纯电动汽车整车控制器测试系统综述

邓杰，苟小义，宋春华，韦兴平，徐全，宋昌林

（西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)

纯电动汽车整车控制器测试系统综述

邓杰，苟小义，宋春华，韦兴平，徐全，宋昌林

（西华大学机械工程学院，四川 成都 610039)

纯电动汽车整车控制器是纯电动汽车整车控制系统的核心部件，在整车电控系统中属于上层控制器，承担着整车动力系统控制和能量管理等重要功能。文章从文献入手，针对纯电动车能量回收和续航里程不足，提出一定的解决方案；介绍了纯电动汽车整车控制器的作用及发展概况；展示了纯电动汽车整车控制器的设计方法；最后讨论了纯电动汽车的发展前景；预测了纯电动汽车未来的发展方向。

纯电动汽车；整车控制器；动力系统；能量管理；续航里程；能量回收

Abstract:Vehicle control unit, the core component of pure electric vehicles, is the supervisory control of vehicle electric control unit, hosting some vital parts like the dynamic system of vehicle and the energy management. According to some reference books, we come up with certain solutions to deal with the problems of the pure electric vehicles’ energy harvesting and shortage of cruising mileage. Also, in this paper, we will introduce some more information about the pure electric vehicles’ control unit, including its functions, development stage and the design methodology. In the end, the paper discusses the development prospects of the pure electric vehicles and predicts their future directions.

Keywords: pure electric vehicles; vehicle control unit; dynamic system; energy management; cruising mileage;energy harvesting

CLC NO.: TH16 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-105-04

引言

纯电动汽车整车控制器(Vehicle Controller)是纯电动汽车整车控制系统的核心部件[1]，主要工作为根据不同运行工况协调控制下层控制器(电机控制器、电池管理系统、车身控制器、安全控制器等）工作，从而改善纯电动汽车的动力性和经济性，并且保证车辆运行安全。[2]

整车控制策略包括驱动控制策略、再生制动控制策略、能量管理控制策略和安全控制策略。驱动控制策略对整车动力总成进行控制，是整车控制策略的主要研究内容。[3]

本文从文献入手，针对纯电动车续航里程不足和能量回收问题在整车控制器前期设计上提出了一定的解决方案，介绍了纯电动汽车整车控制器的作用及发展概况；展示了纯电动汽车整车控制器的设计方法；最后讨论了目前纯电动汽车整车控制器的应用前景和预测了其未来发展方向。

1 纯电动汽车整车控制器发展概况

汽车工业至今己经发展百年，作为推动人类文明向前飞跃的现代社会大工业的产物，汽车在给人类生活带来方便舒适的同时，对大自然生态环境恶化有着不可推卸的责任[4]。

如何减少城市汽车尾气排放成为世界上每个国家面临的一个课题。电动汽车由于所需能源仅为电能，在运行过程中不会排放汽车尾气，不会对城市空气造成污染，所以，电动汽车成为了现在代步工具的一个研究焦点。

电动汽车是指全部或部分使用电能驱动电动机作为动力系统的汽车[5]，纯电动整车控制系统是纯电动汽车电控系统的上层控制部分[6]。是整个汽车的核心控制部件[7]。

1.1 国外发展状况

国外整车控制技术趋于成熟，大部分汽车企业在电动汽车领域积累了充足的经验，控制策略成熟度高，整车经济性良好[8]。如日产Leaf采用了一种基于前馈控制及反馈补偿的减震驱动控制策略，减轻了车辆在急加速过程中存在的冲击、震动，提高了车辆的乘坐舒适性[9]。三菱i-MiEV提出了基于动力电池保护的驱动控制策略，充电时，控制充电电流的大小;放电时通过调节输出转矩的大小来使电池电压及 SOC处于一个合理的范围内[10]。

美国是全世界对污染限制最严格的国家，也是最早研制成电动汽车的国家。美国政府以能源部为中心，对电动汽车的研制进行了连续的逐年递增投人资金。1991年美国3大汽车公司签订协议，合作研究电动汽车用先进电池，合作开发高性能电动汽车电池[11]。

