技術(shù)筆記-整車控制系統(tǒng)

1、電動(dòng)車動(dòng)力總成控制系統(tǒng)方案1 基本情況22 整車電氣系統(tǒng)43 動(dòng)力總成控制系統(tǒng)53.1 整車控制系統(tǒng)73.2 動(dòng)力電池93.3 電池管理系統(tǒng)103.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)103.5 電機(jī)控制器113.6 DC/DC143.7 組合儀表143.8 高壓箱143.9 充電設(shè)備153.10 高壓用電設(shè)備153.11 低壓用電設(shè)備154電動(dòng)車控制策略設(shè)計(jì)154.1車輛啟動(dòng)關(guān)閉控制策略154.2動(dòng)力電池安全啟動(dòng)控制策略174.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略174.3.1 加速踏板信號(hào)處理194.3.2 制動(dòng)踏板信號(hào)優(yōu)先原則204.4 制動(dòng)能量回饋控制策略21214.5故障診斷與安全控制策略224.6 通信管理225純電動(dòng)車測(cè)

2、試方案235.1 臺(tái)架-仿真系統(tǒng)測(cè)試235.2 實(shí)車路試231 基本情況該車型的基本參數(shù)如下：表1.1 電動(dòng)車車身基本參數(shù)類別名稱參數(shù)長(zhǎng)X寬X高（mm）x x 軸距（mm）整備質(zhì)量（kg）00滿載質(zhì)量（kg）00輪胎型號(hào)滾動(dòng)半徑（m）主減速比整車的性能指標(biāo)如下：表1.2電動(dòng)車性能指標(biāo)項(xiàng)目名稱參數(shù)驅(qū)動(dòng)方式最高車速(km/h)最大爬坡度(勻速20km/h)(%)0100km/h加速時(shí)間(s)60km/h勻速純電動(dòng)續(xù)駛里程(km)最大續(xù)駛里程(km)NEDC工況能耗(kWh/100km)2整車電氣系統(tǒng)車輛上的電氣系統(tǒng)，可分為低壓電氣系統(tǒng)和高壓電氣系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱電氣系統(tǒng)，整個(gè)電氣系統(tǒng)是動(dòng)力總成控制系統(tǒng)的物

3、理基礎(chǔ)，是動(dòng)力總成控制系統(tǒng)得以工作進(jìn)而驅(qū)動(dòng)車輛行駛的基本條件。1） 低壓電氣系統(tǒng)。電源為車載蓄電池，電壓為12V。為所有低壓用電設(shè)備供電；2） 高壓電氣系統(tǒng)。由動(dòng)力電池供電，電壓級(jí)別為350V。在駕駛員操作臺(tái)前的方向盤邊上，設(shè)置一紅色的顯著的電源開關(guān)。當(dāng)車輛在必要時(shí)按動(dòng)該紅色開關(guān)切斷車輛上的所有電源。3） 電氣系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的車用線束進(jìn)行連接。是電氣系統(tǒng)得以正常工作的絕對(duì)保證。4） 合理分配繼電器的數(shù)量。3 動(dòng)力總成控制系統(tǒng)電動(dòng)車動(dòng)力總成控制系統(tǒng)如下圖：圖3.1電動(dòng)車動(dòng)力總成控制系統(tǒng)框圖圖3.1電動(dòng)車動(dòng)力總成控制系統(tǒng)主要由整車控制系統(tǒng)、電機(jī)及其電機(jī)控制器、動(dòng)力電池和電池管理系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、

4、AC/DC(充電機(jī))、DC/DC、空調(diào)、組合儀表等組成。3.1 整車控制系統(tǒng)整車控制系統(tǒng)是電動(dòng)車動(dòng)力總成控制系統(tǒng)的控制核心，是一級(jí)控制單元，它通過識(shí)別駕駛員的操作意圖（檔位信號(hào)、加速踏板、制動(dòng)踏板信號(hào)），控制動(dòng)力電池輸出高壓，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過驅(qū)動(dòng)車用組合儀表顯示車輛當(dāng)前的設(shè)備或系統(tǒng)信息如車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度、電池電壓、電池電流等。整車控制系統(tǒng)通過CAN總線與各動(dòng)力子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，并發(fā)出控制指令來驅(qū)動(dòng)各子系統(tǒng)進(jìn)行工作。整車控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)維護(hù)CAN總線通信系統(tǒng)；當(dāng)檢測(cè)判斷出某個(gè)系統(tǒng)不工作時(shí)會(huì)通過組合儀表或聲控提示駕駛員，及時(shí)采取安全措施。負(fù)責(zé)車輛的故障診斷和處理，以保證車輛安全和能量的

