纯电动城市客车整车控制策略研究

纯电动城市客车整车控制策略研究

4.1整车控制系统及开发模式介绍

纯电动汽车由整车控制器、电机及其控制器、动力电池、动力电池管理系统（BMS）、主减速器、辅助系统等组成。其中辅助系统为空调系统、制动系统、转向电机及其控制器、、DC/DC等。动力电池作为全车的能量源，为各个电器设备提供电能。驾驶员通过整车控制系统达到对车辆的整体控制。本章主要针对整车控制系统中的控制器和整车控制策略进行研究设计，纯电动车系统结构简图如图4-1所示[i]：

图4-1 控制系统结构简图

电动汽车整车控制器是整个电动汽车的核心部件，它采集制动踏板信号、加速踏板信号，及其它部件信号，并做出相应的判断后，控制下层的各个控制器(电机控制器、BMS等)工作，使汽车正常行驶，对于整体系统而言，整车控制器的设计直接涉及到电动汽车的稳定性、最终的动力性能和适应复杂工况的性能。因此整车控制器的优劣直接影响到整车的性能。

整车控制策略直接影响到整车的动力性能，它决定了电动机的转矩输出，还会影响驾驶员的操纵感觉。本文主要讨论能量分配策略和各种行车模式的控制策略。

4.1.1整车控制系统设计原则与功能分析

整车控制器的设计必须综合考虑到各个方面的影响因素，以使其具有较长的产品生命周期，因此须遵循以下原则[ii]：

（1）优先考虑系统的安全性和可靠性的设计，要有良好的电磁兼容性，要满足国家相关标准，能适应任何路况下的车辆振动和冲击；在纯电动汽车中,由于是大功率电机驱动,相当于是一个强干扰源，会对整车控制器产生很强的电磁干扰，因此这就要求整车控制器要有较强的抗干扰能力；

（2）整车控制器能够在环境温度为-40℃至100℃的范围内可靠稳定地工作。因为汽车使用环境恶劣，相对应的对车用电子设备也提出更高的要求；

（3）综合分析功能需求，在功能验证和样车开发试制时尽可能多地采取软件实现，以增加系统变更时的灵活性，设计定型后综合考虑系统的可靠性和成本，设计软硬件；

（4）硬件设计中，外围接口资源要冗余设计，以提供变更时的适应性；

（5）控制策略与控制逻辑设计中，对异常状态尽可能多地采用报警提示、减少强制停机处理，特别要避免行车时的强制停车；

（6）根据电池管理系统送出的故障信息及时调整电机驱动指令；在保证行车安全的前提下，避免电池受到损坏。

（7）采用国际电动汽车研发中通用的CAN2.0B协议实现数据传输，具有CAN总线通讯能力。通过CAN网络和车上的电池管理系统、电机控制器、实时绝缘监测系统、显示单元、充电站进行通讯，可通过P-CAN设备与上位机完成通讯，完成上位机监控，从而可以实时掌握整车的工作状况和控制程序的运行状况；

（8）系统故障的判断和存储，动态实时检测系统信息，记录下出现的故障；

整车控制器承担了安全管理、数据交换和能量分配的任务。根据重要程度，其功能划分如图4-2所示：

图4-2 控制系统功能图

（1）数据交换管理层

整车控制器要实时地采集驾驶员的操作信息和其它各个部件的工作状态信息，这是实现整车控制器所有功能的基础和前提。该层接收CAN总线信息，对直接输入整车控制器的各物理量进行采样处理，并通过CAN发送出控制命令，通过I/O、D/A和PWM提供显示单元、继电器等驱动信号。接收、处理驾驶员的操作指令，能采集制动踏板信号、加速踏板，并且需要监测钥匙位置与档位信号、车速信号。

（2）安全故障管理层

在实车运行中，任意部件都有可能产生差错，从而可能导致元器件损坏甚至危及到车辆安全。整车控制器要能对汽车的各种可能故障进行分析与处理，这是保证汽车安全行驶的必要条件。对车辆而言，故障可能出现在任意地方，但对于整车控制器而言，故障只体现在从第I层继承的数据中。对继承数据的分析与判断是该层的主要工作之一。在检测出系统中有故障后，该层会做出相应的处理，在保证车辆安全的前提下，给出部件可供使用的工作范围，以尽可能满足驾驶员的驾驶意图。

（3）驾驶员意图解释层

驾驶员的所有与驱动驾驶相关的操作信号都直接进入整车控制器，整车控制器对采集到的驾驶员的操作信息进行正确地分析处理，计算出驱动系统的目标转矩和车辆需求功率以实现驾驶员意图。来判断当前驾驶员操作意图和整车工作状态，从而根据设计的控制策略来发出正确的指令，使车辆按照驾驶员期望行驶；

要实现整车控制器的上述功能，必须设计合理的硬件和软件，为了完成以上的功能，整车控制器就必须拥有以下能力:

1) 能够准确快速的采集制动踏板、加速踏板的信号和车速信号， 并且需要检测钥匙位置信号，高压开关等各种开关信号。通过这些信号来判断驾驶员意图和车辆的工作状态，从而根据设计的控制策略发出相应指令。

2) 能够实时检测动力电池电压和电流信号，为保证车辆安全性和电池剩余电量SOC 的计算提供准确的依据。

3) 整车控制器要有很强的计算能力和信号采集速率。控制器在完成一系列的加、减、乘、除、积分、微分等运算时，要尽可能提高运算速度，缩短运算时间。

4.1.2 开发模式

在传统的控制单元开发流程中，通常采用如图4-1所示的串行开发模式，即首先根据应用需要，提出系统需求并进行相应的功能定义，然后进行硬件设计，使用汇编或C语言进行面向硬件的代码编写，随后完成软硬件和外部接口集成，最后对系统进行测试和标定。如图4-3所示的串行开发模式：

