(huán)境如keil 或Tasking 中打開。整車控制器的軟件主要完成上下電邏輯控制、故障識別及處理、電機請求轉(zhuǎn)矩控制等功能。

1.2.1 上下電邏輯控制

上電時：汽車鑰匙被擰到ON 位置，高壓控制柜就會將電池和電機控制器相互連接。為了防止高電壓電池對電機控制器的電流沖擊，就要控制預(yù)充接觸器和主正接觸器的開通順序：先接通主負(fù)接觸器和預(yù)充接觸器，讓預(yù)充功率電阻和電容來降低電流沖擊，待電容電壓升到電池電壓時再接通主正接觸器，隨后斷開預(yù)充接觸器，如圖3 所示。斷電時：汽車鑰匙被擰到初始斷電位置，先斷開主正接觸器，再斷開主負(fù)接觸器。當(dāng)汽車連接到充電器時，鑰匙不能控制電池和電機控制器相互連接。

圖3 電池與電機的連接電路Fig.3 Connection circuit of BMS and MCU

整車控制器控制的邏輯功能還包括車門開關(guān)、三檔（前進D、后退R、空擋N）切換、冷卻泵的啟動等，邏輯控制通常是各個接觸器按照一定的順序開通/關(guān)斷，宏定義為標(biāo)志位FLAG，前一個標(biāo)志位變化成為下一個標(biāo)志位變化的條件，條件通常是多個標(biāo)志位的與/或邏輯關(guān)系。上下電程序的流程如圖4 所示。

圖4 上下電程序流程Fig.4 Flow chart of RUN/STOP

1.2.2 故障識別及處理

整車的故障包括系統(tǒng)通信掉線和部件異常。部件異常主要有電機控制器、電池管理系統(tǒng)、絕緣監(jiān)測儀、油泵、氣泵、高壓控制柜DC/DC。

整車控制器的通信自檢在上電后首先被執(zhí)行，附件、電機、電池和整車控制器之間互相發(fā)LIFE值，LIFE 值不斷自加（20 ms 一次）循環(huán)，當(dāng)目標(biāo)端前后兩次接收的LIFE 值不變時，通訊異常，連續(xù)500 ms通訊異常時就將通訊故障標(biāo)志位置1。

整車故障分為4 級，由高到低為1～4，其處理方式：1 級故障斷開動力電池車輛停止，2 級故障限功到60%，3 級故障限功到30%，4 級故障限制功率到15%，每級故障都會發(fā)送報警信息。特別注意當(dāng)電池BMS 發(fā)生故障時，電池本身會做故障處理，降低放電電流達(dá)到限制功率的作用，此時為防止整車二次限功，可以采用取最小值的方法得到限制功率值Px和電機轉(zhuǎn)矩Tq請求值如下：

式中：U 為實時電壓；Irea為電池實時放電電流；Imax為電池最大放電電流；K 為限功百分比；n 為實時轉(zhuǎn)速；k 為油門/制動踏板開度（范圍0～1）。

1.2.3 電機請求轉(zhuǎn)矩控制

按照永磁同步電機的工作特性，基速以下采用恒轉(zhuǎn)矩模式，基速以上采用恒功率弱磁升速模式，這也是電動汽車電機的轉(zhuǎn)矩請求最大范圍。但實際中電機請求轉(zhuǎn)矩受電動汽車實際運行情況的限制，例如在驅(qū)動D 檔條件下，車輛最大行駛速度80 km/h，最大加速扭矩為1200 NM，從0 扭矩增至峰值時間需大于0.93 s；當(dāng)車速快接近80 km/h，請求轉(zhuǎn)矩就不能大大超過汽車行駛的阻力矩，以保證較低的加速度。由于電機工作在發(fā)電狀態(tài)的時間較短，而且頻繁短時的充電和放電對電池的壽命有影響，所以整車控制器將電機發(fā)電的能量消耗在功率電阻上。

2 基于LabVIEW 的測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)要提供車輛運行過程中的所有輸入信號，讓整車控制器對信號進行處理；同時測試系統(tǒng)要能顯示出整車控制器的所有輸出結(jié)果。本文采用圖形化編程軟件LabVIEW 開發(fā)上位機軟件監(jiān)控測試結(jié)果，通過USBCAN 卡與整車控制器進行數(shù)據(jù)通信，油門剎車踏板模擬外部輸入信號，信號板顯示輸出信號和中間變量，如圖5 所示。

