純電動(dòng)汽車整車控制器的設(shè)計(jì)

汪靜

摘 要：純電動(dòng)汽車不僅僅是作為整車控制器的調(diào)控中心，同時(shí)也在整車控制器中起到核心作用。文章給出了純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，以及整車的工作方式，在此基礎(chǔ)上提出了不同的工作方式下對(duì)應(yīng)的各種控制策略。緊接著根據(jù)其控制策略設(shè)計(jì)了整車控制器的相關(guān)硬件電路，最后結(jié)合整車控制器的硬件電路和控制策略，完成了整車控制器的主程序和各個(gè)子程序的整體設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；整車控制器；硬件設(shè)計(jì)；程序設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，各個(gè)城市的汽車使用戶噴井式增加。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車消耗石油，排出大量廢氣，使得城市的空氣質(zhì)量不斷下降。純電動(dòng)汽車由于不使用傳統(tǒng)化石能源，對(duì)環(huán)境不造成污染，受到人們的青睞。隨著科技的進(jìn)步，電動(dòng)汽車的核心技術(shù)不斷地革新與突破，逐漸完善的城市基礎(chǔ)設(shè)施提供了有利的幫助，電動(dòng)汽車已經(jīng)成為潛力股，逐步取代傳統(tǒng)汽車變?yōu)榭赡躘1]。本文從汽車結(jié)構(gòu)出發(fā)，結(jié)合整車信息傳輸過(guò)程，設(shè)計(jì)了整車控制器的軟硬件結(jié)構(gòu)。

1 整車控制器方案

1.1 純電動(dòng)汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)主要由6個(gè)部分組成：整車控制器、電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力管理系統(tǒng)、逆變器、傳動(dòng)系統(tǒng)和車載儀表[2-3]。

整車控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）依據(jù)采集到的檔位信號(hào)以及加速踏板信等，將控制信息發(fā)送給各類子系統(tǒng)；儀表顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示汽車運(yùn)行狀態(tài)信息；電池管理系統(tǒng)為整車提供能量；電池組的輸出電流隨著電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變換而變換從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步為整車提供能源；充電機(jī)為電池組進(jìn)行充電。

1.2 通信網(wǎng)絡(luò)

整車控制器通過(guò)CAN總線與各子系統(tǒng)通迅，CAN總線網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。整車控制器通過(guò)CAN總線接收汽車運(yùn)行時(shí)各子系統(tǒng)的任務(wù)狀態(tài)信息，再結(jié)合從各類傳感器收集的駕駛信息，由所對(duì)應(yīng)的控制策略計(jì)算出各子系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的控制信息，接著由CAN總線將對(duì)應(yīng)的控制信息傳輸給電機(jī)控制器、電池管理器和車載充電機(jī)等組成部分當(dāng)中，并向智能儀表發(fā)送實(shí)時(shí)的儀表顯示信息以及告警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車輛的驅(qū)動(dòng)控制，故障保護(hù)處理等。

1.3 純電動(dòng)汽車工作模式分析

整車控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）的工作分為多個(gè)狀態(tài)，總體可大致分為5個(gè)狀態(tài)：上電狀態(tài)、行車狀態(tài)、停車狀態(tài)、故障狀態(tài)、充電狀態(tài)[4-5]。

1.3.1 上電狀態(tài)

鑰匙轉(zhuǎn)動(dòng)到上電位置，VCU通電啟動(dòng)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，若VCU工作正常，再給電池組管理子系統(tǒng)、電機(jī)控制子系統(tǒng)、儀表設(shè)備等上電。當(dāng)整車系統(tǒng)正常工作，則完成上電過(guò)程，VCU進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。

1.3.2 行車狀態(tài)

行車狀態(tài)即整車正常上電進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)后的行車過(guò)程，在這個(gè)狀態(tài)中VCU采集駕駛信號(hào)（檔位信號(hào)、加速踏板開(kāi)度、制動(dòng)踏板開(kāi)度等），配合當(dāng)前的行車控制策略，從而可以輸出相應(yīng)控制信息并達(dá)到操作電機(jī)控制器的目的。

1.3.3 停車狀態(tài)

汽車停止行駛，檔位置于空擋位置，鑰匙轉(zhuǎn)動(dòng)到斷電位置。VCU控制各子系統(tǒng)進(jìn)行斷電過(guò)程，再自斷電，完成停車工作。

1.3.4 故障狀態(tài)

電動(dòng)汽車整車故障分為兩級(jí)。故障來(lái)源有BMS，CAN網(wǎng)絡(luò)，電機(jī)控制器及各個(gè)子模塊等。一級(jí)故障為不可接受故障，二級(jí)故障為可接受故障。一級(jí)故障發(fā)生時(shí)，整車不可運(yùn)行，為緊急停止?fàn)顟B(tài)。二級(jí)故障發(fā)生時(shí)，限制汽車功率，繼續(xù)運(yùn)行。

1.3.5 充電狀態(tài)