5、高效利用。整車控制系統(tǒng)的功能宗旨就是：保證汽車安全行駛和能量的高效利用。后續(xù)的所有控制策略就是圍繞該功能宗旨進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。整車控制系統(tǒng)輸入的信號(hào)有數(shù)字信號(hào)、模擬信號(hào)和通過CAN總線通訊獲得的各種數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理，然后再輸出各種指令。整車控制系統(tǒng)的IO輸入信號(hào)有：表3.1 輸入IO信號(hào)序號(hào)IO信號(hào)名稱功能備注1KEY信號(hào)ACC所有低壓設(shè)備上電2ON開動(dòng)力電池高壓信號(hào)3START啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)4檔位信號(hào)D檔車輛前進(jìn)信號(hào)5N檔空檔信號(hào)6R檔倒車信號(hào)7手剎信號(hào)防止溜車現(xiàn)象可能不接該信號(hào)8模式控制信號(hào)純電驅(qū)動(dòng)信號(hào) 91011其它信號(hào)空調(diào)工作信號(hào) 正常、故障1213除霜機(jī)工作信號(hào) 正常、故障14真空泵工

6、作信號(hào) 正常、故障15熱管理系統(tǒng)工作信號(hào) 正常、故障16暖風(fēng)機(jī)工作信號(hào) 正常、故障AD信號(hào)有如下：表3.2 輸入AD信號(hào)序號(hào)AD名稱功能備注1加速踏板采集加速踏板開度需要標(biāo)校2制動(dòng)踏板采集制動(dòng)踏板開度3車載12V電壓值采集電壓值輸出IO信號(hào)表3.3 輸出IO信號(hào)序號(hào)輸出IO信號(hào)功能備注1延時(shí)繼電器開關(guān)控制延時(shí)繼電器開關(guān)當(dāng)動(dòng)力電池高壓開啟后，關(guān)閉該延時(shí)繼電器，各輔助高壓用電設(shè)備才能啟動(dòng)。2空調(diào)開關(guān)切斷空調(diào)供應(yīng)電源CAN 總線接口表3.4 CAN總線接口序號(hào)CAN總線接口備注1與BMS通訊實(shí)際連接中還有如DC/DC等。視具體設(shè)備位置，介入方便性而定。2與電機(jī)控制器通訊3與組合儀表通訊PWM信號(hào)表3

7、.5 PWM輸出信號(hào)序號(hào)1根據(jù)不同需要改變占空比使用，或改變頻率使用3.2 動(dòng)力電池表3.6 動(dòng)力電池基本參數(shù)類別名稱參數(shù)值備注電池類型單體電壓（V）單體容量（Ah）對(duì)于控制策略中，實(shí)時(shí)母線電流、SOC值是輸入變量。放電深度（%）工作電壓（V）電池容量（A.h）總能量（kWh）可用能量（kWh）其它正常放電: 0.*C一般放電：< *C極限放電：< *C*串/箱，總共*箱 3.3 電池管理系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（BMS）；CAN協(xié)議另見協(xié)議接口； BMS采用低壓12V供電工作；整個(gè)BMS的基本工作步驟：BMS上電自檢；然后周期性通過CAN 總線發(fā)出BMS的狀態(tài)參數(shù)如母線電壓、母線電流、S

