李曉林

摘 要:本文介紹了純電動汽車整車電氣系統(tǒng)功能、整車控制系統(tǒng)配置、功能、研發(fā)流程及測試方法。整車控制器是整車設(shè)計(jì)的一部分,必須根據(jù)整車性能要求和選用的各總成單元性能進(jìn)行參數(shù)匹配,使整車整體性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為加快研發(fā)速度、規(guī)避研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)及降低研發(fā)費(fèi)用,整車控制系統(tǒng)有必要采取系統(tǒng)仿真技術(shù)、半實(shí)物仿真或臺架試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際條件,可選擇不同的試驗(yàn)手段。應(yīng)在道路試驗(yàn)前,盡量做出完備的測試。

關(guān)鍵詞:純電動汽車整車控制器系統(tǒng)建模仿真半實(shí)物仿真測試

中圖分類號:U469 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)07(a)-0027-03

本文主要探討純電動汽車整車控制系統(tǒng)功能及研發(fā)流程。根據(jù)用途,整個電氣系統(tǒng)可分為動力系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、底盤電子控制系統(tǒng)、照明指示系統(tǒng)、儀表顯示系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、整車綜合控制系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和舒適性安全系統(tǒng)等子系統(tǒng)。其中很多功能模塊都需要和整車綜合控制系統(tǒng)相關(guān)。整車電氣系統(tǒng)列出如表1所示。

整車綜合控制系統(tǒng)根據(jù)駕駛員的操作指示(油門、剎車等),綜合汽車當(dāng)前的狀態(tài)解釋出駕駛員的意圖,并根據(jù)各個單元的當(dāng)前狀態(tài)作出最優(yōu)協(xié)調(diào)控制。

1整車控制器系統(tǒng)配置

整車控制器與整車其他電氣系統(tǒng)連接如圖1所示。整車控制器通過CAN總線與電池ECU、電機(jī)ECU、電源分配ECU、ABS系統(tǒng)、中控門鎖、儀表顯示系統(tǒng)連接。與其余的電氣系統(tǒng)通過IO端口連接(也可使用CAN通訊)。下面分別對各電氣單元的功能要求分別敘述。

1.1 動力系統(tǒng)提供整車的動力輸出,其核心是驅(qū)動電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動ECU

電機(jī)驅(qū)動ECU通過CAN總線與整車綜合控制器通訊。應(yīng)能提供電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、電壓、電流、水溫、工作模式等參數(shù)。并應(yīng)該能接受整車控制器發(fā)來的控制命令。

1.2 能源系統(tǒng)包括電池、電池管理單元和電源分配系統(tǒng)

與整車控制器通訊的有電池管理ECU和電源分配ECU。

電池管理ECU對電池進(jìn)行充放電管理及保護(hù)。它應(yīng)能提供電池組總電壓、電流、單體電池電壓、溫度、剩余電量、電池健康狀態(tài)、故障類型等信息。

電源分配ECU應(yīng)能提供各個子電源的電壓、電流和工作溫度以及故障類型等信息。

1.3 ABS系統(tǒng)應(yīng)能提供各個車輪的轉(zhuǎn)速、液壓系統(tǒng)狀態(tài)、各個制動閥的狀態(tài)以及自身的工作狀態(tài)等信息

1.4 中控門鎖,應(yīng)提供各車門狀態(tài)等信息

1.5 儀表顯示系統(tǒng),應(yīng)向整車控制系統(tǒng)提供所顯示信息的全部內(nèi)容

1.6 照明指示系統(tǒng),可以通過CAN總線來控制,也可以通過IO來指示照明指示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)

1.7 轉(zhuǎn)向助力、制動助力、變速箱需提供檔位位置、液壓壓力、工作狀態(tài)等信息

可以是簡單的開關(guān)量也可以用CAN總線通訊。

1.8 駕駛員的油門踏板和制動踏板經(jīng)信號調(diào)理后接入到整車控制器內(nèi)

2整車控制器詳細(xì)功能

純電動汽車的整車控制器的主要功能包括:汽車驅(qū)動控制、制動能量的優(yōu)化控制、整車的能量管理、CAN網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態(tài)監(jiān)視、行車記錄等。整車控制器功能框圖如圖2所示。整車控制器通過CAN總線和IO端口來獲得如加速踏板開度、電池SOC、車速等信息,并根據(jù)這些信息輸出不同的控制動作。