圖5 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Testing system of VCU

2.1 外部信號的模擬

整車控制器處理的信號有數(shù)字量和模擬量，其中油門和剎車信號為模擬量，其它信號均為數(shù)字信號，包括檔位、鑰匙、繼電器的通斷和反饋；根據(jù)通信速率不同、 整車控制器的CAN 總線通訊分為兩路：電機與整車控制器之間的高速CAN 線，波特率500 kbps；電池、儀表和整車控制器之間的低速CAN1線，波特率200 kbps。CAN 總線采用全雙工模式，可以同時進行數(shù)據(jù)收發(fā)，每路CAN 總線可以掛多個節(jié)點node，每個節(jié)點有獨一的IP 地址，通過IP 地址將報文發(fā)到目的控制器。電機請求轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速、電池SOC、電機和電池的溫度狀態(tài)信息都是通過CAN總線傳輸。

信號板給整車控制器發(fā)送開關(guān)量、也能顯示整車控制器的輸出開關(guān)量；油門和剎車踏板給整車控制器發(fā)送模擬量。上位機一方面收發(fā)CAN 報文，模擬電機、電池或其它附件發(fā)送相應(yīng)報文；另一方面實時檢測各個部件的運行情況，并對整車控制器的中間變量和輸出進行顯示。為了方便測試整車VCU電路板信號流通性和程序的正確性，配合外部信號模擬輸入輸出，整車控制器程序?qū)顟B(tài)標(biāo)志位、中間變量和輸入輸出定義為CAN 總線報文數(shù)據(jù)，以便在上位機軟件上觀察程序邏輯。

2.2 LabVIEW 上位機

LabVIEW 操作界面由前面板、 流程圖和圖標(biāo)/連結(jié)器組成，可以把某一功能的程序封裝成一個VI，VI 之間可以相互調(diào)用。通用計算機連接USBCAN 卡、 裝好相關(guān)驅(qū)動程序，LabVIEW 通過調(diào)用dll 動態(tài)鏈接庫文件來實現(xiàn)外部通信[7]。本測試系統(tǒng)使用的USBCAN 通信卡配有專用的ECanVic.dll文件，ECanVic.dll 定義了接口庫函數(shù)和對應(yīng)結(jié)構(gòu)體，在LabVIEW 的程序框圖將這些函數(shù)裝成一個CAN 報文讀取VI，如圖6 所示。

圖6 CAN 報文讀取子VIFig.6 Message read VI

讀取VI 接收到CAN 報文后，測試系統(tǒng)需要進一步對這些數(shù)據(jù)進行分析和顯示。根據(jù)SAE 美國汽車協(xié)會J1939 協(xié)議，CAN 總線報文包括兩部分，ID信息和數(shù)據(jù)部分[8]。按照數(shù)據(jù)幀的ID（標(biāo)識符）值，報文解釋VI 對數(shù)據(jù)幀進行分類篩選，然后對其進行分析和顯示，如圖7 所示。由于汽車運行的實際參數(shù)有些是帶小數(shù)位，而CAN 報文傳輸?shù)陌l(fā)送值是正整數(shù)，用來提高數(shù)據(jù)處理精度和速度。實際值與發(fā)送值之間的關(guān)系為

圖7 報文解釋子VIFig.7 Message interpretation VI

3 實驗內(nèi)容

測試內(nèi)容主要包括三部分： 硬件信號流通測試、模擬功能測試和現(xiàn)場行車測試。

3.1 硬件信號流通測試

信號流通測試是為了檢測硬件電路板上各種元器件質(zhì)量是否正常、焊接是否正常、信號邏輯是否正常。將USBCAN 卡的兩組CAN1 和CAN2 接口連接整車控制器的兩個CAN 端口，將USBCAN 卡的USB 端接入計算機，打開ECantools 軟件，接通整車控制器電源，查看整車控制器發(fā)出的各種CAN 報文數(shù)據(jù)是否與通信協(xié)議定義的ID 相同，用以判斷整車控制器是否正常工作。在確定通信正常后，打開上位機軟件，發(fā)送測試報文到整車控制器，觀察信號板上對應(yīng)的指示燈閃爍情況，用以判斷整車控制器的IO 端口是否正常； 先后踩下油門踏板和制動踏板，觀察整車控制器的ADC 采樣否正常，如圖8 所示。

