復(fù)合電源純電動汽車整車控制器設(shè)計(jì)

周美蘭 嚴(yán)文淼 郭金梅

摘 要：整車控制器是純電動汽車的核心部件，將復(fù)合電源純電動汽車中的整車控制器作為研究對象。分析了整車控制系統(tǒng)的組成，設(shè)計(jì)了復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)，制定了復(fù)合電源的工作模式與能量管理控制策略，設(shè)計(jì)了基于SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)的整車CAN通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用CRUISE軟件搭建了復(fù)合電源純電動汽車整車模型并進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了能量管理控制策略對復(fù)合電源能量分配的有效性。最后，搭建了整車控制器實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行試驗(yàn)。測試結(jié)果表明，整車控制器軟硬件設(shè)計(jì)可靠，復(fù)合電源能量控制策略合理。

關(guān)鍵詞：純電動汽車;整車控制器;復(fù)合儲能;CAN通信

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.011

中圖分類號： TM91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）02-0073-08

Abstract：Vehicle control unit is the key component of electric vehicle， the vehicle controller of pure electric vehicle with composite power is taken as the object of study. The composition of the vehicle control system is analyzed， the structure of the composite power is designed， the working mode and energy management control strategy of composite power is set， and the vehicle CAN communication network based on SAE J1939 standard protocol is designed. The CRUISE software is used to build the vehicle model of the pure electric vehicle with composite power. The effectiveness of energy allocation at the energy management control strategy for the composite power supply is verified. Then an experimental platform is built to test the whole vehicle controller. Experimental results show that the system design reliability of the vehicle controller and the energy control strategy rationality of the composite power is tested and verified.

Keywords：pure electric vehicle;vehicle controller;composite power;CAN communication

收稿日期： 2017-03-05

基金項(xiàng)目：

黑龍江省自然科學(xué)基金（F2016022）.

作者簡介：

嚴(yán)文淼（1990—），男，碩士研究生.

通信作者：

周美蘭（1962—），女，博士，教授，碩士研究生導(dǎo)師，Email：zhoumeilan001@163.com.

0 引 言

純電動汽車作為新能源汽車的一種，以其清潔無污染、驅(qū)動能源多樣化、能量效率高等優(yōu)點(diǎn)成為現(xiàn)代汽車的發(fā)展趨勢[1-2]。單一動力源的純電動汽車在行駛過程中不可避免的要頻繁加減速切換，導(dǎo)致動力電池出現(xiàn)瞬間大電流充放電，這將對電池造成損害，縮短電池使用壽命[3-5]。本文所研究的復(fù)合電源純電動汽車，其供能系統(tǒng)由動力電池與超級電容構(gòu)成，結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，能有效的降低電池大電流充放電頻率，減小對電池的損害，并且能進(jìn)一步的提高汽車的續(xù)航里程[6-7]。

整車控制器（vehicle control unit， VCU）作為純電動汽車整車控制系統(tǒng)的中心樞紐，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理、控制信息傳遞、整車能量管理、上下電控制、車輛部件控制和錯(cuò)誤診斷及處理、車輛安全監(jiān)控等功能[8-9]。整車控制器影響著汽車的動力性能、安全與經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和舒適性，屬于純電動汽車中的頂層控制器[10]。國外在純電動汽車整車控制器的產(chǎn)品開發(fā)中，積極推行整車控制系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化，汽車零部件廠商提供硬件電路和底層驅(qū)動軟件，整車廠只需要開發(fā)核心應(yīng)用軟件，有利的推動了整車行業(yè)的快速發(fā)展[11]。雖然國內(nèi)各大汽車廠商基本掌握了整車控制器的設(shè)計(jì)方案，開發(fā)技術(shù)進(jìn)步明顯，但是對核心電子元器件、開發(fā)環(huán)境的嚴(yán)重依賴，所以導(dǎo)致了整車控制器的國產(chǎn)化水平較低[12]。

本文以復(fù)合電源純電動汽車作為研究對象，針對電動汽車應(yīng)有的結(jié)構(gòu)和特性，對整車控制器的設(shè)計(jì)和開發(fā)展開研究。應(yīng)用CRUISE軟件搭建復(fù)合電源純電動汽車整車模型，驗(yàn)證能量管理控制策略對復(fù)合電源能量分配的有效性。通過搭建整車控制器實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證整車控制器軟硬件設(shè)計(jì)的可靠性，復(fù)合電源能量控制策略的合理性。

