電動汽車整車控制系統介紹

李曉林

摘 要:本文介紹了純電動汽車整車電氣系統功能、整車控制系統配置、功能、研發流程及測試方法。整車控制器是整車設計的一部分,必須根據整車性能要求和選用的各總成單元性能進行參數匹配,使整車整體性能達到設計要求。為加快研發速度、規避研發風險及降低研發費用,整車控制系統有必要采取系統仿真技術、半實物仿真或臺架試驗。根據實際條件,可選擇不同的試驗手段。應在道路試驗前,盡量做出完備的測試。

關鍵詞:純電動汽車整車控制器系統建模仿真半實物仿真測試

中圖分類號:U469 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0027-03

本文主要探討純電動汽車整車控制系統功能及研發流程。根據用途,整個電氣系統可分為動力系統、能源系統、底盤電子控制系統、照明指示系統、儀表顯示系統、輔助系統、整車綜合控制系統、空調系統和舒適性安全系統等子系統。其中很多功能模塊都需要和整車綜合控制系統相關。整車電氣系統列出如表1所示。

整車綜合控制系統根據駕駛員的操作指示(油門、剎車等),綜合汽車當前的狀態解釋出駕駛員的意圖,并根據各個單元的當前狀態作出最優協調控制。

1整車控制器系統配置

整車控制器與整車其他電氣系統連接如圖1所示。整車控制器通過CAN總線與電池ECU、電機ECU、電源分配ECU、ABS系統、中控門鎖、儀表顯示系統連接。與其余的電氣系統通過IO端口連接(也可使用CAN通訊)。下面分別對各電氣單元的功能要求分別敘述。

1.1 動力系統提供整車的動力輸出,其核心是驅動電機和電機驅動ECU

電機驅動ECU通過CAN總線與整車綜合控制器通訊。應能提供電機轉速、轉矩、功率、電壓、電流、水溫、工作模式等參數。并應該能接受整車控制器發來的控制命令。

1.2 能源系統包括電池、電池管理單元和電源分配系統

與整車控制器通訊的有電池管理ECU和電源分配ECU。

電池管理ECU對電池進行充放電管理及保護。它應能提供電池組總電壓、電流、單體電池電壓、溫度、剩余電量、電池健康狀態、故障類型等信息。

電源分配ECU應能提供各個子電源的電壓、電流和工作溫度以及故障類型等信息。

1.3 ABS系統應能提供各個車輪的轉速、液壓系統狀態、各個制動閥的狀態以及自身的工作狀態等信息

1.4 中控門鎖,應提供各車門狀態等信息

1.5 儀表顯示系統,應向整車控制系統提供所顯示信息的全部內容

1.6 照明指示系統,可以通過CAN總線來控制,也可以通過IO來指示照明指示系統的運行狀態

1.7 轉向助力、制動助力、變速箱需提供檔位位置、液壓壓力、工作狀態等信息

可以是簡單的開關量也可以用CAN總線通訊。

1.8 駕駛員的油門踏板和制動踏板經信號調理后接入到整車控制器內

2整車控制器詳細功能

純電動汽車的整車控制器的主要功能包括:汽車驅動控制、制動能量的優化控制、整車的能量管理、CAN網絡的維護和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態監視、行車記錄等。整車控制器功能框圖如圖2所示。整車控制器通過CAN總線和IO端口來獲得如加速踏板開度、電池SOC、車速等信息,并根據這些信息輸出不同的控制動作。

下面分別介紹各部分實現的具體功能。

2.1 汽車驅動控制

根據司機的駕駛要求、車輛狀態等狀況,經分析和處理,向電機控制器發出指令,滿足駕駛工況要求。包括啟動、前進、倒退、回饋制動、故障檢測和處理等工況。

2.2 整車能量優化管理

通過對電動汽車的電機驅動系統、電池管理系統、傳動系統以及其它車載能源動力系統(如空調)的協調和管理,以獲得最佳的能量利用率。

2.3 網絡管理

整車控制器作為信息控制中心,負責組織信息傳輸,網絡狀態監控,網絡節點管理等功能,網絡故障診斷和處理。

2.4 回饋制動控制

根據制動踏板和加速踏板信息、車輛行駛狀態信息、蓄電池狀態信息,向電機控制器發出制動指令,在不影響原車制動性能的前提下,回收部分能量。

2.5 故障診斷和處理

連續監視整車電控系統,進行故障診斷。存儲故障碼,供維修時查看。故障指示燈指示出故障類別和部分故障碼。根據故障內容,及時進行相應安全保護處理。對于不太嚴重的故障,能做到“跛行回家”。