4-3 串行开发模式

目前研发工程师所面临的问题越来越复杂，而开发时间却要求尽可能缩短。如果采用传统的开发方法，则在系统调试过程中发现的由于硬件电路原因造成的问题就必须通过重新进行硬件设计来解决，然后再对软件修改。这就使得控制系统参数的修改需要得到很长时间才能得到验证，导致开发周期过长，延误项目的正常进行。

为了解决这一问题，本项目采用V模式开发流程，软硬件技术的不断发展，为并行开发模式提供了强有力的工具。本项目采用德国dSPACE公司的基于Power

PC和MATLAB/Simulink的实时仿真系统，就为控制系统开发及半实物仿真提供了很好的软件和硬件工作平台。如图4-4所示的V型开发模式

图4-4 V型开发模式

第一步对系统功能进行定义描述，首先根据应用需要明确控制器应该具有的功能，为硬件设计提供基础；同时建立整车控制系统的仿真模型，并进行离线仿真，运用软件仿真的方法设计和验证控制策略。 功能设计离线仿真

快速控制原型

目标代码生成及下载 硬件在环仿真验证ECU 标定/测试 第二步是快速控制器原型和硬件开发。从控制系统仿真模型中取出控制器模型，并且结合dSPACE的物理接口模块(A/D、D/A、I/O、CAN等)来实现与被控对象的物理连接，然后运用dSPACE提供的编译工具生成可执行程序，并下载到dSPACE的硬件Micro Autobox中，作为目标控制器的可替代物，可以方面地实现控制参数的在线调试和控制逻辑调节。

在进行离线仿真和快速控制器原型的同时，根据控制器的功能设计，同步完成硬件的功能分析并进行相应的硬件设计、制作，并根据软件的仿真结果对硬件设计进行完善、修改。

第三步是目标代码生成。前述的快速控制原型基本形成了满意的控制策略，硬件设计也形成了最终的物理载体ECU，此时运用dSPACE的辅助工具TargetLink生成目标ECU代码，，然后编写目标ECU的底层驱动软件，两者集成后生成目标代码下载到ECU中。

第四步是硬件在环仿真。其目的是验证电控单元ECU的功能。在这个环节中，除了电控单元，除了电控单元是真实的部件，部分被控对象也可以是真实的零部件。如果将仿真模型中的被控对象模型生成代码并下载到dSPACE，则dSPACE可用于仿真被控对象的特性。

第五步是调试和标定。把经过硬件在环仿真验证的ECU连接到完全真实的被控对象中，进行实际运行试验和调试。

V型开发流程包括从系统定义到系统标定的完整过程。先进硬件软件工具的使用，使得开发的重点可以集中到控制策略的构思，不必在程序编写、硬件调试上花费大量时间，从而可以大大加速实际控制单元ECU的研究和开发。

4.2 纯电动车整车控制策略研究

新型纯电动汽车CAN 网络控制系统是三条总线的网络结构，整车控制器VCU

（Vehicle Control Unit）为纯电动公交车的主要的控制器之一，它负责整车的运

行管理及各零部件的控制，除此之外，整车还含有驱动电机控制器DMCM（Drive Motor

Control Module），电池管理控制器BMS（Battery Management System），绝缘检测

控制器ICM（Insulation Check Module），仪表控制器等附件及监测和标定系统，可

见纯电动汽车是个多个控制器的复杂系统。如何确定各个控制系统之间的关系，整

车控制系统网络如何布局，各控制器如何根据整车实际运行的情况传递信息，交互

作用，使车辆能够止常运行是动力总成控制系统研究首先要解决的问题。 在纯电

动汽车的网络中，最主要的模块主要是整车控制器模块，电池模块和电机模块。图

4-5为纯电动汽车的整车CAN控制网络结构示意图:

图4-5为纯电动汽车的整车CAN控制网络结构示意图

纯电动汽车动力系统中主要有电机驱动装置、传动系统和动力电池等。必须要有一个性能优越、安全可靠的整车控制策略，从各个环节上合理控制车辆运行状态、能源分配与协调功能，以充分协调及发挥各部件优势，使汽车整体获得最佳的运行状态。整车控制策略主要包括[iii]:

汽车驱动控制：根据驾驶员驾驶要求、车辆的状态、道路和环境状况，经分析与处理，对电机控制器发出相应的指令，满足驾驶要求。

制动能量回馈控制：根据制动踏板与加速踏板信息、车辆行驶状态信息、蓄电池状态信息，计算出再生制动力矩，对电机控制器发出指令。

整车能量优化管理：通过对车载能源系统的管理，提高整车能量利用的效率，以延长纯电动汽车续驶里程。

车辆状态显示：对车辆一些信号进行采集和转换，由整车控制器通过仪表台处的综合数字仪表显示出来。

在纯电动汽车各部件的配置确定下来后，如何建立起整车控制系统的结构和优化整车控制策略是实现纯电动车稳定运行和合理利用能量的关键所在。车辆需要在满足驾驶员意图、汽车动力性、平顺性和其它基本技术性能以及成本控制等要求的前提下选择合适的控制策略。针对各部件的特性和汽车运行工况，控制策略要实现能量在电机、电池之间的合理且有效分配、使整车系统效率达到最高，获得整车平稳的驾驶性能和最大的经济性。

4.2.1纯电动车的基本控制策略的确定

对同一种纯电动汽车来说，采用不同控制策略可得到不一样的整车性能，能量消耗情况与电池的SOC值。在设计纯电动汽车的时候，首先就要明确开发目的，