1 整車控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

1.1 整車控制系統(tǒng)分析

復(fù)合電源純電動汽車整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由整車控制器、能量管理系統(tǒng)、整車通信網(wǎng)絡(luò)以及車載信息顯示系統(tǒng)等組成。首先純電動汽車整車控制器通過采集啟動、踏板等傳感器信號以及與電機(jī)控制器、能量管理系統(tǒng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互，獲取整車的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后整車控制器通過所有當(dāng)前數(shù)據(jù)對駕駛員意圖和車輛行駛狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而進(jìn)入不同的工況與運(yùn)行模式，對電機(jī)控制系統(tǒng)或制動系統(tǒng)發(fā)出操控命令，并接受各子控制器做出的反饋[13]。

保障純電動汽車安全可靠運(yùn)行，并對各個(gè)子控制器進(jìn)行控制管理的整車控制器，屬于純電動汽車整車控制系統(tǒng)的核心設(shè)備[14]。整車控制器實(shí)時(shí)地接收傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和駕駛操作指令，依照給定的控制策略做出工況與模式的判斷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)或者控制車輛的上下電，以整車控制器為中心通信節(jié)點(diǎn)的整車通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)快速、可靠的傳遞[15]。

1.2 整車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)合電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選擇了超級電容與DC/DC串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，雙向DC/DC跟蹤動力電池電壓來調(diào)整超級電容電壓，使兩者電壓相匹配[16]。如圖2所示，為了車輛駕駛運(yùn)行安全，同時(shí)為了更好地使超級電容吸收純電動汽車的再生制動能量，在復(fù)合電源系統(tǒng)中動力電池與一組由IGBT組成雙向可控開關(guān)，防止了純電動汽車處于再生制動狀態(tài)時(shí)，動力電池繼續(xù)供電，降低再生制動能量的吸收效率。

整車CAN通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，由整車控制器（VCU）、電機(jī)控制器（motor control unit， MCU）、電池管理系統(tǒng)（battery management system， BMS）、雙向DC/DC控制器以及汽車組合儀表等控制單元（Electronic Control Unit， ECU）組成了復(fù)合電源純電動汽車的整車通信網(wǎng)絡(luò)。CAN總線通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，本文設(shè)計(jì)的整車CAN通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于整車控制系統(tǒng)的各個(gè)部件電控單元之間的通信。

1.3 復(fù)合電源能量管理策略制定

純電動汽車在行駛過程中，整車能量管理系統(tǒng)會根據(jù)車輛行駛工況的不同改變復(fù)合電源的工作模式，通過采用合理的控制策略，可以使復(fù)合電源為運(yùn)行在不同工況下的車輛高效地提供能量，保障了車輛行駛的舒適性與通過性[17-18]。能量控制策略是復(fù)合電源系統(tǒng)的核心，能充分發(fā)揮動力電池和超級電容的優(yōu)勢，互相彌補(bǔ)對方的不足，保證電動汽車在行駛過程中具有較好的啟動、爬坡、加速等動力性能和續(xù)駛里程。因此，復(fù)合電源控制策略的優(yōu)劣影響著復(fù)合電源的工作效率以及電動汽車的駕駛體驗(yàn)與運(yùn)行性能。為了使復(fù)合電源的控制簡單、可靠，采用基于邏輯門限值的控制策略，來管理復(fù)合電源的能量分配。

邏輯門限值控制策略其本質(zhì)是通過對超級電容的閥值進(jìn)行限定以改變邏輯門值，將純電動汽車驅(qū)動電機(jī)的需求功率和超級電容SOC作為工作模式轉(zhuǎn)換區(qū)分元素，將超級電容SOC數(shù)值限定在一定區(qū)間，使超級電容滿足車輛行駛性能的同時(shí)保護(hù)動力電池，避免電池大電流充放電，保證車輛處于再生制動狀態(tài)時(shí)能量回饋可靠。具體的能量管理策略分為以下幾種情況：

1）汽車處于啟動及加速工況下，當(dāng)超級電容SOC大于0.5時(shí)，由超級電容與動力電池共同向驅(qū)動電機(jī)提供功率，動力電池按平均功率輸出，超出動力電池平均功率部分由超級電容提供， ;當(dāng)超級電容SOC小于0.5時(shí)，由動力電池單獨(dú)向驅(qū)動電機(jī)供電，此時(shí) 。當(dāng)動力電池SOC小于0.2時(shí)，輸出效率差，不增加能量輸出。

