電動汽車整車控制器設計及測試

黃 其，薛利昆，羅 玲，王偉建

（1.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴陽550081；2.西北工業大學 自動化學院，西安710072）

電動汽車以電機為驅動機構，與傳統燃油發動機汽車相比，起動力矩大、加速快，變速箱噪聲減少，行駛中沒有尾氣排放，應用越來越廣泛[1]。電動汽車的三大核心部件為整車控制器VCU（vehicle control unit）、電池管理系 統BMS（battery management system）和電機控制系統MCU（motor control unit），通過控制信號線束（通常采用CAN 總線）和電力線束相互連接[2]，如圖1 所示。整車控制器VCU接收駕駛員的操作指令，并實時監控整車附件、電池系統及電機系統部件的狀態，向附件和電機系統發出控制指令。電池管理系統BMS 主要完成電量檢測、保護、狀態預測、充放電控制、電流均衡等功能[3]。電機控制系統MCU 是實現電能向汽車動能轉換的部件，主要完成行車、剎車、倒車、駐車等功能。三大核心部件都屬于獨立的電子系統，在進行整車組裝前都各自進行測試，通常采用硬件在回路仿真平臺，例如LabCar 或dSPACE 實時仿真系統[4-5]。但半實物仿真平臺系統復雜，信號采集設備成本高；而且車輛組裝完成后，測試系統不方便隨車進行現場測試。

圖1 電動汽車的三大核心部件Fig.1 Three major components of electrical vehicle

根據汽車行業標準，本文采用汽車級單片機英飛凌XC2267M 開發了電動汽車整車控制器，介紹了硬件結構和程序功能； 并設計了一套低成本、便攜式的測試系統，包括信號板（開關量和模擬量輸入，輸出顯示）、USBCAN 通信卡和LabVIEW 測試上位機，對整車控制器進行了相關測試。

1 整車控制器設計

整車控制器是電動汽車的控制中心，一方面要識別駕駛員的操作指令，控制各執行部件動作，轉化為車輛運動；另一方面要對車輛的各個部件（電池管理系統BMS、高壓柜DC/DC、電機控制器MCU、空調等）進行實時監控，根據運行狀況作出警告或降功率保護處理[6]。

1.1 整車控制器處理硬件設計

整車控制器的輸入信號主要是駕駛員的操作指令，包括檔位、鑰匙、充電機、以及油門和剎車踏板，還有高壓配電柜反饋信號；整車控制器的輸出信號主要是控制電機與電源母線通斷的接觸器，還有控制空調、助力轉向油泵、制動氣泵、冷卻水泵通斷的繼電器。整車控制器通過CAN 總線與電機控制器、電池管理系統、儀表進行通信。

根據整車控制器處理的信號內容來設計硬件電路，主要由英飛凌XC2267M 單片機最小系統電路、AD 接口電路、 開關量電平轉換電路、CAN 總線通信電路組成，如圖2 所示。英飛凌XC226x 系列單片機的時鐘頻率為80 MHz，擁有4 個PWM 單元，兩個快速10 位ADC，6 個串行接口（USIC 通道）、6個CAN 節點，可以運行在低功耗省電模式。整車控制器采用TJA1050 芯片實現CAN 總線通信、 采用BTS724G 芯片實現5 V 高邊驅動。整個電路板裝入金屬盒，再把金屬盒接地進行屏蔽，來提高整車控制器的抗干擾性能。

圖2 整車控制器的硬件結構Fig.2 Hardware structure of VCU

1.2 整車控制器的軟件設計

英飛凌XC2267M 單片機可采用可視化芯片寄存器配置軟件Dave，直接生成project 文件（包含主函數和各個模塊的子函數），能在其他編譯環境如keil 或Tasking 中打開。整車控制器的軟件主要完成上下電邏輯控制、故障識別及處理、電機請求轉矩控制等功能。

1.2.1 上下電邏輯控制

上電時：汽車鑰匙被擰到ON 位置，高壓控制柜就會將電池和電機控制器相互連接。為了防止高電壓電池對電機控制器的電流沖擊，就要控制預充接觸器和主正接觸器的開通順序：先接通主負接觸器和預充接觸器，讓預充功率電阻和電容來降低電流沖擊，待電容電壓升到電池電壓時再接通主正接觸器，隨后斷開預充接觸器，如圖3 所示。斷電時：汽車鑰匙被擰到初始斷電位置，先斷開主正接觸器，再斷開主負接觸器。當汽車連接到充電器時，鑰匙不能控制電池和電機控制器相互連接。

圖3 電池與電機的連接電路Fig.3 Connection circuit of BMS and MCU

整車控制器控制的邏輯功能還包括車門開關、三檔（前進D、后退R、空擋N）切換、冷卻泵的啟動等，邏輯控制通常是各個接觸器按照一定的順序開通/關斷，宏定義為標志位FLAG，前一個標志位變化成為下一個標志位變化的條件，條件通常是多個標志位的與/或邏輯關系。上下電程序的流程如圖4 所示。

