电动汽车整车控制系统介绍.doc

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1、李晓林 (天津科斯特汽车技术有限责任公司天津301709) 摘 要: 本文介绍了纯电动汽车整车电气系统功能、整车控制系统配置、功能、研发流程及测试方法。整车控制器是整车设计的一部分,必须根据整车性能要求和选用的各总成单元性能进行参数匹配,使整车整体性能达到设计要求。为加快研发速度、规避研发风险及降低研发费用,整车控制系统有必要采取系统仿真技术、半实物仿真或台架试验。根据实际条件,可选择不同的试验手段。应在道路试验前,尽量做出完备的测试。关键词: 纯电动汽车 整车控制器 系统建模仿真 半实物仿真测试中图分类号 :U 4 6 9文献标识码 :A文章编号 : 1 6 7 2 - 3 7 9 1 (

2、2 0 1 2 ) 0 7 ( a )- 0 0 2 7 - 0 32 整车控制器详细功能纯电动汽车的整车控制器的主要功能 包括 :汽车驱动控制 、制动能量的优化控 制、整车的能量管理、C AN 网络的维护和管 理、故障的诊断和处理、车辆状态监视、行 车记录等 。整车控制器功能框图如图 2所 示。整车控制器通过C A N 总线和IO 端口来 获得如加速踏板开度、电池S OC 、车速等信 息,并根据这些信息输出不同的控制动作。下面分别介绍各部分实现的具体功 能。 2.1 汽车驱动控制根据司机的驾驶要求 、车辆状态等状 况 , 经分析和处理 , 向电机控制器发出指 令,满足驾驶工况要求。包括启动、

3、前进、倒 退、回馈制动、故障检测和处理等工况。2.2 整车能量优化管理通过对电动汽车的电机驱动系统 、电 池管理系统 、传动系统以及其它车载能源 动力系统(如空调)的协调和管理, 以获得最 佳的能量利用率。2.3 网络管理整车控制器作为信息控制中心 ,负责 组织信息传输, 网络状态监控, 网络节点管 理等功能 ,网络故障诊断和处理。 2.4 回馈制动控制根据制动踏板和加速踏板信息 、车辆本文主要探讨纯电动汽车整车控制系统功能及研发流程。根据用途,整个电气系 统可分为动力系统、能源系统、底盘电子控 制系统、照明指示系统、仪表显示系统、辅 助系统、整车综合控制系统、空调系统和舒 适性安全系统等子系

4、统 。其中很多功能模 块都需要和整车综合控制系统相关 。整车 电气系统列出如表1所示。整车综合控制系统根据驾驶员的操作 指示(油门 、刹车等 ), 综合汽车当前的状态 解释出驾驶员的意图 ,并根据各个单元的 当前状态作出最优协调控制。命令。 1.2 能源系统包括电池、电池管理单元和 电源分配系统与整车控制器通讯的有电池管理E C U和电源分配E CU 。电池管理E C U 对电池进行充放电管理 及保护。它应能提供电池组总电压、电流、 单体电池电压、温度、剩余电量、电池健康 状态、故障类型等信息。电源分配E C U 应能提供各个子电源的 电压、电流和工作温度以及故障类型等信 息。 1.3 ABS

5、 系统应能提供各个车轮的转速、液 压系统状态、各个制动阀的状态以及自身 的工作状态等信息1.4 中控门锁, 应提供各车门状态等信息1.5 仪表显示系统, 应向整车控制系统提供 所显示信息的全部内容1.6 照明指示系统,可以通过 CAN 总线来控 制, 也可以通过 IO 来指示照明指示系统的 运行状态 1.7 转向助力、制动助力、变速箱需提供档 位位置、液压压力、工作状态等信息可以是简单的开关量也可以用CA N总 线通讯。1.8 驾驶员的油门踏板和制动踏板经信号 调理后接入到整车控制器内表 1电动汽车车整车电气系统1 整车控制器系统配置整车控制器与整车其他电气系统连接 如图1所示。整车控制器通过

