雙軸雙電機驅動電動汽車整車控制器開發

宋振斌 李軍偉 孫賓賓 王培金

摘 ?要： 為解決單電機驅動電動汽車動力性和經濟性不能同時兼備的不足，設計開發了雙軸雙電機驅動電動汽車。針對雙軸驅動電動汽車動力構型的特點，開發一款基于MC9S12XEP100單片機為控制核心的整車控制系統。在分析整車控制器功能需求的基礎上，設計了整車控制器的硬件電路，開發了整車控制軟件。實車測試結果為0～30 km/h加速時間為3.25 s， 0～50 km/h加速時間為6.5 s，最高車速可以大于100 km/h。實車測試表明所開發的整車控制器達到了設計指標的要求。

關鍵詞： 電動汽車; 雙軸雙電機驅動; 整車控制器; MC9S12XEP100單片機; 硬件設計; 軟件開發

中圖分類號： TN876?34; U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）01?0140?03

Development of dual?axis dual?motor?driven electric vehicle control unit

SONG Zhenbin， LI Junwei， SUN Binbin， WANG Peijin

Abstract： To deal with the deficiency that the power and economical efficiency of the single?motor?driven electric vehicle could not be satisfied both， a dual?axis dual?motor?driven electric vehicle is designed and developed. According to the power configuration characteristics of the dual?axle dual?motor?driven electric vehicle， a vehicle control system with MC9S12XEP100 microcontroller as the control core is developed. Based on the analysis of the functional requirements of the vehicle control unit， the hardware circuit of the vehicle control unit is designed and the vehicle control software is developed. The results of real vehicle test show that when the speed is in the range of 0～30 km/h， the acceleration time is 3.25 s; when the speed is in the range of 0～50 km/h， the acceleration time is 6.5 s; the maximum speed can be greater than 100 km/h. The real vehicle test show that the vehicle control unit developed meets the requirements of design indicators.

Keywords： electric vehicle; dual?axis dual?motor drive; vehicle controller; MC9S12XEP100 microcontroller; hardware design; software development

0 ?引 ?言

目前市面上純電動汽車的動力構型大多采用單電機單軸驅動的構型方式，這種動力構型的驅動電機一般是根據車輛行駛時所需求的最大功率進行匹配的[1?3]。車輛在低速小負載行駛時，驅動電機運行于低速低效率區，使得整車的效率降低。因此，單電機驅動的電動汽車所匹配的電機雖然能夠滿足整車動力性的要求，但經濟性會受到影響。對于電動汽車來說，由于傳動系統的簡化，則完全可以方便地設計成前后軸各安裝一個功率相對較小的驅動電機的構型方案。當整車需求功率較低時，采用單電機驅動模式，避免了常規電動汽車單電機驅動時電機效率低下的情況發生，提高了整車的經濟性;當整車需求功率較高時，采用前后軸雙電機聯合驅動模式，滿足整車動力性的需求。雙電機雙軸驅動電動汽車由于其具有良好的動力性和經濟性，已成為電動汽車的研究熱點[4?5]。對于雙電機雙軸驅動電動汽車來說，整車控制器軟硬件的開發直接決定了電動汽車的整車性能。

1 ?雙軸驅動電動汽車動力構型

針對單電機驅動純電動汽車存在的不足，結合現有條件，開發了一款雙軸雙電機驅動電動汽車。該電動汽車構型的主要部件為：

1） 能量源部分，整車裝備一個鋰電池包，自帶電池管理系統（Battery Management System，BMS），以并聯方式給兩路電機系統供電[6]。

2） 動力源部分，整車前后軸分別匹配了大小相同的交流異步電機，每個電機使用獨立的電機控制器（Motor Control Unit，MCU）。

3） 電控部分，整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）作為整車控制的核心部件，通過采集整車及各部件的運行狀態，制定合理的控制策略控制整車運行。

該構型主要有以下優點：在驅動時，可以通過單、雙電機的切換使電機工作在效率較高的區間，避免了單電機電動汽車低負荷功率冗余以及效率偏低的缺陷，可以兼顧車輛的動力性和經濟性;在制動時，前后軸電機同時進行制動能量回收，可以實現能量回收的最大化，提高了能量的利用效率，同時也提高了整車的續駛里程;當某一個電機發生故障時，整車仍可以工作在單電機模式，避免了單電機車輛“拋錨”現象的發生[7]。

2 ?控制器硬件設計

整車控制器包括軟件和硬件兩部分，硬件是軟件開發及運行的基礎。因此，開發功能強大、可靠性高的整車控制器硬件對整車控制軟件的開發意義重大[8]。

2.1 ?整車控制器功能需求分析

整車控制器是整車控制的核心部件，在開發整車控制器硬件之前必須明確該控制器的功能和資源需求，通過對整車需求分析可知，整車控制器的主要功能包括：

1） 采集包括加速踏板、制動踏板、檔位等車輛的有關信息，獲取駕駛員的駕駛意圖，確定車輛行駛模式，執行整車控制策略。

2） 整車上電時，整車控制器需要獲取電機的預充電狀態;整車行駛時，整車控制器需要獲取電機溫度、電池荷電狀態（State of Charge，SOC）等信息;儀表顯示的數據也需要來自整車控制器。因此在車輛行駛過程中，需要整車控制器和各個部件之間進行實時的數據交換，在目前技術條件下，各控制單元的信息交互主要是通過CAN總線實現。

3） 本文的研究對象是雙電機雙軸驅動電動汽車，單、雙電機實時切換的工作模式可使整車兼顧好的經濟性、動力性和安全性，單、雙電機的切換以及驅動轉矩的分配是需要整車控制器根據駕駛員意圖和各部件狀態做出判斷和控制，驅動模式的切換以及能量管理是整車控制器的核心內容之一。

