纯电动装载机整车控制器设计

胡珑渝 纪少波 魏敬宏 张珂 张志鹏 姜颖

摘要： 分析纯电动装载机功能需求，明确整车控制器应具备的硬件功能，并根据各传感器和执行器确定各硬件模块的通道数量，完成整车控制器硬件设计。基于Bootloader实现生成代码下载;基于局域网总线标定协议开发上位机标定软件，通过解析A2L文件对程序中的参数进行观测和标定。对应用整车控制器的纯电动装载机进行实车V型铲装作业试验验证。结果表明：相同时间内，纯电动装载机的效率较柴油装载机提高8.7%；相同工况下，纯电动装载机作业成本约为柴油装载机的35%。

关键词： 纯电动装载机；整车控制器；硬件设计；Simulink

中图分类号：TH243 文献标志码：A 文章编号：1673-6397（2024）01-0087-07

引用格式：  胡珑渝，纪少波，魏敬宏，等. 纯电动装载机整车控制器设计［J］.内燃机与动力装置，2024，41（1）：87-93.

HU Longyu， JI Shaobo， WEI Jinghong，et al. Design of vehicle controller for pure electric loader［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2024，41（1）：87-93.

0 引言

面对日益严峻的能源危机、大气污染、温室效应等问题，各国积极开发可再生能源[1]。目前大部分工程机械使用柴油发动机作为动力源，排放的尾气是温室气体的主要来源之一，柴油机的噪声也对环境产生不利影响[2]，因此，工程机械也开始向电动化工程机械转型。装载机是一种使用频率较高的工程机械，传统柴油装载机工作时需频繁起停，使用过程中存在油耗高、污染严重、噪声大及驾驶体验差等问题[3]，因此，有必要进行纯电动装载机研究。

国外对电动装载机的研究起步较早。1969年，勒图尔勒推出了第一台电动装载机L-700，L-700利用发动机驱动交流发电机发电，通过直流电机驱动行驶和工作系统，实现了整车的电传动[4]。1999年，勒图尔勒推出的L-1350用开关磁阻电机直接驱动车轮，加快了整车驱动响应速度并增大了输出转矩[5]。沃尔沃于2008年推出了一款混合动力装载机，提高了能源使用效率[6]。2011年，约翰迪尔推出了644K混合动力装载机，采用柴油发动机驱动电机发电，再驱动行驶和工作系统电机[7]。国内，2014年中首重工研发了一款适用于水利工程及农业生产工作环境的小型电动装载机[8];2016年中财机械推出世界首台纯电动重型装载机，较传统柴油装载机更经济环保[9]。

目前，对于电动装载机控制策略的研究集中在混合动力装载机，主要内容包括能量管理策略、驱动控制策略、故障诊断与处理策略等。纯电动装载机的研究起步晚，控制策略方面的研究也相对较少。本文中针对纯电动装载机整车控制器软硬件开发开展研究：分析纯电动装载机构型，确定控制器的功能需求；设计控制器硬件，设计硬件与Simulink的接口驱动模块和上位机软件，并对整车性能进行综合测试。

1 整车控制器软硬件设计

1.1 控制器功能需求分析

图1  试验用纯电动装载机构型

试验用纯电動装载机主要部件包括动力电池、工作电机、行走电机、液压泵及变速泵等装置，如图1所示。工作电机驱动液压泵，为工作装置油缸、转向油缸和制动器提供液压压力；行走电机驱动车辆行驶系统；采用前、后双主减速器布置方案，并选用两挡变速器。

整车控制器 （vehicle control unit，VCU）应具备以下功能：1）整车电气模式管理，根据硬线信号和控制器局域网总线（controller area network，CAN）信号合理控制整车高低压上下电；2）整车故障诊断与处理，监测车辆状态，判断整车故障等级并及时采取安全措施，保证驾驶员和车辆安全；3）行走系统控制，通过硬线信号和CAN信号实现车辆行走、换挡、能量回收、驻坡等功能；4）工作系统控制，根据先导信号控制工作电机转速和液压系统电磁阀动作，使装载机正常进行铲装作业；5）远程监控，与车联网系统（telematics box，TBOX）进行信息交互，将车辆当前运行状态传送至后台进行监控；接收后台指令，对整车行走和工作系统进行动力限制。