6、C A N 总线与电 池E C U 、电机E C U 、电源分配E C U 、A B S 系 统、中控门锁、仪表显示系统连接。与其余 的电气系统通过 IO 端口连接 ( 也可使用 C AN 通讯)。下面分别对各电气单元的功能 要求分别叙述。1.1 动力系统提供整车的动力输出, 其核心 是驱动电机和电机驱动 ECU 电机驱动 E C U 通过 C A N 总线与整车 综合控制器通讯 。应能提供电机转速 、转 矩、功率、电压、电流、水温、工作模式等参 数。并应该能接受整车控制器发来的控制 车窗除霜等类别功能模块具体功能与整车控制器关系1动力系统驱动电机电机 ECU 驱动、保护、检测*2能源系统动力

7、电池电池 ECU 充放电、电池均衡保护、电池监测、荷能估计*电源分配 ECU DC/DC 转换、监测*3底盘电子控制系统ABS 系统刹车防抱死*制动助力*转向助力*变速器*4照明指示系统前照灯,转向灯,雾灯,轮廓灯,牌照灯,室内灯,踏步灯*5仪表显示系统*6辅助系统风窗刮水洗涤器7整车综合控制系统整车综合控制器8空调系统空调、加热器*9舒适性与安全系统中控门锁*后视镜*多媒体系统讯 2012 NO.19 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION信 息 技 术CAN 总线图 1整车综合控制器系统连接框图数据记录,包括电池电压、电流、S O C 、各单元温度 、油门踏板/刹

8、车踏板状态 、车速等 信息。 3 整车控制器研发流程整车控制器的主要功能是根据整车设 计要求及选择的各单元总成的性能 ,采用 适当的控制方法, 使整车的整体功能/ 性能 达到设计要求 , 并满足相关国标 / 行标要 求 。因此 , 整车控制器的功能 / 性能试验是 和整车试验结合在一起的 。而整车试验需 经过多种试验方式 ,因而整车控制系统的 试验也需经过多种试验过程 。由于整车性 能试验比较耗时耗力 ,因此有必要在整车 道路试验前,尽量进行完备的仿真、测试和 试验 。因此 , 整车控制器研发过程中 , 仿真 和测试是很重要的手段 。整车控制器研发 过程可分为参数计算、系统仿真、半实物在 环系

9、统仿真、台架及道路试验这四个阶段。3.1 参数计算参数计算阶段要根据整车设计提出的 性能要求及各总成单元的性能 ,进行验证 计算, 并选择适当的控制参数及策略, 使整 车性能达到设计要求 。和整车控制器相关 的计算参数包括汽车一般参数 、动力性参 数、制动性参数。整车设计总体要求及关键技术涉及的 参数参见附录1 。附录1 中列出了纯电动汽 车整车方案设计中各总成的技术参数 。我 们可根据附录1中所列出参数, 选择适当的 控制策略和控制参数 ,计算得到整车续行 里程、动力特性、爬坡能力、加速能力、制动 能力等参数。3.2 系统建模仿真系统仿真阶段可根据整车各总成建立 相应模型, 仿真验证参数计算

10、的结果, 并优 化相关控制策略。一般E V 常采用的仿真软 件有A dvi sor、P S A T 等。仿真软件可以提供如下仿真功能。3 . 2 . 1 道路仿真 仿真软件可提供道路循环 、多重循环 和测试过程三种仿真工况来仿真车辆的性 能。 (1 )道路循环提供了C Y C _ E C E 、C Y C _ FT P和C YC _1015等56种国外标准的道路循 环供用户选择 ,另外提供了行程设计器可 图 2 整车控制器功能框图行驶状态信息、蓄电池状态信息,向电机控制器发出制动指令 ,在不影响原车制动性 能的前提下 ,回收部分能量。 2.5 故障诊断和处理连续监视整车电控系统 ,进行故障诊

11、断。存储故障码,供维修时查看 。故障指示 灯指示出故障类别和部分故障码 。根据故 障内容,及时进行相应安全保护处理。对于 不太严重的故障,能做到“跛行回家 ”。2.6 车辆状态监测和显示整车控制器通过传感器和 C A N 总线 , 检测车辆状态及其各子系统状态信息 ,驱 动显示仪表 ,将状态信息和故障诊断信息 经过显示仪表显示出来。显示内容包括:车 速 , 里程 , 电机的转速 、温度 , 电池的电量、 电压 、电流,故障信息等。 2.7 行车记录行车记录记录一段时期内的整车运行28科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION中控门锁门锁控制变速箱转向助力转向助力

