新能源汽車電器集成控制系統(tǒng)研究

【Abstract】Thisarticle focuses on the electrical integrated control system of new energy vehiclesand elaborates on itsroles invehicleintellgence，power management，energyeficiencyimprovement，faultearlywarningandremotecontrol. Firstly，themain electricalcomponentsandthefunctionsandprinciplesof theelectricalsystemofnew energyvehiclesare introduced.Secondly，themainalgorithmsandsystemintegrationtechnologiesof theintegratedcontrol systemare analyzed.Finaly，theapplicationof design tols，simulationtestoptimizationand hardware-in-the-loop testing inthe systemevelopment andimplementationare discussd.Theresearch aims to providereferences for enhancing the performance of new energy vehicles and promoting the sustainable development of the automotive industry.

【Keywords】 new energy vehicles; electrical integrated control system; control algorithm; simulation test

0 引言

隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，新能源汽車作為替代傳統(tǒng)燃油車的重要選擇，其技術(shù)發(fā)展受到廣泛關(guān)注。在電器集成控制系統(tǒng)方面，新能源汽車展現(xiàn)出巨大的創(chuàng)新潛力。電器集成控制系統(tǒng)作為新能源汽車的神經(jīng)中樞，不僅負(fù)責(zé)管理能量的有效利用，還在保障車輛運(yùn)行安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此，深入探討新能源汽車電器集成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、實(shí)施具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，有助于提升汽車性能，應(yīng)對(duì)全球能源危機(jī)。

1電器集成控制系統(tǒng)的作用

新能源汽車電器集成控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)車輛智能化方面發(fā)揮著重要作用，其可以對(duì)多個(gè)電子控制單元進(jìn)行整合，并對(duì)車輛的驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，其核心作用是優(yōu)化車輛的性能。在新能源汽車中，電器集成控制系統(tǒng)依靠精確控制電動(dòng)機(jī)的功率輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力的精細(xì)管理，這有助于提升駕駛的平穩(wěn)性，也可以大幅提高電池的使用效率。系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)行駛條件調(diào)整能源消耗計(jì)劃，如在下坡或制動(dòng)時(shí)回收能量，進(jìn)一步提升能效1。電器集成控制系統(tǒng)還通過(guò)車載診斷功能對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，能夠預(yù)警潛在的故障，從而降低維修成本。系統(tǒng)的這種智能診斷功能促使新能源汽車更加符合現(xiàn)代自動(dòng)駕駛技術(shù)的需求，為未來(lái)車輛的進(jìn)一步智能化奠定基礎(chǔ)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電器集成控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能也日益強(qiáng)大，車主可以通過(guò)智能手機(jī)遠(yuǎn)程控制車輛的啟動(dòng)、空調(diào)等功能，也可以進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，這能在很大程度上提升用戶的便利性。當(dāng)前階段，環(huán)保和節(jié)能日益成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，新能源汽車電器集成控制系統(tǒng)的研究顯得尤為重要，對(duì)于推動(dòng)汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