8、OC值、單體最高低電壓、單體最高低溫度、系統(tǒng)各故障類型狀態(tài)；接收CAN總線控制命令開高壓或關(guān)閉高壓；BMS 有若干個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)：上電、初始化、待命、預(yù)充電、使能、錯(cuò)誤、高壓關(guān)閉等。為保證一定安全性，BMS在下高壓后，必須關(guān)閉BMS后，再重新開高壓。BMS有一套完善的安全保護(hù)措施，當(dāng)故障等級(jí)達(dá)到一定級(jí)別時(shí)，自行切斷高壓輸出等。3.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)電機(jī)使用永磁同步電機(jī)。參數(shù)如下：表3.7 驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本參數(shù)序號(hào)類別參數(shù)值1額定電壓(V)2額定功率(kW)3峰值功率(kW)4額定轉(zhuǎn)速(rpm)5最高轉(zhuǎn)速(rpm)6額定扭矩(N·m)7峰值扭矩(N·m)3.5 電機(jī)控制器電機(jī)控制器使用電機(jī)

9、匹配的控制器。使用CAN總線接口與外部系統(tǒng)進(jìn)行通信。下表為電機(jī)控制器的一些基本參數(shù)：表3.8 驅(qū)動(dòng)電機(jī)基本參數(shù)序號(hào)類別參數(shù)值1型號(hào)2額定電壓（V）3工作電壓范圍（V）4額定容量（kVA）5最大容量（kVA）6控制電源額定電壓DC12V7控制電源電壓范圍DC*V DC*V8控制器防護(hù)等級(jí)IP559絕緣電阻20M3.6 DC/DCDC/DC的主要功能是把高壓變換成低壓后給車載12V蓄電池充電。DC/DC設(shè)備使用CAN總線協(xié)議發(fā)送出當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)。3.7 組合儀表組合儀表的顯示方式采取傳統(tǒng)指針式儀表和LCD液晶屏數(shù)據(jù)顯示。組合儀表通過CAN總線接口接收待顯示的參數(shù)數(shù)據(jù)。主要顯示當(dāng)前車輛的基本信息內(nèi)容有

10、：1）車輛的基本信息；如車速、2）電機(jī)及其控制參數(shù)：電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度、當(dāng)前狀態(tài)；3）BMS參數(shù)：工作電壓、工作電流、SOC、各故障狀態(tài)；5）輔助設(shè)備工作狀態(tài)；3.8 高壓箱3.9 充電設(shè)備3.10 高壓用電設(shè)備高壓用電設(shè)備主要有：除霜機(jī)、空調(diào)、冷卻系統(tǒng)、暖風(fēng)機(jī)。為了保證一定的續(xù)駛里程和動(dòng)力電池的使用安全，VMU在必要時(shí)切斷對(duì)輔助高壓設(shè)備的電源輸出。3.11 低壓用電設(shè)備傳統(tǒng)用電部分：如各種閃光燈等、各種ECU。一般低壓用電設(shè)備都從車載低壓蓄電池取電。當(dāng)蓄電池電量不夠時(shí)，由DC/DC給低壓車載蓄電池充電。4電動(dòng)車控制策略設(shè)計(jì)4.1車輛啟動(dòng)關(guān)閉控制策略車輛啟動(dòng)關(guān)閉動(dòng)作，由駕駛員使用車鑰匙來完成啟

11、動(dòng)。并配合檔位、加速踏板等操作。傳統(tǒng)車鑰匙啟動(dòng)開關(guān)上有4檔：LOCK檔、ACC檔、ON檔、START檔。圖4.1 車用鑰匙開關(guān)示意圖鑰匙順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)車輛，鑰匙逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，則關(guān)閉車輛。使用ON檔和START檔。ON作為給低壓設(shè)備上電和啟動(dòng)動(dòng)力電池高壓輸出控制信號(hào)，START檔作為電機(jī)主接觸器閉合斷開開關(guān)信號(hào)。根據(jù)鑰匙的轉(zhuǎn)動(dòng)，鑰匙啟動(dòng)開關(guān)依次把4檔開關(guān)信號(hào)傳送給VMU。順序不會(huì)改變。當(dāng)鑰匙轉(zhuǎn)回到LOCK檔時(shí)，ACC檔、ON檔、START檔信號(hào)的有效輸出會(huì)同時(shí)消失。整個(gè)車輛啟動(dòng)控制策略如下流程圖：圖4.2 鑰匙工作流程圖當(dāng)駕駛員轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙到ACC位置，整個(gè)車輛的低壓設(shè)備上電自檢，整車控制系統(tǒng)檢查所

