翟世歡 辛明華 于蘭
(天津清源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司)
目前,空氣污染不斷加重,霧霾天氣已影響到人們的生活,國(guó)家越來越意識(shí)到節(jié)能和環(huán)保的重要性。能源危機(jī)以及環(huán)境惡化2大問題亟待人類去解決。純電動(dòng)汽車以零污染和零排放的優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞,研發(fā)和推廣純電動(dòng)汽車是緩解能源和環(huán)境危機(jī)的重要手段。純電動(dòng)汽車作為新能源汽車的一個(gè)重要成員,飽含著國(guó)家對(duì)新能源汽車發(fā)展的期望[1]。文章從純電動(dòng)汽車整車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā),著重闡述整車控制單元及相關(guān)控制策略,力求能對(duì)新能源汽車的研究和開發(fā)起拋磚引玉的作用[2]。
純電動(dòng)汽車僅僅依靠動(dòng)力電池組提供的電能作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),以此為整車提供動(dòng)力。純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、能源管理系統(tǒng)、整車控制單元、充電控制單元、電源變換裝置(DC/DC)及儀表顯示系統(tǒng)等。其基本結(jié)構(gòu),如圖1所示[3-4]。
電池及管理系統(tǒng)為整車的能量來源;電機(jī)及控制系統(tǒng)為整車提供動(dòng)力;整車控制器(VCU)采集擋位信號(hào)和踏板信號(hào)等,控制電池的放電及電機(jī)的運(yùn)行;充電機(jī)為電池組充電;電機(jī)控制系統(tǒng)將電池組的直流高壓電轉(zhuǎn)換成交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),為整車提供動(dòng)力;儀表為駕駛者提供車輛運(yùn)行狀況信息。
VCU為純電動(dòng)汽車的調(diào)度控制中心,負(fù)責(zé)與車輛其他部件進(jìn)行通信,協(xié)調(diào)整車的運(yùn)行。
VCU系統(tǒng)結(jié)構(gòu),如圖2所示。其主要包含電源電路、開關(guān)量輸入/輸出模塊、模擬量輸入模塊及CAN通訊模塊。電源模塊從車載蓄電池取電,開關(guān)量輸入模塊接收的信號(hào)主要有鑰匙信號(hào)、擋位信號(hào)及制動(dòng)開關(guān)信號(hào)等;開關(guān)量輸出信號(hào)主要是控制繼電器,其在不同整車系統(tǒng)中意義略有不同,一般情況下控制如水泵繼電器、風(fēng)扇繼電器、EV繼電器及PTC繼電器等。模擬量輸入模塊采集加速踏板和制動(dòng)踏板開度信號(hào)及蓄電池電壓信號(hào)等。CAN模塊負(fù)責(zé)與整車其他設(shè)備通信,主要設(shè)備有電機(jī)控制器(MCU)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、顯示儀表、DC/DC模塊及充電機(jī)等[5]。
VCU主要功能有:1)整車通信網(wǎng)絡(luò)管理;2)整車工作模式控制;3)接收駕駛員指令,輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩;4)整車能量管理;5)監(jiān)測(cè)和協(xié)調(diào)管理車上其他電器;6)系統(tǒng)狀態(tài)儀表顯示。
根據(jù)圖1,整車系統(tǒng)通過CAN通信網(wǎng)絡(luò)將各個(gè)子控制系統(tǒng)連接在一起。整車系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖,如圖3 所示[6]。
VCU通過CAN網(wǎng)絡(luò)接收BMS發(fā)送的電池各項(xiàng)信息,計(jì)算得出電機(jī)控制信息,并把此信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到MCU端。當(dāng)汽車充電時(shí),BMS與充電機(jī)進(jìn)行通信,控制充電機(jī)輸出所需的電壓和電流,完成充電功能。車載顯示系統(tǒng)獲取CAN網(wǎng)絡(luò)中的所需信息,并將其顯示給用戶。VCU起到協(xié)調(diào)管理整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的功能,是各個(gè)子設(shè)備的通信服務(wù)端。
VCU工作模式,如圖4所示[7]。
2.2.1 充電模式
通過打開充電門,VCU被觸發(fā)上電。在檢測(cè)到充電連接信號(hào)后,VCU啟動(dòng)BMS,然后BMS與充電機(jī)進(jìn)行通信,啟動(dòng)充電過程,VCU持續(xù)監(jiān)測(cè)BMS的報(bào)文信息。充電過程出現(xiàn)故障時(shí),VCU會(huì)及時(shí)切斷BMS繼電器,以中斷充電過程,防止發(fā)生危險(xiǎn)事故。
2.2.2 上電模式
駕駛員打開鑰匙開關(guān),VCU觸發(fā)上電,首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢,然后閉合BMS繼電器,控制電池系統(tǒng)上電,最后控制電機(jī)預(yù)充電過程,使電機(jī)系統(tǒng)上電。當(dāng)整車所有設(shè)備都正常啟動(dòng)后,系統(tǒng)進(jìn)入READY狀態(tài),指示可以進(jìn)行正常駕駛操作。
2.2.3 行車模式
系統(tǒng)完成正常上電后,VCU采集來自駕駛?cè)藛T的控制信號(hào)(擋位信號(hào)、加速踏板及制動(dòng)踏板信號(hào)等),并根據(jù)系統(tǒng)的限制條件,經(jīng)算法運(yùn)算向MCU輸出驅(qū)動(dòng)扭矩,控制汽車的運(yùn)行。
2.2.4 制動(dòng)模式