2新能源汽車電氣系統(tǒng)概述

2.1主要電器組件

新能源汽車的電器系統(tǒng)是其核心組成部分，其中涵蓋多種關(guān)鍵的電器組件，這些組件有助于確保車輛的高效、安全運(yùn)行。其中，電動(dòng)機(jī)是最為關(guān)鍵的電器組件之一，它直接轉(zhuǎn)換電能為機(jī)械能，推動(dòng)車輛前進(jìn)。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛不同，新能源汽車的電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)速度快、能效高等優(yōu)點(diǎn)。電池組也是關(guān)鍵的組件，其作為車輛的能量存儲(chǔ)系統(tǒng)，在存儲(chǔ)電能的同時(shí)，還需要在加速或上坡時(shí)迅速釋放能量，同時(shí)在制動(dòng)或下坡時(shí)回收能量。現(xiàn)代新能源汽車通常使用鋰離子電池，因?yàn)槠湓谀芰棵芏群蛪勖确矫婢哂酗@著優(yōu)勢(shì)。電池管理系統(tǒng)BMS負(fù)責(zé)監(jiān)控電池的充電和放電過(guò)程，確保電池在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命，并依托于對(duì)充放電策略的優(yōu)化來(lái)提升能效2。除了電動(dòng)機(jī)與電池，逆變器也是非常重要的組件之一，它能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)換為交流電，供電動(dòng)機(jī)使用。逆變器的效率會(huì)對(duì)整車的性能產(chǎn)生直接影響。而充電系統(tǒng)允許車輛從外部電源快速充電，設(shè)計(jì)上必須兼顧充電效率，包括快速充電和慢速充電模式。車輛控制器是新能源汽車電器系統(tǒng)的大腦，它接收來(lái)自加速踏板、制動(dòng)系統(tǒng)等的信號(hào)，并據(jù)此控制電動(dòng)機(jī)、電池和其他系統(tǒng)的工作，為駕駛性能與能源利用提供保障。這些電器組件的有效集成是新能源汽車技術(shù)研究的關(guān)鍵，直接關(guān)聯(lián)用戶的駕駛體驗(yàn)。

2.2 電器系統(tǒng)的功能與原理

新能源汽車電器系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)為現(xiàn)代汽車工程與電子技術(shù)的高度融合，這一系統(tǒng)負(fù)責(zé)能量的分配與轉(zhuǎn)換，涉及對(duì)整車性能的優(yōu)化與控制。在核心功能上，電器系統(tǒng)確保電動(dòng)機(jī)得到穩(wěn)定、高效的電力供應(yīng)，同時(shí)控制電池的充放電過(guò)程，優(yōu)化能量回收，為整個(gè)電器系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。電動(dòng)機(jī)控制器屬于系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，接收來(lái)自加速器的信號(hào)，并根據(jù)這些輸入調(diào)節(jié)向電動(dòng)機(jī)供應(yīng)的電力量，從而控制車輛的速度及加速性能。這一控制器同樣調(diào)節(jié)制動(dòng)過(guò)程中的再生制動(dòng)功能，依靠電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，反饋到電池中儲(chǔ)存。電器系統(tǒng)中的逆變器對(duì)電能流動(dòng)發(fā)揮著重要作用。逆變器將電池組提供的直流電轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需的交流電，其轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度直接影響電動(dòng)機(jī)的性能。基于電池管理系統(tǒng)的協(xié)助，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)監(jiān)控電池的電壓、電流等多元化參數(shù)，確保其在安全的條件下運(yùn)行，還負(fù)責(zé)評(píng)估電池的健康狀況，為維護(hù)提供決策支持。充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涵蓋了從外部電源到電池的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，需滿足對(duì)接家庭電源或公共充電站的不同需求，包含充電接口的標(biāo)準(zhǔn)化、充電模式的選擇等，以此來(lái)保證充電過(guò)程既快速又安全。車輛的能耗監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，依托于對(duì)各項(xiàng)行駛數(shù)據(jù)的分析，為駕駛者提供節(jié)能建議，提升車輛使用的經(jīng)濟(jì)性。

3集成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

3.1 主要算法

在動(dòng)力控制方面，通常需要評(píng)估比例-積分-微分控制（Proportional-Integral-Derivative，PID）算法在不同工況下的性能表現(xiàn)。如表1所示，展示了在不同速度和載重條件下，電動(dòng)機(jī)響應(yīng)時(shí)間和能效的測(cè)試數(shù)據(jù)。從表格中可以看出，隨著速度的提高及載重的增加，響應(yīng)時(shí)間略有增長(zhǎng)，但能效相對(duì)提高，表明PID算法能夠有效地適應(yīng)不同的行駛條件，對(duì)比例系數(shù) K_p 、積分時(shí)間常數(shù) K_i 微分時(shí)間常數(shù) K_d 參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，能夠達(dá)到較優(yōu)的控制效果。