12、有設(shè)備或子系統(tǒng)處于正常工作下，響應(yīng)鑰匙的ON信號(hào)，否則整車控制系統(tǒng)通過組合儀表顯示故障信息，不響應(yīng)駕駛員的下一步操作。當(dāng)鑰匙轉(zhuǎn)動(dòng)ON檔，整車控制系統(tǒng)判斷所有所有設(shè)備都正常的情況下，發(fā)送開高壓命令給BMS，此時(shí)BMS控制動(dòng)力電池開高壓，正確情況下動(dòng)力電池輸出高壓，同時(shí)BMS定時(shí)通過CAN總線發(fā)送出動(dòng)力電池的狀態(tài)和參數(shù)；當(dāng)整車控制系統(tǒng)判斷鑰匙轉(zhuǎn)到ST信號(hào)，則發(fā)動(dòng)關(guān)閉主接觸器命令給電機(jī)控制器，啟動(dòng)電機(jī)工作。最后整車控制系統(tǒng)響應(yīng)駕駛員的加速踏板、檔位信號(hào)、自動(dòng)踏板等來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)車輛行駛。鑰匙動(dòng)作會(huì)牽涉到VMU的運(yùn)行狀態(tài)（休眠、正常）、啟動(dòng)BMS開關(guān)高壓、電機(jī)主接觸器的開關(guān)、延時(shí)繼電器的開關(guān)。

13、還影響到VMU軟件中的狀態(tài)切換問題。所以其中的邏輯關(guān)系必須非常清晰。4.2動(dòng)力電池安全啟動(dòng)控制策略動(dòng)力電池的高壓輸出與斷開，由BMS直接控制，VMU間接控制。整個(gè)工作過程為，VMU確認(rèn)BMS在正常待命狀態(tài)時(shí)，發(fā)送開高壓的CAN總線報(bào)文命令。BMS于是進(jìn)入開高壓過程，其間BMS狀態(tài)會(huì)從待命狀態(tài)到預(yù)充電狀態(tài)，開高壓成功時(shí)會(huì)進(jìn)入使能狀態(tài)。開高壓成功。整個(gè)過程，BMS定時(shí)向VMU發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)及其參數(shù)。引起預(yù)充電失敗的問題有多方面，之前碰到的主要問題是當(dāng)BMS在開高壓的過程中，有高壓設(shè)備已經(jīng)在啟動(dòng)，導(dǎo)致BMS檢測(cè)到的高壓輸出值在預(yù)定時(shí)間內(nèi)達(dá)不到預(yù)期值，從而預(yù)充電失敗的錯(cuò)誤故障。所以在電氣設(shè)計(jì)時(shí)，尤其是V

14、MU的控制策略中，在BMS沒有正確進(jìn)入使能狀態(tài)前，不允許給輔助高壓用電設(shè)備供電，以防止預(yù)充失敗，提高用電安全和設(shè)備安全。4.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略VMU根據(jù)當(dāng)前的車輛狀態(tài)，給電機(jī)控制器發(fā)送出合理的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。車輛狀態(tài)包括很多因素，但主要是駕駛員的操作意圖、電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)、高壓電池的狀態(tài)。處理過程為如下輸入、處理、輸出的過程處理圖表示。圖4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略輸入因子圖圖4.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制策略目標(biāo)轉(zhuǎn)矩計(jì)算流程圖圖4.3 表明了VMU發(fā)送目標(biāo)轉(zhuǎn)矩值給電機(jī)控制器前需要處理的過程，上圖中沒有畫出整車故障時(shí)的處理模式。驅(qū)動(dòng)控制策略： 在保證動(dòng)力性的前提下，如何利用車載能量（動(dòng)力電池）提高