1.2 国内发展状况

2007年11月国家发展和改革委员会制定的《新能源汽车生产准入管理规则》正式实施，规则提出了新能源汽车的三大核心技术，分别为电机及电机控制技术、电池及电池管理技术、整车控制器及整车控制技术[12]。

国内高校开发的整车控制器如天津大学[13]、北京理工大学[14]，其控制器基本结构相同，硬件己实现模块化设计，包括微控制器最小模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块、继电器驱动模块、存储器、CAN通信模块、SCI通信模块等。

国内汽车企业如奇瑞公司、众泰汽车公司等均对自行研发生产的电动汽车设计了整车控制器，在整车运行中整车控制器实现了对下层控制器的协调管理，并着重于能量管理策略开发，尽可能大的提高电动汽车续驶里程和安全性。并且对故障诊断的故障模式识别和诊断处理都进行了详尽的设计。但是对于电机电池理论分析、控制策略的优化和智能化控制策略的应用还比较少，较多使用实用性强的控制策略[15]。

2 纯电动车整车控制器功能与当前软件设计方案思路简述

2.1 纯电动车整车控制器功能

根据文献[16]，整车控制器通过采集加速、制动踏板信号和档位切换信号等驾驶信息，同时接收 CAN总线上电机控制器和电池管理系统发出的数据，结合整车控制策略对这些信息的分析和判断，提取司机的驾驶意图（方向盘的转动方向等）和车辆运行状态信息，最后通过 CAN总线发出指令来控制各部件控制器的工作，保证车辆的正常行驶。

文献指出[13]，对于纯电动车而言，整车控制器应该具有以下功能：

（1）对汽车行驶功能的控制

整车控制器通过对司机意图的识别和车辆状态的分析，包括加速踏板开度、制动踏板开度和档位开关等内容，在满足车辆安全性的基础上，对蓄电池放电电流和电机输出转矩进行控制，同时协调纯电动汽车各功能模块的正常工作，使得车辆各个部件能够协调的运行，这是整车控制器最基本的功能。

（2）制动能量回收控制

纯电动汽车区别于传统汽车的重要特征就是能够进行制动能量回收，这是通过将纯电动汽车的电机工作在再生制动状态来实现，整车控制器分析驾驶员制动意图、电池组状态和电机状态等消息，并结合制动能量回收控制策略，在满足制动能量回收的条件下对电机控制器发送电机模式指令和转矩指令，使得电机工作在发电模式，在不影响制动性能的前提下将电制动回收的能量储存在电池组中，从而实现制动能量回收[18]。

（3）能量优化控制和管理

为了使电动汽车能够有最大的续驶里程，必须对能量进行优化管理，以提高能量的利用率。

（4）车辆状态的监测和显示

控制液晶显示单元显示车辆运行状态。实时监测车辆的状态可以使驾驶员准确了解车辆行驶状态。整车控制器直接或者通过 CAN总线通信获得车速、电池剩余电量、电机转速、电流等车辆运行数据，将这些数据通过液晶显示单元进行显示，便于驾驶员准确掌握车辆整体运行状况完成相应操作[19]。

（5）故障诊断和处理

对整车控制系统进行实时监控，进行故障报警和诊断。故障指示灯指示出故障并进行报警。根据故障内容，及时进行相应安全保护处理。

2.2 整车控制器当前软件设计方案思路简述

根据整车控制器的功能与要求，在整车控制器的设计开发过程中采取了模块化的设计思想，整车控制器采集相应的外部信号以及接收 CAN总线上的共享数据信号，对数据进行相应处理之后，以驱动信号或者命令的方式控制其它EUC单元完成相应动作[1]。