4） 整車控制器應根據整車及各部件的工作狀態，確定整車是否處于故障模式，并進行相應的跛行或停車處理。該功能是保障整車安全運行的必備功能。

根據以上功能的分析，并結合整車的結構配置，可得到整車控制器的硬件結構框圖，如圖1所示。系統主要以MC9S12XEP100單片機為控制核心，外圍電路主要包括：電源電路、開關量輸入電路、模擬量輸入電路、CAN通信電路和低端驅動電路。

2.2 ?整車控制器主要電路模塊設計

1） 開關量采集模塊

一般，純電動汽車上都有開關量信號，分為高有效和低有效兩種，相應的采集電路也有高有效采集電路和低有效采集電路，圖2a）和圖2b）分別為高有效和低有效開關量采集電路原理圖。

高有效信號采集電路：開關類輸入信號電壓為12 V時為有效信號，由于12 V的電壓信號超過了單片機管腳所能處理的范圍，需要對輸入信號進行分壓處理。使用100 nF的電容濾去電路上的雜波干擾信號。為了避免靜電放電對電路造成的損壞，靜電防護電路選用BAV99防靜電二極管，可以有效將正的靜電荷通過電源泄放出去，將負的靜電荷通過地泄放出去，實現對電路的靜電防護。最后信號經反相施密特觸發器進行處理，以便獲得規范的開關量信號。

低有效信號采集電路：開關類輸入信號電壓為0 V時為有效信號，首先在電路的起始端加一個上拉電阻，當輸入端懸空時提供一個穩定的輸入電平。同時，該類信號頻率較低，應使用RC低通濾波電路去除開關因抖動產生的干擾信號。同樣，使用了BAV99防靜電二極管進行保護，最后信號經反相施密特觸發器進行處理，以便獲得規范的開關量信號。

2） 低端驅動模塊

為滿足主控制器低端驅動輸出的需求，選用Infineon公司的TLE7230型智能八通道低端驅動開關芯片。該芯片提供串行外設接口（Serial Peripheral Interface，SPI）用于8個DMOS開關的控制，同時也可用于故障信息的讀取。輸出端外接的二極管和電容是感性負載的續流回路。該芯片具有良好的過載、過熱、過壓保護功能[9]。低端驅動電路原理圖如圖3所示。

3 ?整車控制器軟件設計

從鑰匙開關打開，VCU根據MCU、BMS及自身等整車各部件的工作狀態，控制整車高壓上電，若高壓上電失敗，車輛將無法行駛，若高壓上電成功，則表明車輛啟動成功。車輛啟動后，VCU根據駕駛員意圖和整車各部件狀態，控制驅動電機輸出扭矩，驅動車輛行駛。在車輛行駛過程中，VCU實時檢測整車故障狀態，若有故障，則會執行相應的故障處理程序。具體的軟件執行流程如圖4所示。

4 ?實車測試

整車控制器設計完成后，對實車進行了全油門加速性能測試和最高車速測試[10]，測試結果如圖5所示。

從圖5可以看出，0～30 km/h加速時間為3.25 s，0～50 km/h加速時間為6.5 s。由于場地限制，本測試中最高車速為99 km/h，但從測試結果可以看出，車輛在到達該車速后仍具有一定的加速能力，所以可確定該車的最高車速可以大于100 km/h，滿足設計要求。

5 ?結 ?論

本文針對雙軸驅動電動汽車動力構型的特點及其性能特征，設計開發的整車控制器工作穩定、安全可靠，實現了雙軸驅動電動汽車整車控制器所要求的駕駛意圖識別、能量優化與管理、整車數據共享以及故障診斷等功能。在實車上對開發的整車控制器進行了全油門加速性能測試和最高車速測試。實車測試結果表明本文所開發的整車控制器達到了設計指標的要求，為設計開發雙軸驅動電動汽車整車控制器提供了重要的參考依據。

注：本文通訊作者為李軍偉。

參考文獻

[1] ZHANG C， ZHANG S， HAN G， et al. Power management comparison for a dual?motor?propulsion system used in a battery electric bus [J]. IEEE transactions on industrial electro?nics， 2017， 64（5）， 3873?3882.

[2] 孫賓賓，高松，王鵬偉，等.基于電機損耗機理的雙電機四輪驅動電動車轉矩分配策略的研究[J].汽車工程，2017，39（4）：386?393.

[3] 劉德春.雙電機構型純電動轎車動力系統匹配與控制策略研究[D].長春：吉林大學，2014.

[4] 林程，彭春雷，曹萬科.獨立驅動電動汽車穩定性的滑模變結構控制[J].汽車工程，2015，37（2）：132?138.

[5] 高青云，李剛.雙電機獨立驅動方程式賽車建模仿真分析[J].遼寧工業大學學報（自然科學版），2018，38（2）：111?115.

[6] SAKHDARI B， AZAD N L. An optimal energy management system for battery electric vehicles [J]. IFAC papers online， 2015， 48（15）： 86?92.

[7] 曾禹喬.雙電機驅動的純電動汽車性能優化[D].成都：西南交通大學，2017.

[8] 張玉穩.電動灑水車整車控制器開發[D].淄博：山東理工大學，2015.

[9] Anon. TLE7230G， smart octal low?side switch [EB/OL]. [2003?1?11]. https：//wenku.baidu.com/view/92763fcc2cc58bd63186bd2d.html

[10] 孫瑞，施國梁.電動車控制器自動測試系統的設計與實現[J].現代電子技術，2013，36（9）：136?139.

作者簡介：宋振斌（1995—），男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向為汽車電子電器。

李軍偉（1964—），男，河南平頂山人，博士，教授，研究方向為汽車電控技術。