純電動汽車整車控制器的設計

汪靜

摘 要：純電動汽車不僅僅是作為整車控制器的調控中心，同時也在整車控制器中起到核心作用。文章給出了純電動汽車整車控制系統的基本結構，以及整車的工作方式，在此基礎上提出了不同的工作方式下對應的各種控制策略。緊接著根據其控制策略設計了整車控制器的相關硬件電路，最后結合整車控制器的硬件電路和控制策略，完成了整車控制器的主程序和各個子程序的整體設計。

關鍵詞：純電動汽車；整車控制器；硬件設計；程序設計

隨著社會的發展與科技的進步，各個城市的汽車使用戶噴井式增加。傳統的內燃機汽車消耗石油，排出大量廢氣，使得城市的空氣質量不斷下降。純電動汽車由于不使用傳統化石能源，對環境不造成污染，受到人們的青睞。隨著科技的進步，電動汽車的核心技術不斷地革新與突破，逐漸完善的城市基礎設施提供了有利的幫助，電動汽車已經成為潛力股，逐步取代傳統汽車變為可能[1]。本文從汽車結構出發，結合整車信息傳輸過程，設計了整車控制器的軟硬件結構。

1 整車控制器方案

1.1 純電動汽車系統結構組成

如圖1所示，純電動汽車結構主要由6個部分組成：整車控制器、電力驅動系統、動力管理系統、逆變器、傳動系統和車載儀表[2-3]。

整車控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）依據采集到的檔位信號以及加速踏板信等，將控制信息發送給各類子系統；儀表顯示系統實時顯示汽車運行狀態信息；電池管理系統為整車提供能量；電池組的輸出電流隨著電力驅動系統變換而變換從而驅動電機轉動，進一步為整車提供能源；充電機為電池組進行充電。

1.2 通信網絡

整車控制器通過CAN總線與各子系統通迅，CAN總線網絡如圖2所示。整車控制器通過CAN總線接收汽車運行時各子系統的任務狀態信息，再結合從各類傳感器收集的駕駛信息，由所對應的控制策略計算出各子系統所對應的控制信息，接著由CAN總線將對應的控制信息傳輸給電機控制器、電池管理器和車載充電機等組成部分當中，并向智能儀表發送實時的儀表顯示信息以及告警信號，實現車輛的驅動控制，故障保護處理等。

1.3 純電動汽車工作模式分析

整車控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）的工作分為多個狀態，總體可大致分為5個狀態：上電狀態、行車狀態、停車狀態、故障狀態、充電狀態[4-5]。

1.3.1 上電狀態

鑰匙轉動到上電位置，VCU通電啟動，首先進行系統自檢，若VCU工作正常，再給電池組管理子系統、電機控制子系統、儀表設備等上電。當整車系統正常工作，則完成上電過程，VCU進入準備狀態。

1.3.2 行車狀態

行車狀態即整車正常上電進入準備狀態后的行車過程，在這個狀態中VCU采集駕駛信號（檔位信號、加速踏板開度、制動踏板開度等），配合當前的行車控制策略，從而可以輸出相應控制信息并達到操作電機控制器的目的。

1.3.3 停車狀態

汽車停止行駛，檔位置于空擋位置，鑰匙轉動到斷電位置。VCU控制各子系統進行斷電過程，再自斷電，完成停車工作。

1.3.4 故障狀態

電動汽車整車故障分為兩級。故障來源有BMS，CAN網絡，電機控制器及各個子模塊等。一級故障為不可接受故障，二級故障為可接受故障。一級故障發生時，整車不可運行，為緊急停止狀態。二級故障發生時，限制汽車功率，繼續運行。

1.3.5 充電狀態

當汽車處于準備狀態，VCU檢測到充電信號后，發送充電信息給BMS。在BMS回應達到充電條件的信號后，進入充電狀態。充電進程中VCU會持續接收來自BMS的信息，若出現故障，則中斷充電過程。