2）汽車處于巡航工況下，當(dāng)超級電容SOC小于0.5時(shí)，動力電池向驅(qū)動電機(jī)提供功率的同時(shí)，也給超級電容供能，此時(shí) 。當(dāng)動力電池SOC小于0.2時(shí)，輸出效率差，不增加能量輸出。

3）車輛處于減速制動工況下，當(dāng)超級電容SOC小于0.90時(shí)，超級電容能量吸收速度與效率比動力電池高，此時(shí) 。當(dāng)超級電容SOC大于0.90時(shí)，超級電容不吸收能量，將剩余能量回饋至動力電池，此時(shí) 。當(dāng)動力電池SOC大于0.9時(shí)，其充電效率差，不優(yōu)先進(jìn)行能量回饋。邏輯門限控制策略的復(fù)合電源能量管理規(guī)則圖如圖4所示。

1.4 基于CRUISE的純電動汽車仿真分析

選用AVL公司開發(fā)的汽車仿真分析軟件CRUISE，它采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，可以對任意結(jié)構(gòu)形式的汽車傳動系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真[19-20]。應(yīng)用CRUISE仿真軟件搭建復(fù)合電源純電動汽車模型，建立復(fù)合電源控制策略，并在歐洲城市道路工況下對所設(shè)計(jì)的復(fù)合電源控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。整車基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，復(fù)合電源純電動汽車整車模型如圖5所示。

NEDC歐洲行駛循環(huán)工況以及汽車加速情況，如圖6所示?？梢钥吹絅EDC工況的車速集中區(qū)域不超過60km/h。

傳統(tǒng)的純電動汽車采用單一動力電池供電，通過基于NEDC工況進(jìn)行仿真分析，得到單電源供電的純電動汽車動力電池輸出電流變化如圖7所示。由圖可知，受汽車運(yùn)行工況的影響，動力電池存在頻繁的輸入輸出電流變化，電流變化范圍很大，電池頻繁受到大電流的沖擊，對電池性能和壽命產(chǎn)生不良影響。

基于NEDC歐洲行駛循環(huán)工況，對復(fù)合電源純電動汽車進(jìn)行仿真，得到復(fù)合電源中的動力電池與超級電容電流變化如圖8（a）和8（b）所示，當(dāng)電流為負(fù)時(shí)，為放電電流，即輸出電流;當(dāng)電流為正時(shí)，為回饋電流，即輸入電流。動力電池與超級電容SOC變化如圖9（a）和9（b）所示。

由圖8與圖9可知，復(fù)合電源純電動汽車相比于傳統(tǒng)純電動汽車，加入了超級電容可以有效的降低動力電池輸出電流峰值，避免動力電池大電流充放電影響動力電池的性能和使用壽命;加速過程中，超級電容為車輛提供加速所需的額外功率，降低動力電池電流輸出;在再生制動過程中，回饋能量主要由超級電容吸收。

2 整車控制器硬件設(shè)計(jì)及軟件開發(fā)

2.1 整車控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整車控制器的硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)其基本的功能需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖10所示。支持芯片正常工作的微控制器最小系統(tǒng)是整車控制器的核心，基礎(chǔ)的信號處理模塊，CAN通信與串口通信組成的通信接口模塊，以及LCD顯示等其他模塊分別作為它的各大功能模塊。

2.2 整車控制器硬件設(shè)計(jì)

從功能上可以把整車控制器分為6個(gè)模塊。

1）微控制器模塊：本設(shè)計(jì)選用美國德州儀器公司TI的數(shù)字信號處理芯片TMS320F2812為主控芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算及處理，控制方法的實(shí)現(xiàn)，是整車控制器的控制核心。此芯片運(yùn)算速度快，控制精度高的特點(diǎn)基本滿足了整車控制器的設(shè)計(jì)需求。TMS320F2812的最小系統(tǒng)主要由DSP主控芯片、晶振電路、電源電路以及復(fù)位電路組成。

2）輔助電源模塊：由于整車控制器的控制系統(tǒng)中用到多種芯片，所以需要設(shè)計(jì)輔助電源電路為各個(gè)芯片提供電源，使其正常工作，因此輸出電平有多種規(guī)格。采用芯片LM317、LM337可分別產(chǎn)生+5V和-5V的供電電壓。