當(dāng)汽車處于準(zhǔn)備狀態(tài)，VCU檢測(cè)到充電信號(hào)后，發(fā)送充電信息給BMS。在BMS回應(yīng)達(dá)到充電條件的信號(hào)后，進(jìn)入充電狀態(tài)。充電進(jìn)程中VCU會(huì)持續(xù)接收來(lái)自BMS的信息，若出現(xiàn)故障，則中斷充電過(guò)程。

2 整車控制器的硬件電路設(shè)計(jì)

整車控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其硬件電路主要由6個(gè)部分組成，它們分別是：開(kāi)關(guān)量采集模塊、A/D采集模塊、VCU最小系統(tǒng)、CAN通信模塊、串口通信模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊這6個(gè)模塊。功率驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)外部繼電器，控制車載設(shè)備的上下電。開(kāi)關(guān)量采集模塊用于接收相關(guān)開(kāi)關(guān)量信號(hào)，其信號(hào)主要分為檔位信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)、充電信號(hào)這三大類別[6]。模擬量采集模塊用于接收模擬量信號(hào)，主要是制動(dòng)踏板開(kāi)度大小以及加速踏板開(kāi)度大小等信號(hào)。CAN通信模塊其主要作用是用于與其他子系統(tǒng)進(jìn)行通信。串口通信模塊區(qū)別于CAN通信模塊，其主要是用于與上位機(jī)之間的通信。

3 整車控制器的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

整車控制器的主程序用于確定電動(dòng)汽車的運(yùn)行方式，其方式是依據(jù)駕駛信息和CAN總線采集到的其他子系統(tǒng)的狀況信息從而進(jìn)行判斷。在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行上電初始化，系統(tǒng)自檢，而后收集信號(hào)、故障診斷與處理，再進(jìn)行工況判斷與處理、儀表顯現(xiàn)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。根據(jù)上述過(guò)程可以初步得到主程序流程圖，其結(jié)果如圖4所示。

3.2 子程序設(shè)計(jì)

由圖4可以分析得到子程序的相關(guān)類別，其主要包括CAN通訊程序、工況判斷與處理程序、故障診斷及處理程序等3個(gè)部分。

3.2.1 CAN通訊程序

CAN通訊程序包括CAN接收子程序以及CAN發(fā)送子程序。

（1）CAN信息發(fā)送。

CAN發(fā)送程序的相關(guān)流程如圖5所示，在CAN發(fā)送環(huán)節(jié)的過(guò)程之中，發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度和總線時(shí)鐘是首先被檢查的對(duì)象，隨后尋找空閑緩沖器，設(shè)置數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)以及長(zhǎng)度，再寫(xiě)入數(shù)據(jù)到緩沖器。CAN信息發(fā)送的最后一步是清除發(fā)送標(biāo)志位的使能信號(hào)發(fā)送，從而CAN信息的發(fā)送過(guò)程結(jié)束進(jìn)入接收環(huán)節(jié)。

（2）CAN信息接收。

CAN接收程序如圖6所示，進(jìn)入CAN發(fā)送程序后，首先檢查緩沖器的接收標(biāo)志位，看是否收到數(shù)據(jù)。在確認(rèn)數(shù)據(jù)被緩沖器接收到了情況下，進(jìn)一步讀取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度及包含的數(shù)據(jù)，在這個(gè)過(guò)程結(jié)束后再清除接收標(biāo)志位的使能信號(hào)，這樣就完成了數(shù)據(jù)的接收。

3.2.2 故障診斷與處理

故障診斷與處理程序如圖7所示，電動(dòng)汽車的故障分為兩級(jí)。一級(jí)故障發(fā)生時(shí)，汽車停止運(yùn)行，關(guān)閉所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)。二級(jí)故障發(fā)生時(shí)，限制汽車運(yùn)行功率。

3.2.3 工況處理

工況處理程序如圖8所示，汽車的運(yùn)行工況分為前進(jìn)、后退、空檔和制動(dòng)4種模式。整車控制器確定車輛所處于的工況是以駕駛狀態(tài)、電機(jī)狀態(tài)及車輛運(yùn)行狀態(tài)這3個(gè)實(shí)時(shí)狀態(tài)為依據(jù)進(jìn)行判斷的，在確定對(duì)應(yīng)的工況后則發(fā)送相對(duì)應(yīng)的控制信息。

4 結(jié)語(yǔ)

純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)具有較好的市場(chǎng)前景，并且有其一套完整的控制系統(tǒng)。其核心部件是整車控制器；電池組管理系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及充電系統(tǒng)是它的3個(gè)外圍輔助系統(tǒng)，在整個(gè)控制系統(tǒng)中也起著至關(guān)重要的作用。作為純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的核心，整車控制器具有協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)的作用，在配合整車控制策略的同時(shí)可以更好地發(fā)揮其功能，從而使純電動(dòng)汽車能夠正常行車。本文當(dāng)中介紹了整車控制器與外圍系統(tǒng)的通迅網(wǎng)絡(luò)，并以此大致搭建了整車控制器的整體硬件電路；在此基礎(chǔ)上依據(jù)整車控制策略，合理設(shè)計(jì)了整車控制軟件，并達(dá)到預(yù)計(jì)的效果。

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