12、泵制动助力制动助力泵AB S系统ECU AB S系统ECU 电池管理ECU 电池管理 ECU 动力系统ECU 动力系统 ECU 空调系统空调开关充电保护充电开关备用继电器车速空调继电器模式开关主继电器启动钥匙辅助仪表制动踏板组合仪表加速踏板各车门锁状态档位 工作状态液压/气压压力液压/气压压力工作状态控制各车轮转速 液压系统状态 各制动阀状态 工作状态工作状态控制总电压总电流 荷电量 温度电池健康状态 通风状态电池工作模式转矩控制 转速控制 输出功率控制 制动回馈控制 温度控制转速 转矩 电压 电流 温度输出功率 工作模式 水泵状态 健康状态整 车 控 制仪表显示 系统中控门锁A B S系统电

13、源分配 ECU 电机 ECU 电池 ECU 空调系统变速器制动助力刹车信号调理照明指示系统整车 控制器转向助力油门 2012 NO.19 科技资讯SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION信 息 技 术3 . 4 . 2 道路试验 尽管台架试验可模拟道路情况 ,但台 架不能完全代替道路的实际情况 。为了真 正检验动力系统的在实际道路上的性能, 需要进行实际道路试验 。在实际的道路试 验中 , 根据试验效果 , 可对驱动策略参数、 制动回馈策略参数 、能量管理策略参数以 及C AN 通讯调度参数等进行优化匹配。 3 . 4 . 3 车载监控及标定系统 为了配合台架及道路试验

14、,需要一套车载监控及标定系统,来完成对整车实时监控 及在线数据匹配标定功能。其主要功能包括: (1)可以实时显示C AN 总线上全部的通 信内容 , 并依据应用协议进行解释 , 通过 C AN 总线可以监控车辆系统的全部信息。 (2 )查看C A N 总线网络的通信状况 , 包 括网络负载情况、网络故障显示等。(3)可以不丢帧地将C A N 总线上的全部 通信消息记录于硬盘。( 4) 可以按实际运行状态 , 以文本和图 形方式, 回放所记录的C A N 总线通信全过 程,回放车辆和试验操作的全过程。 (5)可在线修改动力总成控制器中主要 控制参数,进行系统匹配标定研究。 司机操作台CAN 总线

15、图 3半实物在环仿真系统构成以将多达八种不同的道路循环任意组合在一起,综合仿真车辆的性能。 (2)多重循环功能可以用批处理的方式 以相同的初始条件 ,快速计算和保存不同 的道路循环情况下的仿真结果 ,并将它们 显示在一起 ,供用户进行比较。 (3)测试过程包括T ES T _C IT Y_H WY 和 T E S T _F T P 等八种标准的测试过程供用户 选择仿真。3 . 2 . 2 加速度性能仿真 该功能可以仿真以下车辆性能 :三组 从初速度加速到末速度所需要的最短时 间、某一时间段内车辆行驶的最大距离、行 驶某一段距离所需要的最短时间 、最大加 速度和最大速度。3 . 2 . 3 爬坡

16、能力仿真 在设置车辆速度、持续时间、质量和多能源动力系统等参数后 ,可以仿真出车辆 在给定速度下的爬坡性能。3 . 2 . 4 参数研究 该功能可以选择 1 3 个部件参数 , 在 三维坐标图上用不同的颜色代表不同数值 的方式 ,来分析这些参数对车辆的能源经 济性和环保特性等性能的影响。3 . 2 . 5 计算辅助电器的负荷 该功能可以计算车辆上辅助电器的能源消耗。这些电器设备包括除霜设备、收音机和 照明设备等。用户定义这些设备的电流一电 压特性和与道路循环相关联的使用时间等数 据后,就可以仿真出辅助电器的负荷。3 . 2 . 6 交互式仿真 该功能由系统控制 、车辆控制与显示 和仿真输出三部