表1不同工況下電動(dòng)機(jī)響應(yīng)與能效

電池管理系統(tǒng)中，卡爾曼濾波器主要用于估計(jì)電池的荷電狀態(tài)SOC和健康狀態(tài)S0H，如表2所示，在不同循環(huán)次數(shù)后，電池SOC和SOH的估計(jì)值與實(shí)際值的對(duì)比。由表2可知，卡爾曼濾波器在電池使用初期能較準(zhǔn)確地估計(jì)SOC和SOH，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，預(yù)測(cè)精度略有下降，因此在具體工作中需要定期校準(zhǔn)算法參數(shù)，以維持預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

表2電池 soc 和SOH的估值與實(shí)際值對(duì)比

對(duì)于熱管理系統(tǒng)，主要分析在不同外部溫度條件下，系統(tǒng)如何調(diào)節(jié)冷卻裝置，從而維持電池和電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)工作溫度，如表3所示。隨著外部溫度的升高，系統(tǒng)自動(dòng)增加冷卻功率以防止溫度過(guò)高，從而確保電器系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這種自適應(yīng)的調(diào)整方式有助于優(yōu)化整車的性能。

表3不同溫度條件下冷卻裝置的調(diào)節(jié)情況

根據(jù)以上相關(guān)分析，可以清晰地看到不同算法在實(shí)際應(yīng)用中的表現(xiàn)及其效果，從而為控制策略的優(yōu)化

提供依據(jù)。

3.2 系統(tǒng)集成技術(shù)

這種技術(shù)涵蓋從硬件接口到軟件算法的多層級(jí)整合。在硬件層面，系統(tǒng)集成技術(shù)要求精確的電子和機(jī)械部件匹配，為電動(dòng)機(jī)、電池管理系統(tǒng)等核心組件設(shè)計(jì)合適的電路及連接方式。在軟件層面，系統(tǒng)集成技術(shù)強(qiáng)調(diào)各控制算法之間的信息共享，要求開發(fā)高度可靠的通信協(xié)議來(lái)處理來(lái)自車輛各部分的數(shù)據(jù)流[3]。通過(guò)先進(jìn)的車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，新能源汽車的不同系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)交換數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，如自動(dòng)駕駛輔助。系統(tǒng)集成技術(shù)還涉及軟件的模塊化設(shè)計(jì)，使每個(gè)組件可以在不影響其他系統(tǒng)的情況下獨(dú)立更新，提高整個(gè)電器控制系統(tǒng)的可維護(hù)性。系統(tǒng)集成過(guò)程中需要考慮安全性和可靠性，集成的安全機(jī)制有助于確保即使在部分系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下，汽車仍能安全運(yùn)行，并保護(hù)敏感數(shù)據(jù)免受未授權(quán)訪問(wèn)。

4集成控制系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

4.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具應(yīng)用

在新能源汽車電器集成控制系統(tǒng)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用可以提供必要的技術(shù)支持來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，確保系統(tǒng)性能。這些工具類型較為豐富，其中如MATLAB/Simulink等仿真軟件可以提供一個(gè)強(qiáng)大的平臺(tái)，允許開發(fā)人員構(gòu)建精確的系統(tǒng)模型，這些工具可模擬電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的運(yùn)行過(guò)程，幫助工程師在實(shí)際物理原型制造前識(shí)別潛在問(wèn)題。集成開發(fā)環(huán)境IDE，如Eclipse，則用于軟件開發(fā)，提供編碼、調(diào)試等一體化解決方案。這些環(huán)境支持多種編程語(yǔ)言和框架，使開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以更高效地編寫控制算法，IDE的使用還能提升代碼品質(zhì)，通過(guò)版本控制確保軟件開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化。