下面分別介紹各部分實(shí)現(xiàn)的具體功能。

2.1 汽車驅(qū)動控制

根據(jù)司機(jī)的駕駛要求、車輛狀態(tài)等狀況,經(jīng)分析和處理,向電機(jī)控制器發(fā)出指令,滿足駕駛工況要求。包括啟動、前進(jìn)、倒退、回饋制動、故障檢測和處理等工況。

2.2 整車能量優(yōu)化管理

通過對電動汽車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)以及其它車載能源動力系統(tǒng)(如空調(diào))的協(xié)調(diào)和管理,以獲得最佳的能量利用率。

2.3 網(wǎng)絡(luò)管理

整車控制器作為信息控制中心,負(fù)責(zé)組織信息傳輸,網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理等功能,網(wǎng)絡(luò)故障診斷和處理。

2.4 回饋制動控制

根據(jù)制動踏板和加速踏板信息、車輛行駛狀態(tài)信息、蓄電池狀態(tài)信息,向電機(jī)控制器發(fā)出制動指令,在不影響原車制動性能的前提下,回收部分能量。

2.5 故障診斷和處理

連續(xù)監(jiān)視整車電控系統(tǒng),進(jìn)行故障診斷。存儲故障碼,供維修時(shí)查看。故障指示燈指示出故障類別和部分故障碼。根據(jù)故障內(nèi)容,及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)安全保護(hù)處理。對于不太嚴(yán)重的故障,能做到“跛行回家”。

2.6 車輛狀態(tài)監(jiān)測和顯示

整車控制器通過傳感器和CAN總線,檢測車輛狀態(tài)及其各子系統(tǒng)狀態(tài)信息,驅(qū)動顯示儀表,將狀態(tài)信息和故障診斷信息經(jīng)過顯示儀表顯示出來。顯示內(nèi)容包括:車速,里程,電機(jī)的轉(zhuǎn)速、溫度,電池的電量、電壓、電流,故障信息等。

2.7 行車記錄

行車記錄記錄一段時(shí)期內(nèi)的整車運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄,包括電池電壓、電流、SOC、各單元溫度、油門踏板/剎車踏板狀態(tài)、車速等信息。

3整車控制器研發(fā)流程

整車控制器的主要功能是根據(jù)整車設(shè)計(jì)要求及選擇的各單元總成的性能,采用適當(dāng)?shù)目刂品椒?使整車的整體功能/性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并滿足相關(guān)國標(biāo)/行標(biāo)要求。因此,整車控制器的功能/性能試驗(yàn)是和整車試驗(yàn)結(jié)合在一起的。而整車試驗(yàn)需經(jīng)過多種試驗(yàn)方式,因而整車控制系統(tǒng)的試驗(yàn)也需經(jīng)過多種試驗(yàn)過程。由于整車性能試驗(yàn)比較耗時(shí)耗力,因此有必要在整車道路試驗(yàn)前,盡量進(jìn)行完備的仿真、測試和試驗(yàn)。因此,整車控制器研發(fā)過程中,仿真和測試是很重要的手段。整車控制器研發(fā)過程可分為參數(shù)計(jì)算、系統(tǒng)仿真、半實(shí)物在環(huán)系統(tǒng)仿真、臺架及道路試驗(yàn)這四個階段。

3.1 參數(shù)計(jì)算

參數(shù)計(jì)算階段要根據(jù)整車設(shè)計(jì)提出的性能要求及各總成單元的性能,進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算,并選擇適當(dāng)?shù)目刂茀?shù)及策略,使整車性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。和整車控制器相關(guān)的計(jì)算參數(shù)包括汽車一般參數(shù)、動力性參數(shù)、制動性參數(shù)。

整車設(shè)計(jì)總體要求及關(guān)鍵技術(shù)涉及的參數(shù)參見附錄1。附錄1中列出了純電動汽車整車方案設(shè)計(jì)中各總成的技術(shù)參數(shù)。我們可根據(jù)附錄1中所列出參數(shù),選擇適當(dāng)?shù)目刂撇呗院涂刂茀?shù),計(jì)算得到整車?yán)m(xù)行里程、動力特性、爬坡能力、加速能力、制動能力等參數(shù)。

3.2 系統(tǒng)建模仿真

系統(tǒng)仿真階段可根據(jù)整車各總成建立相應(yīng)模型,仿真驗(yàn)證參數(shù)計(jì)算的結(jié)果,并優(yōu)化相關(guān)控制策略。一般EV常采用的仿真軟件有Advisor、PSAT等。

