吳小江

摘 要：世界資源緊張的程度不斷加劇，人們對于化石能源的使用不僅會造成環(huán)境破壞和污染，引發(fā)能源危機。汽車是人們主要出行工具和能源消耗大戶，為了減少能源消耗，電動汽車成為了當(dāng)前的研究熱點問題。本篇文章基于微型電動汽車探討整車控制器設(shè)計，首先分析電動汽車的基本結(jié)構(gòu)，以及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，提出控制器的電源、硬件、軟件方面的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：電動汽車；控制系統(tǒng)；整車控制器

1 前言

化石能源是當(dāng)今世界消耗能源的主流，具有不可再生的特征。隨著人們對能源不加節(jié)制地開采，石油儲量越來越少。根據(jù)IEA的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到2020年在交通運輸領(lǐng)域消耗的石油量占總石油消耗量的62%以上。我國正處于高速發(fā)展的階段，同時又是貧油國，對于石油能源的依賴較大。在此形勢下，研發(fā)微型電動汽車，降低我國交通出行占用的石油量具有重要現(xiàn)實意義。

2 電動汽車基本結(jié)構(gòu)

按照驅(qū)動原理和技術(shù)水平，電動汽車可以分為純電動、混合動力、插電式混合動力、燃料電池電動汽車四種。微型電動汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮力學(xué)性能，它的優(yōu)良程度決定了整輛汽車的性能。當(dāng)車輛處于行駛狀態(tài)，由電池向電機提供能力，以此克服在電動汽車行進過程中的內(nèi)部和外部阻力。因此，汽車整車控制器設(shè)計，需要根據(jù)電動汽車的驅(qū)動方式以及力學(xué)性能進行動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

電動汽車動力系統(tǒng)包括整車控制器（VCU）、電機及控制器（ECU）、電池與電池管理系統(tǒng)（BMS）等，同時根據(jù)電機的安裝位置，動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以分為集中電機驅(qū)動、多電機驅(qū)動[1]。

集中電機驅(qū)動方式，與傳統(tǒng)汽車的動力結(jié)構(gòu)相似，將石油供能換為電能，以電機代替發(fā)動機。車輛的驅(qū)動模式與傳統(tǒng)汽車相似，主要是從電機傳輸電到減速器、差速器，從而實現(xiàn)車輪轉(zhuǎn)動。這種驅(qū)動方式的電動汽車，可以直接借鑒傳統(tǒng)汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不需要做太大的結(jié)構(gòu)性改變，動力控制策略相對簡單，也是當(dāng)前市場上電動汽車的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

多電機驅(qū)動，則是在電動汽車中安裝多個電機，按照需要設(shè)計安裝位置，能夠支持多樣化的驅(qū)動模式。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計強調(diào)電機的獨立性，相比集中電機驅(qū)動方式機械結(jié)構(gòu)較少，有效改善電機性能，但是控制難度也隨之增加。

3 電動汽車整車控制系統(tǒng)方案設(shè)計

3.1 控制器方案

整車的控制器功能支持電動汽車的電機控制器狀態(tài)、能量管理信息采集以及駕駛員的操作質(zhì)量。這樣的設(shè)計，能夠在車輛行駛過程中根據(jù)多個部分匯集的信息，反饋給電機控制器，實現(xiàn)最優(yōu)能量配置方案。

對于整車控制器的功能定義，有以下幾點：1、感知駕駛員的操作意圖，根據(jù)電動汽車的點火開關(guān)、制動踏板、檔位開關(guān)等信息判斷駕駛員操作意圖；2、驅(qū)動管理，根據(jù)駕駛員操作意圖，控制器向電源管理系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)發(fā)送運行指令；3、能量管理和回收，對于整車的駕駛狀態(tài)，合理地安排電能供給，以此判斷當(dāng)前需要機械剎車或是再生制動操作；4、網(wǎng)絡(luò)通信，利用CAN、232、485的通訊接口，實現(xiàn)上位機、被控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信；5、安全管理，判斷電動汽車當(dāng)前出現(xiàn)的障礙類型（電氣故障、機械故障），并發(fā)出相應(yīng)的警示信息，使電動汽車在復(fù)雜多變的環(huán)境下維持運行安全與可靠。整車控制在電動汽車中發(fā)揮信號收集中心的作用，采集來自踏板、檔位、車速傳感器等部位的信號，然后綜合處理后發(fā)送相應(yīng)的操作指令到對應(yīng)子系統(tǒng)[2]。