相比傳統(tǒng)燃油車,電動(dòng)汽車的制動(dòng)過程可以實(shí)現(xiàn)能量回收。當(dāng)電動(dòng)汽車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí),VCU通過狀態(tài)數(shù)據(jù)采集,推算所需的制動(dòng)扭矩。此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)從工作模式轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)模式向電池組充電。
2.2.5 故障模式
整車故障一般分為2級(jí)(1級(jí)故障和2級(jí)故障)。故障來自于VCU,BMS,MCU及DC/DC變換器等終端設(shè)備。這里定義1級(jí)故障為嚴(yán)重故障,2級(jí)故障為一般故障。整車系統(tǒng)出現(xiàn)2級(jí)故障時(shí),汽車進(jìn)入跛行故障模式,主要以限制系統(tǒng)輸出功率的方式實(shí)現(xiàn)。整車系統(tǒng)出現(xiàn)1級(jí)故障時(shí),整車系統(tǒng)進(jìn)入緊急停止工作狀態(tài)。
2.2.6 停車模式
停車模式是整車運(yùn)行過程中無故障出現(xiàn),駕駛者正常關(guān)閉鑰匙,此模式中VCU控制電機(jī)和電池系統(tǒng)下電,然后控制各個(gè)附件設(shè)備關(guān)閉,完成自下電過程。
純電動(dòng)車的整車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)和電機(jī)控制系統(tǒng)組成,并通過CAN總線方式與整車網(wǎng)絡(luò)通信。
1)VCU通過采集到的踏板開度信號(hào)和擋位信號(hào),參考電池信息,經(jīng)過轉(zhuǎn)矩計(jì)算,得出最后的扭矩信息。扭矩信息通過CAN總線由VCU發(fā)送到MCU,MCU收到相應(yīng)的控制信號(hào)后,執(zhí)行對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。
2)電機(jī)控制系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)矩控制方式和轉(zhuǎn)速控制方式。VCU通過所發(fā)送的控制模式選擇位來確定MCU的控制模式。
在轉(zhuǎn)矩控制模式下,VCU向MCU發(fā)送的信息為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩值、電機(jī)運(yùn)行方向及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式等。在轉(zhuǎn)速控制模式下,VCU向MCU發(fā)送的信息變?yōu)殡姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)速值、電機(jī)運(yùn)行方向及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式等。
3)根據(jù)汽車的運(yùn)行狀況,電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式分為電動(dòng)模式和發(fā)電模式。電動(dòng)模式下整車運(yùn)行在驅(qū)動(dòng)狀態(tài),汽車屬于行駛狀態(tài);發(fā)電模式下整車運(yùn)行在滑行或制動(dòng)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回饋。
4)電機(jī)控制系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下,MCU實(shí)時(shí)向VCU上報(bào)狀態(tài)信息和故障信息,并在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)做出及時(shí)處理。VCU接收到MCU的各項(xiàng)信息后,會(huì)根據(jù)信息的內(nèi)容對(duì)整車系統(tǒng)做出合理的控制。
5)MCU能夠提供的狀態(tài)信息有:電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)轉(zhuǎn)矩極限值、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式、電機(jī)運(yùn)行電流和電壓值、電機(jī)溫度信息、風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)及水泵運(yùn)行狀態(tài)等。MCU能夠提供的故障信息有:直流側(cè)電壓故障、IGBT故障、過流、散熱器過熱、超載及超速等。
純電動(dòng)汽車整車能量的唯一來源為電池組,被BMS有序管理。VCU通過總線與BMS通信[8]。
1)BMS能夠向VCU上報(bào)剩余電量信息、電池箱總電壓和總電流、電池系統(tǒng)溫度信息、電池輸出繼電器狀態(tài)、以及電池組最大放電電流、最大回充電流及故障報(bào)警信息等。
2)VCU根據(jù)汽車控制策略以及來自總線上的電池狀態(tài)和電機(jī)狀態(tài)信息以閉合或者斷開BMS的總正/負(fù)繼電器,完成高壓回路的閉合和斷開功能。
3)與傳統(tǒng)燃油車相比,電動(dòng)汽車能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量回饋功能。當(dāng)整車處于減速滑行或制動(dòng)狀態(tài)時(shí),VCU控制汽車產(chǎn)生再生制動(dòng)力矩,使電機(jī)發(fā)電,并將電機(jī)發(fā)出的電能回充到蓄電池中,以實(shí)現(xiàn)有效的制動(dòng)能量回收。