仿真軟件可以提供如下仿真功能。

3.2.1 道路仿真

仿真軟件可提供道路循環(huán)、多重循環(huán)和測試過程三種仿真工況來仿真車輛的性能。

(1)道路循環(huán)提供了CYC_ECE、CYC_ FTP和CYC_1015等56種國外標(biāo)準(zhǔn)的道路循環(huán)供用戶選擇,另外提供了行程設(shè)計(jì)器可以將多達(dá)八種不同的道路循環(huán)任意組合在一起,綜合仿真車輛的性能。

(2)多重循環(huán)功能可以用批處理的方式以相同的初始條件,快速計(jì)算和保存不同的道路循環(huán)情況下的仿真結(jié)果,并將它們顯示在一起,供用戶進(jìn)行比較。

(3)測試過程包括TEST_CITY_HWY和TEST_FTP等八種標(biāo)準(zhǔn)的測試過程供用戶選擇仿真。

3.2.2 加速度性能仿真

該功能可以仿真以下車輛性能:三組從初速度加速到末速度所需要的最短時(shí)間、某一時(shí)間段內(nèi)車輛行駛的最大距離、行駛某一段距離所需要的最短時(shí)間、最大加速度和最大速度。

3.2.3 爬坡能力仿真

在設(shè)置車輛速度、持續(xù)時(shí)間、質(zhì)量和多能源動力系統(tǒng)等參數(shù)后,可以仿真出車輛在給定速度下的爬坡性能。

3.2.4 參數(shù)研究

該功能可以選擇1～3個部件參數(shù),在三維坐標(biāo)圖上用不同的顏色代表不同數(shù)值的方式,來分析這些參數(shù)對車輛的能源經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保特性等性能的影響。

3.2.5 計(jì)算輔助電器的負(fù)荷

該功能可以計(jì)算車輛上輔助電器的能源消耗。這些電器設(shè)備包括除霜設(shè)備、收音機(jī)和照明設(shè)備等。用戶定義這些設(shè)備的電流一電壓特性和與道路循環(huán)相關(guān)聯(lián)的使用時(shí)間等數(shù)據(jù)后,就可以仿真出輔助電器的負(fù)荷。

3.2.6 交互式仿真

該功能由系統(tǒng)控制、車輛控制與顯示和仿真輸出三部分組成,它支持實(shí)時(shí)地輸入道路循環(huán)和動態(tài)顯示每個仿真計(jì)算步長的結(jié)果。系統(tǒng)控制部分負(fù)責(zé)控制仿真速度和動態(tài)輸入當(dāng)前仿真時(shí)間步長的道路循環(huán),它包括請求速度和坡度。車輛控制與顯示部分模擬顯示出車輛內(nèi)部發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速表、車輛速度表、燃油表、能源儲存系統(tǒng)的SOC表、加速踏板和換擋開關(guān)等儀表和控制開關(guān)的動態(tài)變化,用可視化的形式輸出仿真結(jié)果。

3.3 半實(shí)物在環(huán)系統(tǒng)仿真

仿真技術(shù)是研究整車控制器的重要手段。但是,采用計(jì)算機(jī)仿真很難準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況,但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和車輛動力學(xué)模型的不斷完善,混合仿真技術(shù)已逐漸成為整車控制器開發(fā)的重要手段。這種技術(shù)是一種實(shí)時(shí)仿真技術(shù),它把部分實(shí)際產(chǎn)品利用計(jì)算機(jī)接口嵌入到軟件環(huán)境中去,并要求系統(tǒng)的軟件和硬件都要實(shí)時(shí)運(yùn)行,從而模擬整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

對電動汽車整車控制器進(jìn)行半實(shí)物在環(huán)仿真,以模擬汽車駕駛環(huán)境為基礎(chǔ),通過模擬駕駛臺,可以進(jìn)行電動汽車的主要駕駛操作,并可得到車輛的主要響應(yīng)信息。它可完成整車控制器軟件調(diào)試、策略研究和功能測試等功能。其中軟件調(diào)試要達(dá)到評估整車控制器的整車控制與調(diào)度的管理能力的目的,策略研究則要對主控制系統(tǒng)的策略可行性以及實(shí)用性提出意見。半實(shí)物在環(huán)系統(tǒng)仿真系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

3.4 臺架及道路試驗(yàn)