2.2.1 MCU选型及原则

从文献[21]可以看出，整车控制器MCU的选型，首先要考虑MCU的稳定性、处理速度和片上资源尽量满足整车控制器的控制需求，这样就可以减少外围器件的使用，使硬件结构尽可能的简化和紧凑；其次要考虑整车控制器的后续开发，即要预留MCU的一部分资源，以应对后续对控制器的改进和升级；另外要考虑到所选MCU的使用范围和使用率，要选择在汽车上常用的芯片，供应商批量生产并且被广泛使用或者有很大可能即将大规模使用的微控制器；最后要考虑成本和经济性等方面因素。

综合文献[22]，CMU主要选择飞思卡尔公司生产的16位双核微控制器 MC9S12XDP512和飞索半导体专门为汽车电子器件设计的32位RISC架构的MB91F526F微控制器。

2.2.2 系统设计

根据文献[16]，整车控制器硬件电路设计，按照模块化的设计思想和要求，根据整车控制器的功能要求，简要介绍了微控制器电路、供电电源电路、CAN通讯电路等重要电路设计部分，在考虑整车控制器所工作的恶劣的电气环境的前提下，特别注重电路的电磁兼容设计，采用了最新的汽车级芯片，提高了整车控制器的实时性、可靠性和集成度，同时进一步降低了功耗。

（1）电源电路设计

系统电源电路的作用是为单片机提供5V的外部供电电压。而目前汽车上主流的电源电压是12V，所以必须对电源电路进行设计。单片机每个电源端都选用尽量靠近单片机和接地端的去藕电容滤去高频干扰[23]。

（2）时钟电路

单片机系统运行需要的两个最基本的条件是电源与时钟。时钟电路中的晶振为单片机系统提供时钟，电路中各元件都应以该时钟频率作为基准有条不紊的工作[24]。

（3）复位电路与BDM电路

当控制器检测到需要复位时，它将寄存器和控制位设置成起始默认值，此时单片机系统开始工作。

BDM电路是单片机的调试电路。用户可以通过BDM接口将程序下载到单片机，同时能够通过上位机查看调试信息，包括CPU运行时的动态信息。

（4）CAN通讯电路

整车控制器设计了三路相互独立的 CAN通讯电路，其中CAN1用于与电机控制器进行通讯，CAN2用于与电池管理系统进行通讯，CAN3用于与车载仪表进行通讯。这样的设计能够避免干扰和冲突，满足多种情况下的 CAN通讯需求[25]。

（5）传感器信号调理及驱动模块电路设计

传感器信号调理电路主要用于电子加速踏板和电子制动踏板的模拟电压信号、钥匙信号和档位信号等开关量信号以及速度传感器的脉冲信号的采集和处理。并将采集到的信号准确可靠地传输回主控芯片，以使主控芯片可以实时地获知驾驶员操作指令。驱动电路的作用是将主控芯片输出的低功率开关量信号转换成所需的大功率驱动信号，以达到驱动控制真空泵，冷却水泵，冷却风扇继电器的目的。

（6）制动能量回收

对于纯电动汽车而言，由于在车体结构中存在电动机，所以在制动控制过程中可以进行制动能量回馈[26]。制动能量回馈要综合考虑汽车动力学特性，电机发电特性，电池安全保证与充电特性等多方面的问题。文献[4]在做这部分设计时，进行了一个探索式尝试 当制动踏板踩下时，进入制动能量回馈模式。控制器根据制动踏板位置和电机转速，按照一定的比例关系向电机给出负力矩值，电机处于发电状态，由此产生再生制动力矩，回馈整车的部分惯性能量，实现制动能量回馈。电机制动力矩的大小还受到电电池的soc状态以及电机转速等因素的限制，因此制动能量回馈力矩还要参考车辆系统提供的状态参数进行修正[27]。

3 当今纯电动车整车控制器主要存在的问题及拟解决方案

3.1 当今纯电动车整车控制器主要存在的问题

（1）在电源设计方面，纯电动车整车控制器设计部分存在一定的问题。整车控制器在实际工作中会出现供电过低或者过高状态，会导致整车控制器在欠压过压情况下运行。如何设计一款能在不同电压下稳定工作的整车控制器，是当前面临的一个主要问题。