考慮電動汽車的功能需求，定義控制器功能，以及信號采集和發(fā)出，適應(yīng)各類信號采集能力，確保被控系統(tǒng)與上位機的網(wǎng)絡(luò)通信狀況良好，能夠及時將駕駛者操作意圖反饋到被控設(shè)備中。

3.2 驅(qū)動與再生制動控制策略

電動汽車驅(qū)動控制，主要對電機控制實現(xiàn)，即根據(jù)駕駛員的操作意圖形成電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速輸出方案，從而讓車輛行進過程符合安全要求的力學(xué)性能，了解驅(qū)動控制研究的核心內(nèi)容。由于道路和天氣環(huán)境變化，電動汽車的工作環(huán)境和狀態(tài)也隨之變化，因此駕駛員的操作意圖呈現(xiàn)隨機變化的情況，整車控制器無法預(yù)測合適的電機控制策略。針對這一情況，設(shè)想不同駕駛條件的電機控制策略，使得駕駛員改變駕駛狀態(tài)時，能夠快速響應(yīng)控制改變力學(xué)性能。

根據(jù)電動汽車的工作特點，劃分為啟動、一般駕駛、經(jīng)濟駕駛、動力駕駛、倒車、應(yīng)急駕駛六種驅(qū)動模式。對應(yīng)電動汽車駕駛的常見場景，通過設(shè)置固定的動力和電機電能輸送，實現(xiàn)控制。

例如，啟動模式的控制，主要發(fā)生在電動汽車點火開關(guān)時開始到車速達到相應(yīng)速度時結(jié)束，本次設(shè)計方案將車速初步定義為10km/h。當(dāng)汽車從其他驅(qū)動模式轉(zhuǎn)為低速起步，也可視作汽車處于啟動模式狀態(tài)。在啟動模式下，汽車首先對整車進行自檢，如電池、電機、剎車狀態(tài)檢測，發(fā)現(xiàn)無誤后向駕駛員提示可以正常起步。

3.3 控制通信網(wǎng)絡(luò)搭建

電動汽車的控制器局域網(wǎng)（CAN）作為通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，在此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下信息的傳輸速率達到1Mb/s的串行數(shù)據(jù)通信總線。本次設(shè)計方案采用的CAN總線協(xié)議為J1929標(biāo)準(zhǔn)，通訊速率達到250kb/s。同時為總線系統(tǒng)配置多個電子控制單元（ECU），彼此之間共享信息，以此滿足電動汽車行駛過程中對信息的靈活控制要求。

采取CAN總線的設(shè)置，基于優(yōu)先權(quán)多主方式，發(fā)送數(shù)據(jù)不包含發(fā)送、接收節(jié)點物理地址，能夠在不破壞線路競爭的前提下，完成線路數(shù)據(jù)交換。同時設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點優(yōu)先級，當(dāng)線路兩個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)，可以根據(jù)優(yōu)先級的排列發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。

通信網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)基于SAEJ1939協(xié)議，綜合控制系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組合而成，根據(jù)功能定義分布在電動汽車的相應(yīng)位置，以此解決過于復(fù)雜的子系統(tǒng)分布，增加布線難度的問題。同時采用總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以更簡潔的拓撲結(jié)構(gòu)，保證各項操作指令能夠及時響應(yīng)和發(fā)出。根據(jù)被控制對象的不同，CAN總線網(wǎng)絡(luò)分為高速CAN和低速CAN，前者主要應(yīng)對電動汽車驅(qū)動性能、網(wǎng)關(guān)、BMS系統(tǒng)等子系統(tǒng)的通信需要；后者主要對非關(guān)鍵子系統(tǒng)設(shè)備的通信，如電動門窗、智能儀表等設(shè)備能接入到網(wǎng)絡(luò)中。