2 整車控制器的硬件電路設計

整車控制器的硬件結構如圖3所示，其硬件電路主要由6個部分組成，它們分別是：開關量采集模塊、A/D采集模塊、VCU最小系統、CAN通信模塊、串口通信模塊、功率驅動模塊這6個模塊。功率驅動模塊用于驅動外部繼電器，控制車載設備的上下電。開關量采集模塊用于接收相關開關量信號，其信號主要分為檔位信號、制動信號、充電信號這三大類別[6]。模擬量采集模塊用于接收模擬量信號，主要是制動踏板開度大小以及加速踏板開度大小等信號。CAN通信模塊其主要作用是用于與其他子系統進行通信。串口通信模塊區別于CAN通信模塊，其主要是用于與上位機之間的通信。

3 整車控制器的軟件設計

3.1 主程序設計

整車控制器的主程序用于確定電動汽車的運行方式，其方式是依據駕駛信息和CAN總線采集到的其他子系統的狀況信息從而進行判斷。在系統上電后，首先進行上電初始化，系統自檢，而后收集信號、故障診斷與處理，再進行工況判斷與處理、儀表顯現，最后進行數據通信。根據上述過程可以初步得到主程序流程圖，其結果如圖4所示。

3.2 子程序設計

由圖4可以分析得到子程序的相關類別，其主要包括CAN通訊程序、工況判斷與處理程序、故障診斷及處理程序等3個部分。

3.2.1 CAN通訊程序

CAN通訊程序包括CAN接收子程序以及CAN發送子程序。

（1）CAN信息發送。

CAN發送程序的相關流程如圖5所示，在CAN發送環節的過程之中，發送數據的長度和總線時鐘是首先被檢查的對象，隨后尋找空閑緩沖器，設置數據包的優先級以及長度，再寫入數據到緩沖器。CAN信息發送的最后一步是清除發送標志位的使能信號發送，從而CAN信息的發送過程結束進入接收環節。

（2）CAN信息接收。

CAN接收程序如圖6所示，進入CAN發送程序后，首先檢查緩沖器的接收標志位，看是否收到數據。在確認數據被緩沖器接收到了情況下，進一步讀取數據的長度及包含的數據，在這個過程結束后再清除接收標志位的使能信號，這樣就完成了數據的接收。

3.2.2 故障診斷與處理

故障診斷與處理程序如圖7所示，電動汽車的故障分為兩級。一級故障發生時，汽車停止運行，關閉所有驅動信號。二級故障發生時，限制汽車運行功率。

3.2.3 工況處理

工況處理程序如圖8所示，汽車的運行工況分為前進、后退、空檔和制動4種模式。整車控制器確定車輛所處于的工況是以駕駛狀態、電機狀態及車輛運行狀態這3個實時狀態為依據進行判斷的，在確定對應的工況后則發送相對應的控制信息。

4 結語

純電動汽車控制系統具有較好的市場前景，并且有其一套完整的控制系統。其核心部件是整車控制器；電池組管理系統、電機驅動系統以及充電系統是它的3個外圍輔助系統，在整個控制系統中也起著至關重要的作用。作為純電動汽車控制系統的核心，整車控制器具有協調各個子系統的作用，在配合整車控制策略的同時可以更好地發揮其功能，從而使純電動汽車能夠正常行車。本文當中介紹了整車控制器與外圍系統的通迅網絡，并以此大致搭建了整車控制器的整體硬件電路；在此基礎上依據整車控制策略，合理設計了整車控制軟件，并達到預計的效果。

[參考文獻]

[1]劉卓然，陳健，林凱，等.國內外電動汽車發展現狀與趨勢[J].電力建設，2015（7）：25-32.

[2]翟世歡，辛明華，于蘭.純電動汽車整車控制策略[J].汽車工程師，2014（12）：26-27.

[3]王思哲.純電動汽車整車控制策略及其開發流程[J].機電產品開發與創新，2016（2）：84-85.

[4]邱會鵬.純電動汽車整車控制器的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[5]李川.純電動汽車整車控制器的設計[D].天津：天津大學，2016.

[6]馬宇坤，郭艷萍，翟世歡，等.純電動汽車整車控制器硬件設計[J].汽車工程師，2014（12）：30-33.