3）信號調(diào)理模塊：輸入整車控制器的踏板信號是1～4.2V模擬電壓信號，TMS320F2812的12位16通道的A/D采樣模塊輸入的信號范圍為0～3.0V，因此需要對踏板輸入的模擬電壓信號進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)理運(yùn)算，以滿足DSP的A/D采樣電平要求。選用德州儀器的OPA4350軌至軌運(yùn)算放大器，在輸入級采用RC低通濾波電路與電壓跟隨電路以濾除干擾信號，減小輸入的模擬信號失真。開關(guān)信號先經(jīng)RC低通濾波電路濾除高頻干擾，再作為電壓比較器LM393的正端輸入，電壓比較器的負(fù)端輸入接分壓電路，將LM393的輸出引腳外接光耦芯片，在起到電平轉(zhuǎn)換作用的同時(shí)，進(jìn)一步隔離干擾信號，提高信號的安全性與可靠性。

4）通訊模塊：TMS320F2812具有一個(gè)eCAN模塊，支持CAN2.0B協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)的通訊，但是其僅作為CAN控制器使用。選用3.3V單電源供電運(yùn)行的CAN發(fā)送接收器SN65HVD232D，其兼容TMS320F2812的引腳電平，用于數(shù)據(jù)速率高達(dá)1兆比特每秒（Mbps） 的應(yīng)用。依據(jù)ISO11898-2要求，在CAN總線CANH和CANL之間并聯(lián)一個(gè)120Ω阻抗匹配電阻R29，以增加通信穩(wěn)定性。

5）功率驅(qū)動模塊：TMS320F2812輸出的最高電壓為3.3V，無法滿足實(shí)際的汽車執(zhí)行單元部件控制中對于大于等于5V驅(qū)動電壓的要求。采用八路NPN達(dá)林頓連接晶體設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動芯片ULN2803A。

6）電平轉(zhuǎn)換模塊：TMS320F2812數(shù)據(jù)端口輸出的高電平為3.3V，無法被5V供電的LCD19264液晶顯示單元中的數(shù)據(jù)端口識別接收。選用德州儀器公司生產(chǎn)的SN74LVC4245A對數(shù)據(jù)端口進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。SN74LVC4245A是一個(gè)八位同相總線收發(fā)器，連續(xù)輸出最大電流為50mA，延時(shí)小于10ns，專用于數(shù)據(jù)總線之間的異步通信。

2.3 整車控制器軟件設(shè)計(jì)

整車控制器軟件按照結(jié)構(gòu)化、模塊化思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用功能獨(dú)立、各自分立的形式設(shè)計(jì)程序，相互影響小，有助于程序的調(diào)試與維護(hù)。根據(jù)系統(tǒng)功能的實(shí)時(shí)性需求的不同，采用成熟的程序架構(gòu)，對主控制程序和中斷子服務(wù)程序進(jìn)行任務(wù)分配，并將微控制器的軟硬件中斷功能進(jìn)行充分利用。對于能量管理、故障診斷等實(shí)時(shí)性需求不高的功能程序，將其分配到主程序中運(yùn)行。對于A/D采樣、脈沖捕捉、CAN通信等實(shí)時(shí)性要求較高且具有硬件驅(qū)動功能的程序，將其按照各自的頻率分配到相應(yīng)的中斷程序中執(zhí)行。

控制軟件進(jìn)入不同的運(yùn)行模式及工作方式，是通過對行駛過程中復(fù)合電源純電動汽車工況與模式進(jìn)行判斷來決定的。軟件運(yùn)行控制的基礎(chǔ)變量包括踏板開度信號、踏板開度變化率、電池SOC、超級電容SOC等信號，依次運(yùn)行信號采集、處理CAN報(bào)文、處理故障、儀表顯示等控制程序。復(fù)合電源純電動汽車整車控制器的主程序軟件流程如圖11所示。

3 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建和試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 整車實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

實(shí)驗(yàn)平臺如圖12所示，加速信號采用霍爾式電子加速踏板作為加速信號的輸入，隨著踏板開度的不同其輸出電壓也隨之變化，控制器通過內(nèi)部程序檢測踏板信號以判斷加速狀態(tài)。

復(fù)合電源由動力電池與超級電容構(gòu)成，其中超級電容與雙向DC/DC變換器串聯(lián)，再與動力電池并聯(lián)共同為驅(qū)動電機(jī)供電。動力電池采用一組賽恩斯的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成，超級電容選Maxwell的BMOD0165-P48，雙向DC/DC變換器額定功率8kW，通過CAN總線進(jìn)行通信，切換工作模式。