試驗(yàn)是控制系統(tǒng)開發(fā)的重要手段,對于整車控制器必須進(jìn)行完備的實(shí)驗(yàn)。一般試驗(yàn)分為臺架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)。為了保證上車之后的安全可靠,同時(shí)也可以避免上車調(diào)試的諸多不便,在上車調(diào)試之前,有必要進(jìn)行臺架試驗(yàn)。在保證各種控制邏輯和故障處理的正確性,優(yōu)化整個控制系統(tǒng)和控制參數(shù),以求達(dá)到提高整車的能量利用率的結(jié)果。臺架試驗(yàn)結(jié)束后可進(jìn)行整車道路試驗(yàn)。

3.4.1 臺架試驗(yàn)

臺架試驗(yàn)系統(tǒng)主要由整車控制器、電機(jī)、電機(jī)控制器、電池、電池管理系統(tǒng)等組成。電機(jī)和1臺電力測功機(jī)相連,能實(shí)現(xiàn)對電機(jī)扭矩的測量和倒拖電機(jī)以實(shí)現(xiàn)回饋制動。電機(jī)控制器控制電機(jī)的一切操作,并管理電機(jī)的冷卻風(fēng)扇。電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對電池狀態(tài)的監(jiān)視和管理。整車控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整車電器狀態(tài)和電機(jī)扭矩的分配。

測功機(jī)可以根據(jù)試驗(yàn)要求對電機(jī)施加不同的扭矩,從而可以進(jìn)行各種功能測試和路況模擬測試。

3.4.2 道路試驗(yàn)

盡管臺架試驗(yàn)可模擬道路情況,但臺架不能完全代替道路的實(shí)際情況。為了真正檢驗(yàn)動力系統(tǒng)的在實(shí)際道路上的性能,需要進(jìn)行實(shí)際道路試驗(yàn)。在實(shí)際的道路試驗(yàn)中,根據(jù)試驗(yàn)效果,可對驅(qū)動策略參數(shù)、制動回饋策略參數(shù)、能量管理策略參數(shù)以及CAN通訊調(diào)度參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化匹配。

3.4.3 車載監(jiān)控及標(biāo)定系統(tǒng)

為了配合臺架及道路試驗(yàn),需要一套車載監(jiān)控及標(biāo)定系統(tǒng),來完成對整車實(shí)時(shí)監(jiān)控及在線數(shù)據(jù)匹配標(biāo)定功能。其主要功能包括:

(1)可以實(shí)時(shí)顯示CAN總線上全部的通信內(nèi)容,并依據(jù)應(yīng)用協(xié)議進(jìn)行解釋,通過CAN總線可以監(jiān)控車輛系統(tǒng)的全部信息。

(2)查看CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信狀況,包括網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況、網(wǎng)絡(luò)故障顯示等。

(3)可以不丟幀地將CAN總線上的全部通信消息記錄于硬盤。

(4)可以按實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),以文本和圖形方式,回放所記錄的CAN總線通信全過程,回放車輛和試驗(yàn)操作的全過程。

(5)可在線修改動力總成控制器中主要控制參數(shù),進(jìn)行系統(tǒng)匹配標(biāo)定研究。

4結(jié)語

綜上所述,整車控制器與整車選型設(shè)計(jì)密切相關(guān),根據(jù)不同車型,整車控制器需調(diào)整不同的控制參數(shù)及控制策略。要點(diǎn)總結(jié)如下。

(1)整車控制器是整車設(shè)計(jì)的一部分,必須根據(jù)整車性能要求和選用的各總成單元性能進(jìn)行參數(shù)匹配,使整車整體性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

(2)為滿足國標(biāo)/行標(biāo),整車需進(jìn)行道路試驗(yàn)。道路試驗(yàn)需要消耗大量的時(shí)間和費(fèi)用,因此為加快研發(fā)速度、規(guī)避研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)及降低研發(fā)費(fèi)用,有必要采取系統(tǒng)仿真技術(shù)、半實(shí)物仿真或臺架試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際條件,可選擇不同的試驗(yàn)手段。應(yīng)在道路試驗(yàn)前,盡量做出完備的測試。

(3)整車道路試驗(yàn)需要一套車載監(jiān)控及標(biāo)定系統(tǒng)。在道路試驗(yàn)中需對控制參數(shù)和策略進(jìn)行優(yōu)化。

(4)對于同款電動汽車,可能需要根據(jù)路況特點(diǎn)及應(yīng)用特點(diǎn),來優(yōu)化整車控制器控制參數(shù)和策略。

(5)由于整車控制器對整車的動力性、制動性、安全性等均有影響,因此對其響應(yīng)速度、可靠性及抗干擾能力要求極高。

(6)整車控制器可根據(jù)需要,增加/裁減不同功能,驅(qū)動控制、能量管理、故障檢測是其基本功能。