17、分组成 ,它支持实时地输 入道路循环和动态显示每个仿真计算步长 的结果 。系统控制部分负责控制仿真速度 和动态输入当前仿真时间步长的道路循 环,它包括请求速度和坡度。车辆控制与显 示部分模拟显示出车辆内部发动机转速 表、车辆速度表、燃油表 、能源储存系统的 S OC 表、加速踏板和换挡开关等仪表和控 制开关的动态变化 ,用可视化的形式输出 仿真结果。3.3 半实物在环系统仿真仿真技术是研究整车控制器的重要手 段。但是,采用计算机仿真很难准确地反映 实际情况 ,但随着计算机技术的高速发展 和车辆动力学模型的不断完善 ,混合仿真 技术已逐渐成为整车控制器开发的重要手 段。这种技术是一种实时仿真技术

18、,它把部 分实际产品利用计算机接口嵌入到软件环 境中去 ,并要求系统的软件和硬件都要实 时运行,从而模拟整个系统的运行状态。 对电动汽车整车控制器进行半实物在 环仿真, 以模拟汽车驾驶环境为基础 , 通过 模拟驾驶台 ,可以进行电动汽车的主要驾 驶操作,并可得到车辆的主要响应信息。它 可完成整车控制器软件调试 、策略研究和 功能测试等功能 。其中软件调试要达到评 估整车控制器的整车控制与调度的管理能 力的目的 ,策略研究则要对主控制系统的 策略可行性以及实用性提出意见 。半实物 在环系统仿真系统构成如图3所示。3.4 台架及道路试验试验是控制系统开发的重要手段,对于 整车控制器必须进行完备的实

19、验。一般试验 分为台架试验和道路试验。为了保证上车之 后的安全可靠,同时也可以避免上车调试的 诸多不便 ,在上车调试之前, 有必要进行台 架试验。在保证各种控制逻辑和故障处理的 正确性, 优化整个控制系统和控制参数, 以 求达到提高整车的能量利用率的结果。台架 试验结束后可进行整车道路试验。3 . 4 . 1 台架试验 台架试验系统主要由整车控制器 、电机、电机控制器、电池 、电池管理系统等组 成。电机和 1 台电力测功机相连, 能实现对 电机扭矩的测量和倒拖电机以实现回馈制 动。电机控制器控制电机的一切操作,并管 理电机的冷却风扇 。电池管理系统负责对 电池状态的监视和管理 。整车控制器负责

20、 协调整车电器状态和电机扭矩的分配。测功机可以根据试验要求对电机施加 不同的扭矩 ,从而可以进行各种功能测试 和路况模拟测试。4 结语综上所述 ,整车控制器与整车选型设 计密切相关, 根据不同车型, 整车控制器需 调整不同的控制参数及控制策略 。要点总 结如下。(1)整车控制器是整车设计的一部分 , 必须根据整车性能要求和选用的各总成单 元性能进行参数匹配 ,使整车整体性能达 到设计要求。(2)为满足国标 /行标, 整车需进行道路 试验。道路试验需要消耗大量的时间和费 用,因此为加快研发速度、规避研发风险及 降低研发费用,有必要采取系统仿真技术、 半实物仿真或台架试验。根据实际条件,可 选择不

21、同的试验手段。应在道路试验前,尽 量做出完备的测试。 (3)整车道路试验需要一套车载监控及 标定系统 。在道路试验中需对控制参数和 策略进行优化。( 4) 对于同款电动汽车 , 可能需要根据 路况特点及应用特点 ,来优化整车控制器 控制参数和策略。(5)由于整车控制器对整车的动力性、 制动性、安全性等均有影响,因此对其响应 速度、可靠性及抗干扰能力要求极高。(6)整车控制器可根据需要 , 增加/裁减 不同功能,驱动控制 、能量管理 、故障检测 是其基本功能。29科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION智能仪表CAN 接口电池ECU 模拟器CAN 接口电机ECU 模拟器CAN 接口CA N 监控器整车控制仿真平台整车控制器综合仪表继电器组