VCU功能框图如图2所示。VCU通过获取车上各种传感器信号、开关信号和接收的其他部件CAN信号，综合判断驾驶员意图和车辆状态，确定各控制参数，通过硬线输出信号实现对电磁阀、继电器等部件的控制，并通过CAN总线向电机控制器（motor control unit，MCU）、电池管理系统（battery management system，BMS）等下发指令，实现车辆正常工作。

根据整车功能和控制器功能需求，明确控制器硬件需具备的功能模块。试验用纯电动装载机控制器连接的传感器和执行器的类型如表1所示。

根据表1可知：除CAN通信电路外，控制器还需具备模拟信号采集、数字信号采集、频率量采集、H桥驱动、低边驱动及高边驱动等电路。根据传感器、执行器类型和通道数量以及整车控制器的其他功能，考虑一定的接口冗余，制定了整车控制器硬件的接口模块，如图3所示。

1.2 控制器硬件设计

1.2.1 单片机及外围电路

根据试验用纯电动装载机实际接口数量和整车控制器运算能力需求，选用MPC5744P微处理器，该芯片采用基于PowerPC架构的双内核，总线频率最高可达200 MHz。芯片配有2.5 Mibyte的flash和384 Kibyte的静态随机存取存储器，96 Kibyte的带电可擦可编程只读存储器，具备4路串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）通信、3路CAN模块、24通道脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）模块及64通道模拟数字信号（analog to digital，AD）采集。单片机及其周围电路如图4所示。该单片机采用40 MHz的晶振，通过电容C31、C32构成外部晶振电路，经过锁相环寄存器配置使总线频率达到200 MHz。

1.2.2 电压测量电路

电压测量电路如图5所示，图中Q7为金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，  MOSFET），简称MOS管。该电路可根据采集信号电压范围切换采集模式，若采集电压范围为0～5 V，则由单片机拉低Q7引脚1电平， Q7断开，电压信号正常接入单片机AD采集通道；若采集的电压大于5 V，则单片机将Q7引脚1电平拉高，Q7导通，则接入单片机AD采集通道的电压由电阻R75和R76分压得到，单片机根据电阻和分压后的电压可计算测量电压。

1.2.3 模拟信号采集电路

试验车型有多种类型传感器，其中使用PT1000温度传感器测量温度，该传感器输出与温度相关的电阻信号[10]。通过测量液压系统的比例电磁阀的控制电流，计算电磁阀的开度，实现对比例电磁阀的控制。VCU直接采集压力传感器等输出电压信号，并进行处理。由于需采集的模拟信号不同，设计了模拟信号采集电路，如图6所示。

该电路通过AI_CH1_CTRL0 （简称CTRL0）和AI_CH1_CTRL1 （简称CTRL1）分别控制MOS管Q3和Q4，可切换采集模式。当CTRL0上拉且CTRL1下拉时，该电路采集电压信号；当CTRL0下拉时，Q3导通，R22和R33串联组成上拉电阻，此时电路可采集热电阻传感器信号；当CTRL1上拉时，Q4导通，该电路可用于电流采集，R32为采样电阻。

1.2.4 H桥驱动电路

试验用装载机冷却系统中的循环水泵电机由VCU驱动，H桥驱动电路采用桥式电机驱动芯片L9958，L9958具有较大范围的工作电压，最高工作频率为30 kHz，最大输出电流为8.6 A，同时该芯片具有短路和过温故障诊断功能，可通过SPI设置热警示温度阈值。基于L9958芯片的H桥驱动电路如图7所示。该电路通过使能引脚EN和DI控制芯片进入工作状态，通过单片机输出的PWM信号实现电机转速调节，通过单片机控制芯片引脚（directory，DIR）实现电机转向调节。

