電動物流車的整車控制器設計

李冰林，朱書林 LI Binglin,ZHU Shulin

（南京林業大學 汽車與交通工程學院，江蘇 南京 210037）

物流行業中，運輸環節占據著整個物流過程的大部分成本，同時由于燃油物流車會帶來節能環保的問題，不符合國家倡導的綠色可持續發展的政策方針。更進一步，現在城區內都是對燃油貨車限行[1-2]。因此，物流車輛純電動化顯得很有必要，也很有實際意義。為了應對這些問題，目前普遍采取的策略是將現有的燃油車改裝成油電混用或者純電動車。因此，為了協調駕駛員意圖與驅動電機控制器與電池管理系統的工作，必須進行整車控制器的研究與開發[3-4]。

論文以電動物流車為應用研究對象，對其整車控制器進行設計，采用NXP的K60芯片為控制器核心，與電機控制系統、蓄電池管理系統進行CAN網絡通信，同時采集駕駛員操作信息等，使車輛按要求行駛，開發出電動汽車整車控制器，達到整車控制行駛目的。

1 系統總體方案的設計

圖1 整車控制系統組成

所研究的電動物流車采用的是雙電機驅動，整車控制器的總體方案設計組成如圖1所示。整車控制器通過采集加速踏板信號、制動踏板信號、擋位信號，并通過CAN網絡總線從電機控制器獲得電機的轉速與轉矩信號等，從而判斷車輛當前的行駛狀態及駕駛員的操作意圖，通過設計的控制策略，發送給電機控制器等，驅動電機進行相應的指令執行，使車輛按照駕駛員的意圖行駛[5]。

根據以上系統方案設計，整車控制器系統主要組成部分如圖2所示，包括K60主控芯片模塊、模擬信號輸入模塊、開關信號輸入模塊、CAN通信模塊、外部驅動模塊、串口收發模塊、液晶顯示模塊等。K60主控芯片將采集各路傳感器信號，根據控制策略及算法做出控制決策，發送給整車各部分執行單元控制器，控制車輛的行駛。CAN通信模塊主要是實現整車控制器與電機控制器、蓄電池管理系統等之間的數據交互。外部驅動模塊主要實現電動汽車中的空調系統制冷、制熱，電池系統加熱，以及倒擋信號的控制等；串口收發模塊、液晶顯示模塊主要作用是為了便于軟件設計過程中程序的調試及后續策略研究。

2 硬件電路設計

2.1 傳感器信號輸入模塊

信號輸入模塊包括加速踏板傳感器和制動踏板傳感器的信號、開關信號等，為了保證信號的穩定性，需對其進行濾波，以確保控制器能夠采集到的信息準確，實現對整車的精確控制。根據整車功能需求，整車控制系統的信號采集電路分為脈沖輸入信號、模擬輸入信號等信號處理電路等部分。

模擬信號采集電路，主要是對電動汽車中供電電壓和踏板開度等模擬信號進行采集。具體設計電路如圖3所示。該電路主要由低通濾波放大電路、鉗位保護電路所組成。

開關信號處理電路，主要是對開關信號、擋位信號進行采集與處理。通過K60芯片的FTM模塊檢測出信號的輸入，如圖4所示。電路具有濾波和鉗位功能。

圖2 系統電路設計框圖

圖3 模擬信號輸入電路

圖4 開關量信號輸入

2.2 CAN通信模塊

整車控制器與電機控制器和電池管理系統通過CAN網絡總線進行信息交互。K60芯片內含兩個CAN控制器，因此只需設計CAN總線收發器。芯片MCP2551能夠給CAN協議控制器提供差分收發功能，也能為CAN控制器及總線上的高壓尖峰信號之間提供緩沖器的功能，過濾這些由外部器件產生的高壓尖峰信號。通信模塊設計如圖5所示。

2.3 外部驅動模塊

為驅動包括繼電器在內的一些負載，提高電路電流的驅動能力，需要設計信號輸出驅動電路，ULN2003A芯片是高耐壓、大電流、具有7路的復合晶體管，可以直接用于驅動繼電器等負載，如圖6所示。

圖5 CAN通信模塊

圖6 外部驅動模塊

2.4 信號輸出模塊

信號輸出模塊主要是將控制器GPIO口產生的電平信號轉換為外部控制信號。Q6可以實現當外部信號異常時對GPIO端的信號進行屏蔽，起到保護電路的作用。

3 系統軟件程序設計

3.1 主程序

系統工作的主程序流程是整車控制器上電進行初始化，通過檢測加速踏板信號、制動踏板信號、電機轉速、擋位狀態、電機溫度、電池電流、電池SOC值等控制整車驅動力矩的主要參數，判斷車輛狀態并檢查有無異常，如異常進入故障診斷模式；如系統狀態正常，整車控制器根據駕駛員的行駛要求、車輛運行時的實際狀態進行分析，判斷汽車是起步、加速、減速還是充電狀態，從而滿足駕駛員的駕駛意圖，使之進入相應的工作模式。然后將控制指令發送給電機控制器，電機控制器計算出電機的期望轉矩，控制電機使其快速準確的輸出相應的電機驅動力矩。主程序流程圖如圖8所示。

圖7 信號輸出電路

圖8 系統主程序流程圖

3.2 信號采集處理子程序

模擬信號的采集包括加速踏板、制動踏板等位置信號的采集，具體地信號進行AD轉換后進行處理和計算踏板的位置，判斷出加速或者制動強度。為了保證采集到的數據可靠有效，采用“算數平均濾波法”對干擾信號進行濾除。模擬信號采集處理子程序流程如圖9所示。

圖9 模擬信號采集處理子程序流程圖

3.3 CAN通信子程序

在電動物流車當中，整車控制器與2個電機控制器通過CAN總線進行數據的傳輸。CAN總線采用串行數據通信的模式，因此其能工作在接收和發送兩種狀態。在車運行過程中，整車控制器向電機控制器、電池管理系統發送控制指令控制電機按要求運行，或者接收它們的狀態信息，獲取車輛狀態參數[6-7]。具體數據接收處理流程圖如圖10所示。

4 實驗結果

采用硬件在環仿真仿真技術能對控制器的性能進行研究[8]。根據所設計系統的硬件和軟件，對其進行CAN通信試驗和模擬信號采集試驗，試驗平臺如圖11所示。

圖10 CAN報文的接收處理

圖11 系統測試平臺

首先，試驗了整車控制器與電機控制器之間的CAN總線通信，圖12為CAN模塊發送和接收報文數據，發送時間間隔20ms。試驗證明整車控制器能實現正確的數據發送和接收，同時對接受的報文數據進行解析，通過液晶可具體顯示其數值。

其次，利用采集加速踏板信號來檢測AD功能模塊工作情況，踏板開度與對應AD轉換結果如圖13所示。結果表明，隨著踏板開度的變化，采集信號的AD值幾乎成線性變化，符合要求。

5 結束語

針對電動物流車的整車控制器進行了硬件電路和軟件程序設計，最后通過模擬平臺對各個功能模塊進行了驗證，證明設計可行。

圖12 整車控制器CAN總線通信的波形

圖13 加速踏板對應的AD轉換值