驅(qū)動電機(jī)選擇高爾登HPM05KW的無刷直流電機(jī)，動力加載系統(tǒng)采用電力測功機(jī)，模擬電機(jī)運(yùn)行過程中的負(fù)載或受力，通過工控機(jī)運(yùn)行上位機(jī)軟件以設(shè)定不同的阻力值與加載時(shí)間以及轉(zhuǎn)速加載、轉(zhuǎn)矩加載或功率加載模式，進(jìn)而模擬車輛行駛過程中的工況變化。負(fù)載電機(jī)選用直流電機(jī)，以直流調(diào)速器控制負(fù)載電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過將負(fù)載電機(jī)與被測電機(jī)進(jìn)行連接，可以便于進(jìn)行正反兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)加載，以模擬車輛不同的行駛工況?？刂乒裰醒b有電力測功機(jī)控制器與電氣參數(shù)測量儀器，通過電力測功機(jī)控制柜來檢測被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩與輸出功率等參數(shù)，并將數(shù)據(jù)上傳到工控機(jī)。通過電參數(shù)測量儀可以檢測輸入電壓、電流以及功率等參數(shù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到工控機(jī)。工控機(jī)通過接收控制中相關(guān)控制器上傳數(shù)據(jù)，繪制相關(guān)的運(yùn)行參數(shù)曲線。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過控制踏板，模擬了純電動汽車在行駛過程中的加速、巡航以及再生制動工況，利用工控機(jī)中的控制軟件將采集到的數(shù)據(jù)繪制得到相應(yīng)的關(guān)系曲線，通過觀察相應(yīng)的曲線以及相關(guān)的數(shù)據(jù)變化，來驗(yàn)證控制策略與控制器軟硬件設(shè)計(jì)的可行性與可靠性。

加速踏板、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電流以及電壓變化曲線如圖13與14所示，由于本次試驗(yàn)采用恒轉(zhuǎn)矩加載測試，因此，電機(jī)的起始轉(zhuǎn)速不為零。當(dāng)加速踏板開度增加時(shí)且變化時(shí)，動力電池采用恒定電流輸出，超級電容輸出電流增加，超級電容端電壓降低較快，為電機(jī)提供額外能量，使得電機(jī)轉(zhuǎn)速增加迅速。當(dāng)踏板開度減小或踏板輸出信號不變時(shí)，超級電容輸出電流逐漸減小直至為零，動力電池輸出電流逐漸增加。當(dāng)踏板開度不變化或變化很小時(shí)，此時(shí)電機(jī)由動力電池供電，同時(shí)動力電池輸出電流隨轉(zhuǎn)矩變化，以保證速度穩(wěn)定，超級電容不工作，其電壓基本不變。在最終階段，按下剎車鍵使得電機(jī)處于再生制動狀態(tài)，此時(shí)動力電池停止電流輸出，電機(jī)產(chǎn)生的制動能量優(yōu)先回饋到超級電容中，使得超級電容電壓呈現(xiàn)上升趨勢。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，動力電池電壓下降較為平穩(wěn)。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，在車輛加速中，超級電容進(jìn)行大電流放電，使得動力鋰電池輸出電流較為平穩(wěn)，在再生制動過程中超級電容吸收制動能量，進(jìn)行大電流充電，避免了動力鋰電池大電流充放電，有利于對動力電池的保護(hù)，達(dá)到了對復(fù)合電源的控制要求。

4 結(jié) 論

整車控制器作為純電動汽車中最為核心的控制組件，是整車控制系統(tǒng)的中心樞紐。本文深入分析了復(fù)合電源純電動汽車整車控制系統(tǒng)的組成與工作原理，確定了復(fù)合電源的組成結(jié)構(gòu)，完成了整車CAN通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，制定了基于邏輯門限值的能量管理控制策略，并利用CRUISE軟件搭建復(fù)合電源純電動汽車模型。最后，對整車進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明本文所提出的復(fù)合電源能量管理控制策略是合理有效的。利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建整車試驗(yàn)平臺，完成試驗(yàn)與結(jié)果分析，試驗(yàn)結(jié)果表明整車控制器軟硬件設(shè)計(jì)合理，所設(shè)計(jì)的電路工作正常，從而驗(yàn)證了整車控制器軟硬件設(shè)計(jì)的可靠性與準(zhǔn)確性。

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（編輯：關(guān) 毅）