圖4 上下電程序流程Fig.4 Flow chart of RUN/STOP

1.2.2 故障識別及處理

整車的故障包括系統通信掉線和部件異常。部件異常主要有電機控制器、電池管理系統、絕緣監測儀、油泵、氣泵、高壓控制柜DC/DC。

整車控制器的通信自檢在上電后首先被執行，附件、電機、電池和整車控制器之間互相發LIFE值，LIFE 值不斷自加（20 ms 一次）循環，當目標端前后兩次接收的LIFE 值不變時，通訊異常，連續500 ms通訊異常時就將通訊故障標志位置1。

整車故障分為4 級，由高到低為1～4，其處理方式：1 級故障斷開動力電池車輛停止，2 級故障限功到60%，3 級故障限功到30%，4 級故障限制功率到15%，每級故障都會發送報警信息。特別注意當電池BMS 發生故障時，電池本身會做故障處理，降低放電電流達到限制功率的作用，此時為防止整車二次限功，可以采用取最小值的方法得到限制功率值Px和電機轉矩Tq請求值如下：

式中：U 為實時電壓；Irea為電池實時放電電流；Imax為電池最大放電電流；K 為限功百分比；n 為實時轉速；k 為油門/制動踏板開度（范圍0～1）。

1.2.3 電機請求轉矩控制

按照永磁同步電機的工作特性，基速以下采用恒轉矩模式，基速以上采用恒功率弱磁升速模式，這也是電動汽車電機的轉矩請求最大范圍。但實際中電機請求轉矩受電動汽車實際運行情況的限制，例如在驅動D 檔條件下，車輛最大行駛速度80 km/h，最大加速扭矩為1200 NM，從0 扭矩增至峰值時間需大于0.93 s；當車速快接近80 km/h，請求轉矩就不能大大超過汽車行駛的阻力矩，以保證較低的加速度。由于電機工作在發電狀態的時間較短，而且頻繁短時的充電和放電對電池的壽命有影響，所以整車控制器將電機發電的能量消耗在功率電阻上。

2 基于LabVIEW 的測試系統

測試系統要提供車輛運行過程中的所有輸入信號，讓整車控制器對信號進行處理；同時測試系統要能顯示出整車控制器的所有輸出結果。本文采用圖形化編程軟件LabVIEW 開發上位機軟件監控測試結果，通過USBCAN 卡與整車控制器進行數據通信，油門剎車踏板模擬外部輸入信號，信號板顯示輸出信號和中間變量，如圖5 所示。

圖5 測試系統結構Fig.5 Testing system of VCU

2.1 外部信號的模擬

整車控制器處理的信號有數字量和模擬量，其中油門和剎車信號為模擬量，其它信號均為數字信號，包括檔位、鑰匙、繼電器的通斷和反饋；根據通信速率不同、 整車控制器的CAN 總線通訊分為兩路：電機與整車控制器之間的高速CAN 線，波特率500 kbps；電池、儀表和整車控制器之間的低速CAN1線，波特率200 kbps。CAN 總線采用全雙工模式，可以同時進行數據收發，每路CAN 總線可以掛多個節點node，每個節點有獨一的IP 地址，通過IP 地址將報文發到目的控制器。電機請求轉矩、電機轉速、電池SOC、電機和電池的溫度狀態信息都是通過CAN總線傳輸。

信號板給整車控制器發送開關量、也能顯示整車控制器的輸出開關量；油門和剎車踏板給整車控制器發送模擬量。上位機一方面收發CAN 報文，模擬電機、電池或其它附件發送相應報文；另一方面實時檢測各個部件的運行情況，并對整車控制器的中間變量和輸出進行顯示。為了方便測試整車VCU電路板信號流通性和程序的正確性，配合外部信號模擬輸入輸出，整車控制器程序將狀態標志位、中間變量和輸入輸出定義為CAN 總線報文數據，以便在上位機軟件上觀察程序邏輯。

2.2 LabVIEW 上位機

LabVIEW 操作界面由前面板、 流程圖和圖標/連結器組成，可以把某一功能的程序封裝成一個VI，VI 之間可以相互調用。通用計算機連接USBCAN 卡、 裝好相關驅動程序，LabVIEW 通過調用dll 動態鏈接庫文件來實現外部通信[7]。本測試系統使用的USBCAN 通信卡配有專用的ECanVic.dll文件，ECanVic.dll 定義了接口庫函數和對應結構體，在LabVIEW 的程序框圖將這些函數裝成一個CAN 報文讀取VI，如圖6 所示。