1.2.5 整车控制器

开发的VCU硬件实物图如图8所示。使用铝壳对控制器进行封装，隔离控制器与外部环境，避免液体和粉尘对电路造成破坏；提高控制器散热能力，避免控制器出现温度过高情况；屏蔽电磁干扰，降低外部电磁场对控制器的影响。选用PIN121接插件将控制器内部电路与整车各相关电气部件进行连接。

1.3 基于模型设计的概述

基于模型设计（model-based design，MBD）是一种使用可视化方法设计复杂控制系统程序的新型开发方法，适用于汽车电子、工业控制、嵌入式软件设计等领域[11]。

与传统开发流程相比，MBD开发方法具有很多优势：1）采用图形化设计，可视化程度高，目标明确，逻辑清晰，便于查找错误和进行维护；2）在各开发阶段具备相对独立的技术手段，可及时进行测试，尽量避免在开发初期引入问题；3）代码自动生成，MBD开发工具由图形化程序生成代码，避免了手写代码的繁琐过程，提高开发效率的同时也降低了引入错误的可能性；4）大部分文档由MBD开发工具自动生成，极大节省了开发时间，提高了开发效率。

Simulink可提供完善的建模和仿真环境，是进行MBD开发的核心工具。目前MBD开发方式有2种处理思路：1）利用Simulink中集成的算法模块搭建控制算法模型，在自动生成控制代码后，与底层驱动代码进行联合编译，再烧写至目标控制器；2）开发驱动芯片对应的Simulink接口驱动模块，该接口模块与底层驱动代码关联，对所搭建控制算法模型中的输入和输出接口进行替换，在生成代码过程中可直接生成应用于目标驱动芯片的程序。第2种方式可以避免程序二次编译，有效提高程序开发效率，因此采用该方式进行程序设计。

1.4 接口驱动模块

按照模块来源，自主开发的纯电动装载机VCU控制算法模型可分为2个部分：1）Simulink模块库常用模块，包括基本逻辑运算模块和Stateflow等，在进行自動代码生成时可以直接编译为C代码；2）与开发的控制器硬件相连接的接口驱动模块，这部分驱动模块调用单片机底层驱动程序，由使用人员自主编写并加入库中，与Simulink标准库中模块共同使用，进行代码生成时可直接编译为应用于控制器的程序文件。接口驱动模块的建立过程可大致分为S函数编写、目标语言编译器（target language compiler， TLC）文件编写、Simulink模块封装和Simulink驱动库导入4个部分。

1.4.1 S函数编写

S函数将Simulink中的设置参数传递至目标语言编译器TLC。采用C语言编写S函数，MATLAB提供S函数模板，用户只需在模板内自定义函数名称，S函数适用Simulink版本，回调函数头文件、变量，以及C MEX形式的S函数头文件等，若回调函数含输入和输出，还需在对应位置定义数据类型和数据维度。S函数编写完成后，使用MATLAB内部的build函数，将S函数编译为mexw32/mexw64格式的动态链接库。

1.4.2 TLC文件编写

TLC将模型描述文件翻译为目标代码。模型描述文件是由Simulink编译得到的.rtw文件，该文件是文本文件，描述了各个模块参数、接口等信息，是Simulink模型到控制器目标代码之间的中间量。目标代码生成过程如图9所示。

1.4.3 Simulink模块封装

使用S-Function模块调用已编写好的S函数，并对其进行Mask封装处理。设置封装模块的输入、输出变量及其数据类型；在模块界面上加入模块内部参数可编辑文本框，方便及时对模块内部参数进行修改；添加模块功能描述，直接将描述信息体现在模块界面上；加入模块使用说明，指明模块输入、输出信号类型和模块复用功能的选择方法。

1.4.4 Simulink驱动库导入

对Simulink模块进行封装后，还需将编写好的模块加入到Simulink驱动库中，自定义接口驱动模块的使用方式与基础库中模块一致。最终建立的自定义接口驱动模块库包括AD采集、开关量采集、CAN通信、H桥驱动、低边驱动、高边驱动等功能。在进行代码生成时TLC文件将Simulink产生的.rtw文件编译为可运行于目标控制器的代码。