制動(dòng)能量回收的程度由VCU通過收到的制動(dòng)踏板開度、電池剩余電量及電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息計(jì)算得到。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí),制動(dòng)回饋能量較低,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增加,制動(dòng)回饋能量也會(huì)相應(yīng)增加;制動(dòng)回饋程度隨制動(dòng)深度的增加而增加;其他條件不變時(shí),當(dāng)電池剩余電量較高時(shí),制動(dòng)回饋程度會(huì)降低,反之會(huì)增加。
VCU對(duì)汽車的狀態(tài)信息進(jìn)行采集和處理,將重要的狀態(tài)和故障信息發(fā)送給儀表進(jìn)行顯示,其顯示的主要內(nèi)容有:車速信息、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電池剩余電量、電機(jī)故障信息及電池故障信息等。
作為純電動(dòng)汽車系統(tǒng)的核心部件,VCU的開發(fā)主要根據(jù)整車的控制需求以及性能指標(biāo)進(jìn)行,而且VCU開發(fā)過程中需要各種不同的測(cè)試試驗(yàn),而這些整車性能測(cè)試試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng),因此整個(gè)開發(fā)過程需要引入仿真手段,以縮短VCU開發(fā)的周期。文章將開發(fā)流程分為整車系統(tǒng)分析計(jì)算、系統(tǒng)建模仿真、半實(shí)物硬件在環(huán)仿真、實(shí)車臺(tái)架及道路試驗(yàn)4個(gè)階段[9]。
VCU開發(fā)的最初階段,要分析系統(tǒng)的需求,包括整車系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成和性能參數(shù)。分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成,可以確定VCU相關(guān)接口的配置需求,進(jìn)而確定VCU的硬件電路原理圖。整車系統(tǒng)的性能參數(shù)包括一般性參數(shù)、動(dòng)力性參數(shù)及制動(dòng)性能參數(shù)。這些參數(shù)的確定可以得出整車系統(tǒng)的續(xù)駛里程、動(dòng)力性能及制動(dòng)性能等數(shù)據(jù),為VCU的仿真研究做好準(zhǔn)備。
由3.1節(jié)已經(jīng)得到整車系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo),在仿真軟件中(如Cruise,Advisor)搭建系統(tǒng)的仿真模型,實(shí)現(xiàn)VCU的控制策略。仿真可以初步確定整車的續(xù)駛里程、最高車速及最大爬坡度等。
經(jīng)過軟件建模仿真后,VCU的硬件系統(tǒng)和控制策略基本確定。因此,可以據(jù)此設(shè)計(jì)VCU的硬件電路和相應(yīng)控制策略,編寫VCU的軟件程序。
硬件在環(huán)仿真是在VCU硬件電路板和軟件程序已設(shè)計(jì)完成的前提下,對(duì)所設(shè)計(jì)的整車系統(tǒng)進(jìn)行離線實(shí)物仿真的過程。
目前比較常用的是通過dSPACE設(shè)備搭建整車的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)。dSPACE設(shè)備通過板卡與PC機(jī)通訊,通過綜合試驗(yàn)環(huán)境ControlDesk軟件實(shí)現(xiàn)部分控制信號(hào)的下發(fā)和仿真結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示,并通過硬線接口與設(shè)計(jì)好的VCU連接。此外,一些控制信號(hào)(如擋位、加速踏板及制動(dòng)踏板信號(hào))亦可以通過硬線連接將信號(hào)輸入到dSPACE設(shè)備中。dSPACE在環(huán)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖5所示。
VCU通過了硬件在環(huán)仿真后,便可以進(jìn)入實(shí)測(cè)階段,實(shí)車測(cè)試分為臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)。
測(cè)試過程首先需要進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),其主要目的是保證VCU進(jìn)行后續(xù)道路試驗(yàn)的安全性,減少系統(tǒng)出現(xiàn)故障的幾率,優(yōu)化系統(tǒng)的控制參數(shù)。
臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備包括VCU、電機(jī)系統(tǒng)及電池系統(tǒng)等,試驗(yàn)主要驗(yàn)證VCU硬件系統(tǒng)是否穩(wěn)定,軟件控制策略和故障處理是否正確。
為了完全且真實(shí)的驗(yàn)證VCU的性能指標(biāo),測(cè)試試驗(yàn)還需要進(jìn)行道路試驗(yàn)。通過試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)者可以進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)策略、制動(dòng)回饋策略、能量管理策略及CAN通訊調(diào)度參數(shù)等。
純電動(dòng)汽車整車控制是系統(tǒng)以VCU為核心部件,電池、電機(jī)及充電系統(tǒng)為外圍輔助系統(tǒng)的一套完整的電控系統(tǒng)。純電動(dòng)汽車整車控制策略究其根本就是VCU的策略,包括整車網(wǎng)絡(luò)管理、整車工作模式控制、驅(qū)動(dòng)控制及能量管理等。而VCU的開發(fā)包括了系統(tǒng)分析、系統(tǒng)建模仿真驗(yàn)證及實(shí)車驗(yàn)證測(cè)試等。文章所論述的有關(guān)純電動(dòng)汽車的控制策略及整車開發(fā)的流程是新能源汽車開發(fā)過程中必須考慮的,從實(shí)踐層面上對(duì)整車開發(fā)有一定的指導(dǎo)意義[10]。