2.6 車輛狀態監測和顯示

整車控制器通過傳感器和CAN總線,檢測車輛狀態及其各子系統狀態信息,驅動顯示儀表,將狀態信息和故障診斷信息經過顯示儀表顯示出來。顯示內容包括:車速,里程,電機的轉速、溫度,電池的電量、電壓、電流,故障信息等。

2.7 行車記錄

行車記錄記錄一段時期內的整車運行數據記錄,包括電池電壓、電流、SOC、各單元溫度、油門踏板/剎車踏板狀態、車速等信息。

3整車控制器研發流程

整車控制器的主要功能是根據整車設計要求及選擇的各單元總成的性能,采用適當的控制方法,使整車的整體功能/性能達到設計要求,并滿足相關國標/行標要求。因此,整車控制器的功能/性能試驗是和整車試驗結合在一起的。而整車試驗需經過多種試驗方式,因而整車控制系統的試驗也需經過多種試驗過程。由于整車性能試驗比較耗時耗力,因此有必要在整車道路試驗前,盡量進行完備的仿真、測試和試驗。因此,整車控制器研發過程中,仿真和測試是很重要的手段。整車控制器研發過程可分為參數計算、系統仿真、半實物在環系統仿真、臺架及道路試驗這四個階段。

3.1 參數計算

參數計算階段要根據整車設計提出的性能要求及各總成單元的性能,進行驗證計算,并選擇適當的控制參數及策略,使整車性能達到設計要求。和整車控制器相關的計算參數包括汽車一般參數、動力性參數、制動性參數。

整車設計總體要求及關鍵技術涉及的參數參見附錄1。附錄1中列出了純電動汽車整車方案設計中各總成的技術參數。我們可根據附錄1中所列出參數,選擇適當的控制策略和控制參數,計算得到整車續行里程、動力特性、爬坡能力、加速能力、制動能力等參數。

3.2 系統建模仿真

系統仿真階段可根據整車各總成建立相應模型,仿真驗證參數計算的結果,并優化相關控制策略。一般EV常采用的仿真軟件有Advisor、PSAT等。

仿真軟件可以提供如下仿真功能。

3.2.1 道路仿真

仿真軟件可提供道路循環、多重循環和測試過程三種仿真工況來仿真車輛的性能。

(1)道路循環提供了CYC_ECE、CYC_ FTP和CYC_1015等56種國外標準的道路循環供用戶選擇,另外提供了行程設計器可以將多達八種不同的道路循環任意組合在一起,綜合仿真車輛的性能。

(2)多重循環功能可以用批處理的方式以相同的初始條件,快速計算和保存不同的道路循環情況下的仿真結果,并將它們顯示在一起,供用戶進行比較。

(3)測試過程包括TEST_CITY_HWY和TEST_FTP等八種標準的測試過程供用戶選擇仿真。

3.2.2 加速度性能仿真

該功能可以仿真以下車輛性能:三組從初速度加速到末速度所需要的最短時間、某一時間段內車輛行駛的最大距離、行駛某一段距離所需要的最短時間、最大加速度和最大速度。

3.2.3 爬坡能力仿真

在設置車輛速度、持續時間、質量和多能源動力系統等參數后,可以仿真出車輛在給定速度下的爬坡性能。

3.2.4 參數研究

該功能可以選擇1～3個部件參數,在三維坐標圖上用不同的顏色代表不同數值的方式,來分析這些參數對車輛的能源經濟性和環保特性等性能的影響。

3.2.5 計算輔助電器的負荷

該功能可以計算車輛上輔助電器的能源消耗。這些電器設備包括除霜設備、收音機和照明設備等。用戶定義這些設備的電流一電壓特性和與道路循環相關聯的使用時間等數據后,就可以仿真出輔助電器的負荷。

3.2.6 交互式仿真

該功能由系統控制、車輛控制與顯示和仿真輸出三部分組成,它支持實時地輸入道路循環和動態顯示每個仿真計算步長的結果。系統控制部分負責控制仿真速度和動態輸入當前仿真時間步長的道路循環,它包括請求速度和坡度。車輛控制與顯示部分模擬顯示出車輛內部發動機轉速表、車輛速度表、燃油表、能源儲存系統的SOC表、加速踏板和換擋開關等儀表和控制開關的動態變化,用可視化的形式輸出仿真結果。