4.2 仿真測(cè)試及優(yōu)化

這一過(guò)程依靠先進(jìn)的仿真軟件與測(cè)試平臺(tái)，結(jié)合嚴(yán)格的工程方法學(xué)，從而驗(yàn)證系統(tǒng)的功能、穩(wěn)定性。使用仿真工具可以構(gòu)建高保真的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)模型，包括對(duì)電機(jī)、電池包等部件的綜合模擬。利用這些仿真模型，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠在實(shí)際測(cè)試之前詳細(xì)預(yù)測(cè)系統(tǒng)在各種工況下的表現(xiàn)，識(shí)別潛在的問(wèn)題區(qū)域。控制策略的開發(fā)是仿真測(cè)試的另一關(guān)鍵方面，在仿真環(huán)境可以實(shí)施復(fù)雜的控制算法，優(yōu)化車輛的駕駛性能。仿真過(guò)程中參數(shù)調(diào)整可以迅速進(jìn)行，如響應(yīng)時(shí)間、系統(tǒng)穩(wěn)定性都會(huì)被細(xì)致分析，這對(duì)于加速開發(fā)周期是非常有利的，有助于大幅提高研發(fā)效率。

4.3 硬件在環(huán)測(cè)試

硬件在環(huán)HIL測(cè)試是新能源汽車電器集成控制系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，允許工程師在完全控制的環(huán)境中對(duì)電子控制單元、控制算法進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。在HIL測(cè)試設(shè)置中，實(shí)際的硬件組件與一個(gè)實(shí)時(shí)仿真模型相連，后者模擬車輛的其他系統(tǒng)，如電動(dòng)機(jī)、電池等。這種測(cè)試平臺(tái)可以在不實(shí)際構(gòu)建整車的情況下，模擬車輛的各種操作條件。HIL測(cè)試的主要優(yōu)勢(shì)在于它可以在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而避免在后期引入昂貴的更改。依托于HIL測(cè)試，工程師可以評(píng)估ECU的軟件響應(yīng)和硬件性能，確保它們?cè)谡鎸?shí)世界的動(dòng)態(tài)條件下能夠正常運(yùn)作。該測(cè)試還允許無(wú)限次地重復(fù)特定的測(cè)試場(chǎng)景，包括那些在真實(shí)環(huán)境中可能會(huì)導(dǎo)致高風(fēng)險(xiǎn)的情況。在實(shí)施HIL測(cè)試過(guò)程中，dSPACEControlDesk和美國(guó)國(guó)家儀器公司（NationalInstruments，NI）VeriStand等高級(jí)仿真軟件常被用于創(chuàng)建復(fù)雜的車輛模型活動(dòng)中。這些工具支持多種協(xié)議和接口標(biāo)準(zhǔn)，可與各種ECU通信，同時(shí)提供豐富的數(shù)據(jù)采集和分析功能，工程師可利用這些功能深入分析并測(cè)試系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性。HIL測(cè)試環(huán)節(jié)對(duì)功能安全驗(yàn)證非常關(guān)鍵，根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)如IS026262，汽車安全相關(guān)的電子系統(tǒng)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試以證明其故障管理能力，HIL能夠提供一個(gè)理想的平臺(tái)，確保系統(tǒng)在故障情況下正確地執(zhí)行安全功能，如故障檢測(cè)、隔離。

5結(jié)束語(yǔ)

總而言之，隨著新能源汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，電器集成控制系統(tǒng)在提升車輛性能方面的作用得到充分體現(xiàn)。深入分析各類控制算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具，了解這些技術(shù)如何優(yōu)化新能源汽車的綜合性能，對(duì)于優(yōu)化能量管理、系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。隨著市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，新能源汽車的電器集成控制系統(tǒng)將繼續(xù)面臨更高的性能要求，研究和開發(fā)更高效、更智能的控制策略將是推動(dòng)該領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)

[1]陸沁芳.新能源汽車電器設(shè)計(jì)研究[J].汽車測(cè)試報(bào)告，2024（5）：61-63.

[2]吳煥芹，程金銘.汽車電器與電子控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2023.

[3]陳煉松，張亮，黎飛，等.新能源汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)壓縮系統(tǒng)研究[J].汽車電器，2024（1）：12-14.

[4]孫晨陽(yáng).F汽車公司電器系統(tǒng)A供應(yīng)商管理問(wèn)題研究[D].青島：對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2023.

[5]成善瑞.淺析新能源汽車機(jī)械電氣設(shè)備的檢修[J].汽車周刊，2023（9）：156-158.

（編輯凌波）