1.5 上位机软件

控制算法模型在Simulink中进行编译后，通过Bootloader将自动生成的代码烧写到目标控制器内运行。为提高开发效率，利用基于CAN总线的标定协议 （CAN calibration protocol，CCP）开发了数据观测和标定软件[12]。

1.5.1 程序下载软件

Bootloader是固化于控制器中的一段加载引导程序，不可更改和删除，控制器通电后首先执行这段程序。Bootloader是硬件与软件的交互接口，与应用程序分别处于2个存储区域，二者不会同时运行。本文中设计的控制算法模型经过编译后生成s19格式的可执行文件， s19文件包含出错校验功能，可以保障传输的正确性；程序更新采用了CAN总线通信方式，程序下载软件将应用程序生成的s19文件直接利用Bootloader进行下载，可以显示擦除、刷写、校验等进度，并可对程序文件、数据文件、配置文件等进行选择性下载。

1.5.2 标定软件

基于CCP协议开发了VCU标定软件，实现数据观测和标定功能。本文中主设备为PC上位机，从设备为需进行标定的VCU。在自动生成代码过程中，同时生成了A2L文件，A2L文件定义了标定过程中上位机和VCU之间通信所需的信息，包含控制器配置参数、单片机内部变量地址等。使用标定软件对A2L文件进行解析，获取控制器中变量地址，根据地址获取变量值实现观测功能，根据变量地址对变量进行修改实现标定功能。控制算法模型重新编译时，需在标定软件中更新A2L文件。该软件支持多种数据类型变量的在线实时标定。为方便对数据进行观测，开发了多种形式的监控界面，包括波形图、仪表图、数值列表等显示方式，并支持标定数据及监测数据的录制。

2 VCU性能试验

为了对自主开发的控制器功能进行验证，设计了VCU的控制策略，并应用在纯电动轮式装载机上进行实车验证。轮式装载机铲装作业有L、T、I和V型，其中V型铲装作业方式适应范围广，因此采用V型铲装作业进行经济性验证。选择额定载质量相同的纯电动装载机和柴油装载机进行1 h V型铲装作业试验，分别计算二者耗电量和耗油量，对比二者经济性。试验时控制每次铲装物料质量基本一致，纯电动装载机和柴油装载机进行V型铲装作业的经济性指标对比如表2所示。

由表2可知：在相同时间的V型铲装作业中，纯电动装载机完成循环次数多于柴油装载机，纯电动装载机的铲装效率比柴油装载机提高了8.7%；在相同作业工况下，纯电动装载机的使用成本约为柴油装载机的35%。

3 结论

1）开发了满足纯电动装载机控制需求的VCU，设计了各功能模块的底层驱动软件，开发了基于CCP协议的上位机标定软件。

2）通过实车试验对开发的控制器的性能进行验证，结果表明：安装自主开发VCU的纯电动装载机工作效率较相同规格柴油装载机提高8.7%，使用成本约为后者的35%，开发的VCU能够满足纯电动装载机的使用要求。

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Design of vehicle controller for pure electric loader

HU Longyu， JI Shaobo*， WEI Jinghong， ZHANG Ke，

ZHANG Zhipeng， JIANG Ying

School of Energy and Power Engineering， Shandong University， Jinan 250061， China

Abstract： The functional requirements of the pure electric loader are analyzed and the hardware functions of the vehicle controller are confirmed. The hardware circuit of the vehicle controller is designed according to the types of sensors and actuators. The generated code can be downloaded to the controller based on Bootloader. The host computer calibration software is developed according to the CCP protocol. The monitored and calibrated parameters can be operated in the calibration software by the A2L file. The developed controller is installed on a pure electric loader which is compared with a same specifications of diesel loader. The test result shows that the efficiency of the pure electric loader is enhanced 8.7% with the cost reduced，35% compared with the using cost of diesel loader in the V-shaped shovel loading operation.

Keywords： pure electric loader; vehicle control unit; hardware design；Simulink

（責任编辑：郎伟锋）