電動汽車分時租賃控制系統的研究

曹正策，譚 威，馬 浩

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430070）

0 引 言

汽車便利人們出行的同時，耗費了大量資源，加劇了環境污染。電動汽車的發展為解決環境污染、資源短缺等問題提供了新的方向。近年來，政府頒布的大量補貼政策和節能減排的發展戰略，推動了電動汽車行業的迅猛發展，但充電速度慢、續航里程短等技術難題延緩了電動車取代傳統燃油車的進程[1-3]。以租代售的車輛使用模式兼顧了私家車與公共車輛的優點，滿足了用戶以較低的費用使用電動車以進行短距離的市內出行[4]，對推動汽車產業轉型升級、改善城市交通擁堵和環境污染具有十分積極的意義。

1 分時租賃系統方案

電動汽車分時租賃系統充分利用車聯網技術，在車輛上安裝一套車載終端，內置GPS、GSM以及藍牙（BT）通信模塊，用戶通過手機APP完成實名注冊后，即可在自助租賃站點租用車輛并對車輛進行指令控制。分時租賃控制系統主要包括手機APP、云端服務器平臺以及分時租賃車載終端三部分[5]，整體構架如圖1所示。

圖1 控制系統方案構架

車載終端與車輛預留的OBD接口相連，采集汽車CAN數據，主要包括車輛點熄火狀態、車速、車門狀態、擋位、電池剩余電量（SOC）、總里程、蓄電池電壓、充電狀態、故障信息以及定位信息[6]。車載終端對采集的CAN數據進行解析處理后，將其上傳至服務器平臺，然后PC端可通過互聯網訪問平臺監控車輛運行的各項數據。同時，服務器平臺需要將重要的車輛數據轉發至用戶手機APP，用戶通過手機APP界面可以更加直觀地掌握車輛的運行狀態，保證用車的安全。本文以分時租賃控制系統的軟件設計內容為主，手機APP和服務器平臺僅簡述其功能。

2 分時租賃控制系統方案設計

分時租賃控制系統的主要作用是實現對車輛各部分電控單元的穩定控制。分時租賃車載終端通過汽車CAN總線與車輛各電子控制單元的控制電路相連，通過GSM或藍牙通信技術接收來自手機APP和服務器平臺發送的指令信息[7]，從而控制汽車相應的電控單元來控制車輛。

2.1 系統控制功能

分時租賃控制系統需要實現尋車、車門開關鎖、點熄火、示寬燈開關和車窗自動升起等主要控制功能[8]。表1為分時租賃控制系統控制功能表。

2.2 系統控制策略

用戶使用手機APP通過GPRS網絡將控制指令發送到服務器平臺，服務器平臺將控制指令轉發至分時租賃車載終端。車載終端對當前車輛狀態進行判斷，若滿足條件則執行相應指令，并將執行結果反饋到服務器平臺和手機APP，如圖2所示。

表1 控制系統控制功能表

圖2 控制指令數據流

（1）當車輛蓄電池電量充足時，尋車指令和點火指令不受條件限制；用戶使用手機APP下單后，在手機端輸入尋車指令，該車輛保持3 s的尋車狀態，即左右轉向燈閃爍3次并鳴笛3聲。

（2）車輛在高速行駛的過程中開鎖可能導致車門誤開，引發交通事故。但是，駕駛人員在緊急情況下又需要打開車門，所以為車門解鎖制定了兩種控制策略：一是車輛熄火，二是車輛車速小于5 km/h。這兩個條件滿足其一，即可通過手機APP實現開鎖，如圖3所示。

圖3 開鎖控制策略圖

（3）車輛在兩種狀態下可以實現車門關鎖：一是用戶使用手機APP輸入關鎖指令，車輛車門鎖關閉；二是熄火狀態下，保持關門狀態的時間在20 s以上，車輛自動關鎖。要實現車門關鎖，所有車門必須處于關閉狀態，如圖4所示。

（4）車輛熄火需要同時滿足車輛擋位處于N擋且車速為0 km/h兩個條件。車輛熄火的控制策略如圖5所示。

（5）車窗自動升起需要車輛處于熄火狀態且車門鎖處于關閉狀態。自動升窗的控制策略如圖6所示。

3 CAN總線通信協議設計

3.1 CAN總線應用層協議定義

應用層協議是對數據幀中仲裁場的標識符位和數據場進行定義。為了以后適配其他車型車輛，本文參照SAE J1939應用層協議為服務器平臺制定了統一的CAN總線通信協議。