3.3 半實物在環系統仿真

仿真技術是研究整車控制器的重要手段。但是,采用計算機仿真很難準確地反映實際情況,但隨著計算機技術的高速發展和車輛動力學模型的不斷完善,混合仿真技術已逐漸成為整車控制器開發的重要手段。這種技術是一種實時仿真技術,它把部分實際產品利用計算機接口嵌入到軟件環境中去,并要求系統的軟件和硬件都要實時運行,從而模擬整個系統的運行狀態。

對電動汽車整車控制器進行半實物在環仿真,以模擬汽車駕駛環境為基礎,通過模擬駕駛臺,可以進行電動汽車的主要駕駛操作,并可得到車輛的主要響應信息。它可完成整車控制器軟件調試、策略研究和功能測試等功能。其中軟件調試要達到評估整車控制器的整車控制與調度的管理能力的目的,策略研究則要對主控制系統的策略可行性以及實用性提出意見。半實物在環系統仿真系統構成如圖3所示。

3.4 臺架及道路試驗

試驗是控制系統開發的重要手段,對于整車控制器必須進行完備的實驗。一般試驗分為臺架試驗和道路試驗。為了保證上車之后的安全可靠,同時也可以避免上車調試的諸多不便,在上車調試之前,有必要進行臺架試驗。在保證各種控制邏輯和故障處理的正確性,優化整個控制系統和控制參數,以求達到提高整車的能量利用率的結果。臺架試驗結束后可進行整車道路試驗。

3.4.1 臺架試驗

臺架試驗系統主要由整車控制器、電機、電機控制器、電池、電池管理系統等組成。電機和1臺電力測功機相連,能實現對電機扭矩的測量和倒拖電機以實現回饋制動。電機控制器控制電機的一切操作,并管理電機的冷卻風扇。電池管理系統負責對電池狀態的監視和管理。整車控制器負責協調整車電器狀態和電機扭矩的分配。

測功機可以根據試驗要求對電機施加不同的扭矩,從而可以進行各種功能測試和路況模擬測試。

3.4.2 道路試驗

盡管臺架試驗可模擬道路情況,但臺架不能完全代替道路的實際情況。為了真正檢驗動力系統的在實際道路上的性能,需要進行實際道路試驗。在實際的道路試驗中,根據試驗效果,可對驅動策略參數、制動回饋策略參數、能量管理策略參數以及CAN通訊調度參數等進行優化匹配。

3.4.3 車載監控及標定系統

為了配合臺架及道路試驗,需要一套車載監控及標定系統,來完成對整車實時監控及在線數據匹配標定功能。其主要功能包括:

(1)可以實時顯示CAN總線上全部的通信內容,并依據應用協議進行解釋,通過CAN總線可以監控車輛系統的全部信息。

(2)查看CAN總線網絡的通信狀況,包括網絡負載情況、網絡故障顯示等。

(3)可以不丟幀地將CAN總線上的全部通信消息記錄于硬盤。

(4)可以按實際運行狀態,以文本和圖形方式,回放所記錄的CAN總線通信全過程,回放車輛和試驗操作的全過程。

(5)可在線修改動力總成控制器中主要控制參數,進行系統匹配標定研究。

4結語

綜上所述,整車控制器與整車選型設計密切相關,根據不同車型,整車控制器需調整不同的控制參數及控制策略。要點總結如下。

(1)整車控制器是整車設計的一部分,必須根據整車性能要求和選用的各總成單元性能進行參數匹配,使整車整體性能達到設計要求。

(2)為滿足國標/行標,整車需進行道路試驗。道路試驗需要消耗大量的時間和費用,因此為加快研發速度、規避研發風險及降低研發費用,有必要采取系統仿真技術、半實物仿真或臺架試驗。根據實際條件,可選擇不同的試驗手段。應在道路試驗前,盡量做出完備的測試。

(3)整車道路試驗需要一套車載監控及標定系統。在道路試驗中需對控制參數和策略進行優化。

(4)對于同款電動汽車,可能需要根據路況特點及應用特點,來優化整車控制器控制參數和策略。

(5)由于整車控制器對整車的動力性、制動性、安全性等均有影響,因此對其響應速度、可靠性及抗干擾能力要求極高。

(6)整車控制器可根據需要,增加/裁減不同功能,驅動控制、能量管理、故障檢測是其基本功能。