3.2 邏輯功能測試

圖8 測試硬件電路Fig.8 Hardware of test bench

點開上位機監(jiān)控軟件的運行按鈕，相當(dāng)于汽車鑰匙擰到第一個位置ACC，上低壓電24 V（整車控制器工作是在上完24 V 低壓之后），低壓器件如車燈、喇叭、儀表、行車記錄儀、雨刷等可以運行。鑰匙擰到第二個位置ON，主負(fù)接觸器閉合，然后預(yù)充接觸器閉合，電池給電機直流母線電容充電，功率電阻限制最大充電，待電機母線電壓大于電池總電壓90%后，主正接觸器閉合，同時預(yù)充接觸器斷開，然后接通DC/DC，油泵（助力轉(zhuǎn)向）開始工作，氣壓低時氣泵（剎車、車門的助力）打開，空調(diào)也可以打開。鑰匙擰到第三個位置START，會自動彈回ON，開始判斷READY 信號，儀表盤上顯示READY 后就可以選擇檔位，給電機發(fā)送轉(zhuǎn)矩請求，同時啟動水泵給電機和控制器進行冷卻。上位機顯示界面如圖9 所示。

圖9 上位機監(jiān)控界面Fig.9 Monitoring interface of supervisory computer

當(dāng)鑰匙退回到ACC 時，先斷開DC/DC、氣泵、油泵、空調(diào)，再斷開主正、主負(fù)接觸器；當(dāng)鑰匙退回到OFF 時，斷開低壓24 V。按照上述方法可以測試車門開關(guān)、三檔（前進D、后退R、空擋N）切換等邏輯功能。

3.3 故障處理測試

整車控制器在程序里定義了各種故障的標(biāo)志位FLAG，包含在CAN 通信報文的數(shù)據(jù)位。故障測試通過上位機軟件模擬發(fā)送故障報文，整車控制器接收到報文后進行分類，判定故障等級，然后做出相應(yīng)的限制功率/轉(zhuǎn)矩請求。

針對一款150 kW 電動汽車主驅(qū)永磁電機，整車控制器接收到實時電機轉(zhuǎn)速（上位機模擬電機控制器發(fā)送報文），根據(jù)式（3）計算出當(dāng)前最大請求轉(zhuǎn)矩，乘以油門或制動踏板開度系數(shù)就得到實際轉(zhuǎn)矩請求值。測試時將油門踏板踩到底，此時開度系數(shù)為1，模擬車速從0 到最高車速，測試軟件繪出了整車控制器在正常情況下和二級故障下最大轉(zhuǎn)矩請求波形，如圖10 所示。

圖10 正常情況和二級故障下的最大轉(zhuǎn)矩曲線Fig.10 Normal condition and secondary failure operation curve

現(xiàn)場測試時，電動汽車的各個部件（電機、電池、DCDC、儀表等）與整車控制器相連，互相收發(fā)信息，上位機只需將USBCAN 連接到車輛上的CAN 雙絞線就能檢測電動車輛的實時運行數(shù)據(jù)。目前此整車控制器已裝到8 米通勤客車上試運行，使用裝有上位機軟件的便攜筆記本可以在各種實驗環(huán)境進行測試。

4 結(jié)語

電動汽車整車控制器主要通過CAN 總線與其它部件進行通信，英飛凌XC2267M 單片機具有6個CAN 節(jié)點，根據(jù)整車控制器外部接口和功能設(shè)計了硬件電路和程序，基于LabVIEW 開發(fā)上位機，通過USBCAN 實現(xiàn)上位機與整車控制器之間的通信。硬件信號流通測試驗證了整車控制器的硬件正確性，邏輯功能測試和故障處理測試驗證了程序功能的正確性。測試系統(tǒng)可作為整車控制器的出廠檢驗工具，也可作為電動汽車日常維護的檢測工具。