15、電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程是關(guān)鍵點(diǎn)。一般模式控制策略、動(dòng)力模式控制策略、經(jīng)濟(jì)模式控制策略。表4.1 三種控制策略的比較控制模式優(yōu)先級(jí)進(jìn)入該模式條件經(jīng)濟(jì)模式高在放電容量和放電功率中找到一個(gè)平衡點(diǎn)；C/30.5C區(qū)間放電；電機(jī)額定轉(zhuǎn)速附近效率最高；S的常用區(qū)間為3060%一般模式中條件：S<70%且SOC>30%不同轉(zhuǎn)速時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)額定轉(zhuǎn)矩動(dòng)力模式低S>70% S ：加速踏板行程系數(shù)，百分?jǐn)?shù)4.3.1 加速踏板信號(hào)處理加速踏板的總運(yùn)算公式為：T = S x Ta-（41）T-駕駛員需求轉(zhuǎn)矩S-加速踏板行程系數(shù)，百分?jǐn)?shù)Ta-額定轉(zhuǎn)矩 L -電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩負(fù)荷系數(shù)² 一般控制模式

16、：圖4.5 一般控制模式中L與S的關(guān)系圖一般控制模式的LS關(guān)系圖，L = S。則（1）式為T = L x Ta-（4.2）一般控制模式采取L與S的關(guān)系。采取線性關(guān)系模式即一般控制模式。² 動(dòng)力控制模式：圖4.6 動(dòng)力控制模式中L與S的關(guān)系圖由于S與L的關(guān)系不是線性關(guān)系，非線性關(guān)系的計(jì)算量非常大，所以采取分段線性逐步逼近的方式。T = L x Ta_max-（4.3）Ta_max為電機(jī)的峰值轉(zhuǎn)矩L與S的關(guān)系如下所以，采取實(shí)驗(yàn)的方式得到。L = k0S 0<S<40%k1S+k2 40%<S<60%k3S+k4 60%<S<80%k5S+k6 80%&

17、lt;S<100%-（4.4） 上式中的k0、k1、k2、k3、k4、k5、k6根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得，但k0必須大于1。² 經(jīng)濟(jì)控制模式：圖4.7 經(jīng)濟(jì)控制模式中L與S的關(guān)系圖 經(jīng)濟(jì)控制模式中，在式4.4中的k值，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得一組數(shù)。 其中k0必須小于1。4.3.2 制動(dòng)踏板信號(hào)優(yōu)先原則制動(dòng)踏板優(yōu)先原則，指的是當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板時(shí)，不管加速踏板在哪個(gè)開度上，VMU優(yōu)先處理制動(dòng)踏板信號(hào)。由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)模式：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、空載、停止。所以當(dāng)制動(dòng)踏板踩下時(shí)，VMU應(yīng)該給電機(jī)控制器發(fā)送的是停止轉(zhuǎn)動(dòng)模式。4.4 制動(dòng)能量回饋控制策略.制動(dòng)能量回饋，能有效提高電動(dòng)車的續(xù)駛里程，其受各種

18、因數(shù)影響：驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能（最大制動(dòng)力、最高回饋電流）、動(dòng)力電池性能（如瞬態(tài)充電電流）、整車控制策略和實(shí)際車輛行駛工況。同時(shí)也要保證安全制動(dòng)。傳統(tǒng)制動(dòng)能量回饋策略，只在駕駛員踩下制動(dòng)踏板后才能啟動(dòng)能量回饋，回饋力矩的大小和制動(dòng)踏板制動(dòng)位置深度成正比關(guān)系。但在開關(guān)式制動(dòng)踏板下的制動(dòng)能量回饋控制策略中，其回饋力矩值的計(jì)算則得根據(jù)電機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速計(jì)算而得。既將回饋力矩的大小設(shè)計(jì)車速的函數(shù)，以及考慮車輛當(dāng)前的運(yùn)行狀況決定是否進(jìn)入能量制動(dòng)回饋控制過程。4.5 故障診斷與安全控制策略基于CAN分布式控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制方法，并對(duì)典型的故障進(jìn)行容錯(cuò)策略的研究。² 所有的故障狀態(tài)，VMU通過組合儀表全部顯示出實(shí)時(shí)信息，提示駕駛員注意；² 在啟動(dòng)車輛行駛時(shí)，當(dāng)鑰匙開關(guān)的ST信號(hào)初次有效前，VMU首先檢測(cè)加速踏板位置、檔位信息等情況。只有在加速踏板未踩、檔位在N檔的前提下，VMS才會(huì)關(guān)閉電機(jī)主接觸器；² 當(dāng)SOC低于某個(gè)值時(shí)（如25%），VMU控制電機(jī)降