（2）续航里程方面。现在大多数纯电动汽车设计中，都有针对动力源和驱动部分进行设计和改进，但是真正能达到长途运行能力的汽车不多，最主要的原因就是能源的供给不满足要求；

（3）纯电动汽车行驶完全依赖电池的能量，电池容量越大，可以实现的续驶里程越长，但是电池的体积和重量也越大，会影响到其他的车辆性能。

3.2 拟解决方案

（1）使用抗干扰较强的芯片搭建5V电压转换电路，它的输入电压范围为9V-18V隔离电源芯片，输出稳定的5V电压，能够实现过流、过压和过温保护，可以防止干扰从外部电源引入，适合汽车环境使用；

（2）与传统汽车相比，纯电动汽车能够工作在再生制动模式，此时按照控制策略电机提供部分或者承担全部的制动力，回收的制动能量可以沿着驱动轴传送到蓄电池，这样在保证汽车制动安全性的同时可以回收一部分的动能以供再次利用；

（3）采取“边开边充电”策略，在车轮上设置一个发电装置，然后经过整压稳流等措施调为满足要求的电压，供给蓄电池以增加续航；

（4）纯电动汽车充电基础设施加快完善进度，保证足够多的充电基础设施；

（5）动力蓄电池组方面。在电池组的放电过程中，合理控制放电倍率及大倍率时的放电时间，可以提高电池组的工作效率，延长纯电动汽车的续驶里程。

4 纯电动汽车的应用前景和预测其未来发展方向

进入21世纪以来，我国提出“节能和新能源汽车战略”，政府高度关注新能源汽车的研发和产业化。在国家的倡导和支持下，我国各地有关节能与新能源车的产品研发及示范推广可谓风起云涌。

2016年1-月，新能源汽车生产17.7万辆，销售17.0万辆，同比分别增长125%和126.9%。其中，纯电动汽车产销分别完成13.4万辆和12.6万辆。

2016年初，国家财政部等五部委联合发布《关于“十三五”新能源汽车充电基础设施奖励政策及加强新能源汽车推广使用的通知》。旨在加快推动新能源汽车充电基础设施建设，培育良好的新能源汽车应用环境，2016-2020年中央财政将继续安排资金对充电基础设施建设、运营给予奖补。[28]

纯电动汽车性能正在逐步改善，但与燃油车相比仍存在一定的差距，其发展受多方面因素的影响。根据发展的主导方式、技术水平、能源供给设施建设规模等特点，我国纯电动汽车发展可分为2个阶段，即示范应用期和推广成熟期。区分2个阶段的主要标志应是纯电动汽车发展由政府推动过渡为市场推动。

目前纯电动汽车的发展处于示范应用期时，纯电动汽车技术趋向成熟，但经济性差；发展模式以政府主导的示范运行为主，依靠政府补贴，应用数量相对较少，主要是定点、定线、定半径运行的公共服务用车；在局部区域个人使用的微型电动汽车自发形成一定规模；能源供给设施的建设刚刚起步，主要是满足纯电动汽车的示范运行。相信在不远的将来，随着汽车技术的发展，越来越多的纯电动车能满足人们出行、城市节能排放的要求，为能源节约和环境保护增添一份光彩。

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A View of Pure electric vehicle controller test system

Deng Jie, Gou Xiaoyi, Song Chunhua, Wei Xingping, Xu Quan, Song Changlin
( School of mechanical engineering, Xihua University, Sichuan Chengdu 610039 )

TH16 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)18-105-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.036

邓杰，男，(1992-)，硕士研究生，就读于西华大学机械工程学院。研究方向机械设计。苟小义，女，（1996-）本科生，自动化专业。宋春华，男，（1976-），博士，硕士研究生导师，研究方向驱动技术与智能系统以及机电液控制。*四川省部级重点实验室项目（szjj2015-045）和四川省教育厅重点项目（16202473）。