4 能源管理系統(tǒng)以及控制器軟硬件設(shè)計

4.1 電源系統(tǒng)設(shè)計

采用可變?nèi)蒌囯姵亟M設(shè)計，即利用單體電池通過一定的技術(shù)手段，與其他單體電池組成容量更大的電池，同時單體電池之間通過一定的保護處理，滿足其在負載狀態(tài)下，仍能滿足電流、電壓供給需求。通過這樣的設(shè)置，不僅實現(xiàn)大功率能量儲存，還能避免峰谷電壓因用電需求下降對電路的損害。

電池成組結(jié)構(gòu)如下：單體電池→單體電池→電池模塊→電池串→電池堆。連接方式為：并聯(lián)→串聯(lián)→并聯(lián)→串并聯(lián)。盡管電池成組技術(shù)已有了一定的發(fā)展，也切實應(yīng)用到電動汽車設(shè)計中，但在實際操作中限于安全的因素，不能安裝過大容量的電池，因此限制了續(xù)航因素。

超級電容是介乎于電解質(zhì)電容、電化學(xué)電容之間的儲能裝置，相比其他傳統(tǒng)電池，能夠利用靜電極化電解溶液存儲能量，同時支持多達十萬次、百萬次的充放電次數(shù)，具有非常大的電容儲電量。

針對電池成組技術(shù)限制，采用超級電容混合電源的設(shè)計，將兩個能量源組合作為儲能設(shè)備使用，一個具有較高能量密度，另一個具有較高功率密度。

4.2 硬件電路設(shè)計

整車控制器的芯片采用STM32F205，這款芯片基于ARM核心，具有512K字節(jié)閃存的32位微控制器?？刂破魍ㄟ^它實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換、駕駛員操作指令采集、開關(guān)信號輸出、CAN總線網(wǎng)絡(luò)通訊等。

本次設(shè)計方案的電源電池電壓為48V，輔助電池電壓為24V，電機為整車提供動力的電壓為48V，而24V的電源則主要為控制系統(tǒng)提供能量的作用，為了滿足更細化的控制需求，還需要12V、5V、3.3V的電源電壓。其中12V電壓主要為動力電源的繼電器提供能量；5V的電源主要為光電隔離電路、模擬量采集等提供工作電流；3.3V主要為控制芯片STM32F205及其外圍電路供電。因此硬件電路設(shè)計，需要預(yù)留相應(yīng)的電路接口。

數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計，利用控制芯片STM32F205的數(shù)據(jù)I/O口，在每個GPI/O端口配置兩個32位配置寄存器、數(shù)據(jù)寄存器，一個32位置位/復(fù)位寄存器，一個16位復(fù)位寄存器，一個32位鎖定寄存器。通過這樣的配置，控制芯片具有三個12位ADC，且每個ADC共享16個多路通道，通過它可以進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和信號采集。為了保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、準(zhǔn)確性，對輸入信號濾波處理。

4.3 軟件設(shè)計

為了保證電動汽車行進過程的各項操作指令能夠及時響應(yīng)，需要對整車控制器軟件進行設(shè)計，以此實現(xiàn)特定功能和控制策略?；赟TM32F205的芯片，編程環(huán)境為RVMDK3.80A，采用ARM公司推出的嵌入式軟件開發(fā)工具。

系統(tǒng)自檢流程，在電動汽車打火開關(guān)的時候，自動對整車控制子系統(tǒng)進行檢測，確認CAN通訊狀態(tài)正常，無高壓漏電、電機系統(tǒng)、電池系統(tǒng)故障等情況，若是發(fā)現(xiàn)問題，則自動將故障信號傳遞給下一級程序。驅(qū)動控制流程，則根據(jù)電動汽車的駕駛模式，制定相應(yīng)的控制策略，因此開發(fā)識別當(dāng)前驅(qū)動模式的程序，從而將駕駛結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)。

5 結(jié)論

綜合上述，在世界能源緊張的形勢下，電動汽車獲得良好的發(fā)展機遇。為了保證電動汽車的性能和續(xù)航，通過通信網(wǎng)絡(luò)搭建、控制策略、硬件電路設(shè)計等手段，強化混合電源能量控制和管理策略，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻：

[1]陳鑫，蘭鳳崇，陳吉清，等.微型電動汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計與平順性分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)），2018，32（08）：24-31.

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