圖4 車門關鎖控制策略圖

汽車CAN總線數據中標識符（ID）決定了信息的優先權，根據每個CAN節點的重要性分配各個節點的ID，可以避免多個節點同時傳送報文時總線產生訪問沖突[9]。信息含義與標識符之間具有一一對應關系，開發者可以清晰明了地知道每個數據幀代表的數據含義，為控制系統模擬測試平臺的搭建提供了理論基礎。表2為CAN總線協議中部分車輛數據信號的結構。

3.2 CAN總線協議解析

每一數據幀的數據場占64位（bit）即8字節，以表3接收到的車速和總里程為例進行CAN總線協議解析。車速信號的ID是0x0513，0x表示十六進制數字，信號從第8位起始，長度為8 bit即1字節，說明車速信號占用了該數據場整個第2字節，表中第2字節的數據為5A，轉換成十進制數為90，即當前車速為90 km/h[10]。總里程信號ID 0x1F90的數據場第6字節和第7字節數據為21 B6，轉換成十進制數為8 630，即此時的總里程為8 630 km。

圖5 車輛熄火控制策略圖

圖6 自動升窗控制策略圖

表2 CAN總線數據結構

4 分時租賃控制系統測試方案

4.1 搭建模擬測試平臺

通過分析電動汽車各電控單元的控制原理，對實車各電控單元控制電路進行簡化后融合到一個電路中，即模擬實車控制電路。該模擬測試平臺采用12 V電源供電，與實車一致。12個電阻既可以起到分流保護電路的作用，還分別表示實車的各控制對象[11]。在每個電路中串聯一顆LED燈，通過燈亮和燈滅可以更加直觀地顯示控制結果是否成功。圖7為模擬電路及其實物圖。

圖7 模擬電路及其實物圖

PCAN可以實現車載終端與PC端之間CAN數據的傳輸，使用PCAN View軟件按照設定的CAN總線通信協議手動輸入車輛CAN總線數據，即可模擬車載終端采集車輛CAN數據的過程[12]。通過觀察服務器平臺上的實時數據與手動輸入的CAN數據是否一致，即可判定車載終端的數據采集和上報功能是否正常；使用手機APP綁定車載終端并向其發送控制指令，通過觀察模擬電路上的LED燈點亮或熄滅的狀態，即可判定控制系統的各項控制指令是否執行成功。圖8為搭建的模擬測試平臺。

圖8 模擬測試平臺

4.2 數據上傳功能測試

為模擬測試平臺和分時租賃車載終端供電，使用PCAN View向車載終端發送十六進制格式的CAN數據模擬用戶用車過程中的各項數據，表4為數據上傳測試表示例。為了確保數據上傳功能的準確性和穩定性，服務器平臺上顯示的所有數據都需要在模擬測試平臺中進行反復驗證[13]。此處僅以部分數據說明測試和判定的方法。

表4 數據上傳測試表

4.3 指令控制功能測試

為了驗證分時租賃系統的各項控制指令能否在設定的控制策略下正常執行，通過PCAN View向車載終端發送CAN數據改變車輛的點熄火狀態、車門狀態、擋位以及車速信息[14-15]。表5為指令控制功能測試表，表中空白處的數據說明此數據對所需驗證的指令沒有直接關系，可以為任意值。然后，通過手機APP下發相應指令，觀察對應的LED燈點亮、閃爍或者熄滅狀態，即可得出測試結果[16-18]。

反復的模擬測試結果表明，該分時租賃控制系統能夠準確穩定地進行數據上傳，各項控制指令也能夠按照設定的控制策略有效執行。

將車載終端與車輛預留的OBD接口相連進行實車測試，駕駛車輛使車輛處于不同的狀態，并通過PC端觀察服務器平臺接收到的實時數據是否與實車儀表顯示的數據一致。確保數據上傳功能準確穩定后，使用手機APP租用該電動汽車，參照表5中的信息對實車發送控制指令，觀察車輛是否執行相應指令，即可驗證分時租賃控制系統是否能夠對實車進行指令控制。實車測試結果表明，該分時租賃控制系統可以很好地按照設計要求完成數據上傳和各項控制功能。

5 結 論

詳細介紹電動車分時租賃總體方案、分時租賃控制系統方案、CAN總線協議的設計，通過模擬平臺和實車測試驗證了所有既定流程都能順利進行，實現了定義的尋車、租車、還車以及用車過程中的各項控制指令。車載終端與手機APP、服務器平臺之間能夠穩定進行數據傳送，可為今后對分時租賃控制系統的研究提供了參考。

表5 指令控制功能測試表