圖6 CAN 報文讀取子VIFig.6 Message read VI

讀取VI 接收到CAN 報文后，測試系統需要進一步對這些數據進行分析和顯示。根據SAE 美國汽車協會J1939 協議，CAN 總線報文包括兩部分，ID信息和數據部分[8]。按照數據幀的ID（標識符）值，報文解釋VI 對數據幀進行分類篩選，然后對其進行分析和顯示，如圖7 所示。由于汽車運行的實際參數有些是帶小數位，而CAN 報文傳輸的發送值是正整數，用來提高數據處理精度和速度。實際值與發送值之間的關系為

圖7 報文解釋子VIFig.7 Message interpretation VI

3 實驗內容

測試內容主要包括三部分： 硬件信號流通測試、模擬功能測試和現場行車測試。

3.1 硬件信號流通測試

信號流通測試是為了檢測硬件電路板上各種元器件質量是否正常、焊接是否正常、信號邏輯是否正常。將USBCAN 卡的兩組CAN1 和CAN2 接口連接整車控制器的兩個CAN 端口，將USBCAN 卡的USB 端接入計算機，打開ECantools 軟件，接通整車控制器電源，查看整車控制器發出的各種CAN 報文數據是否與通信協議定義的ID 相同，用以判斷整車控制器是否正常工作。在確定通信正常后，打開上位機軟件，發送測試報文到整車控制器，觀察信號板上對應的指示燈閃爍情況，用以判斷整車控制器的IO 端口是否正常； 先后踩下油門踏板和制動踏板，觀察整車控制器的ADC 采樣否正常，如圖8 所示。

3.2 邏輯功能測試

圖8 測試硬件電路Fig.8 Hardware of test bench

點開上位機監控軟件的運行按鈕，相當于汽車鑰匙擰到第一個位置ACC，上低壓電24 V（整車控制器工作是在上完24 V 低壓之后），低壓器件如車燈、喇叭、儀表、行車記錄儀、雨刷等可以運行。鑰匙擰到第二個位置ON，主負接觸器閉合，然后預充接觸器閉合，電池給電機直流母線電容充電，功率電阻限制最大充電，待電機母線電壓大于電池總電壓90%后，主正接觸器閉合，同時預充接觸器斷開，然后接通DC/DC，油泵（助力轉向）開始工作，氣壓低時氣泵（剎車、車門的助力）打開，空調也可以打開。鑰匙擰到第三個位置START，會自動彈回ON，開始判斷READY 信號，儀表盤上顯示READY 后就可以選擇檔位，給電機發送轉矩請求，同時啟動水泵給電機和控制器進行冷卻。上位機顯示界面如圖9 所示。

圖9 上位機監控界面Fig.9 Monitoring interface of supervisory computer

當鑰匙退回到ACC 時，先斷開DC/DC、氣泵、油泵、空調，再斷開主正、主負接觸器；當鑰匙退回到OFF 時，斷開低壓24 V。按照上述方法可以測試車門開關、三檔（前進D、后退R、空擋N）切換等邏輯功能。

3.3 故障處理測試

整車控制器在程序里定義了各種故障的標志位FLAG，包含在CAN 通信報文的數據位。故障測試通過上位機軟件模擬發送故障報文，整車控制器接收到報文后進行分類，判定故障等級，然后做出相應的限制功率/轉矩請求。

針對一款150 kW 電動汽車主驅永磁電機，整車控制器接收到實時電機轉速（上位機模擬電機控制器發送報文），根據式（3）計算出當前最大請求轉矩，乘以油門或制動踏板開度系數就得到實際轉矩請求值。測試時將油門踏板踩到底，此時開度系數為1，模擬車速從0 到最高車速，測試軟件繪出了整車控制器在正常情況下和二級故障下最大轉矩請求波形，如圖10 所示。

圖10 正常情況和二級故障下的最大轉矩曲線Fig.10 Normal condition and secondary failure operation curve

現場測試時，電動汽車的各個部件（電機、電池、DCDC、儀表等）與整車控制器相連，互相收發信息，上位機只需將USBCAN 連接到車輛上的CAN 雙絞線就能檢測電動車輛的實時運行數據。目前此整車控制器已裝到8 米通勤客車上試運行，使用裝有上位機軟件的便攜筆記本可以在各種實驗環境進行測試。

4 結語

電動汽車整車控制器主要通過CAN 總線與其它部件進行通信，英飛凌XC2267M 單片機具有6個CAN 節點，根據整車控制器外部接口和功能設計了硬件電路和程序，基于LabVIEW 開發上位機，通過USBCAN 實現上位機與整車控制器之間的通信。硬件信號流通測試驗證了整車控制器的硬件正確性，邏輯功能測試和故障處理測試驗證了程序功能的正確性。測試系統可作為整車控制器的出廠檢驗工具，也可作為電動汽車日常維護的檢測工具。