沈璟虹

（無錫科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中德機(jī)電學(xué)院，江蘇 無錫 214101）

雙輪轂電機(jī)整車控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈璟虹

（無錫科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院 中德機(jī)電學(xué)院，江蘇 無錫 214101）

針對(duì)采用雙輪轂電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的微型客車，選擇CAN總線通信，以飛思卡爾K60系列單片機(jī)設(shè)計(jì)其整車控制器，用模塊化的設(shè)計(jì)思路，對(duì)整車控制器系統(tǒng)完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并通過臺(tái)架測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可實(shí)現(xiàn).

輪轂電機(jī)；飛思卡爾K60；CAN

0 引言

隨著全球能源危機(jī)及環(huán)境污染的加劇，新能源汽車的研究已經(jīng)迫在眉睫.從工信部獲得數(shù)據(jù)，2015-2017年上半年，國內(nèi)共有超過200個(gè)新能源汽車整車生產(chǎn)項(xiàng)目落地，涉及投資金額超10 000億元人民幣，已公開的產(chǎn)能規(guī)劃超2 000萬輛，新能源汽車的開發(fā)和應(yīng)用是當(dāng)前的政策和投資熱點(diǎn).在各種混合動(dòng)力、純電動(dòng)汽車中，由輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車，以其節(jié)能、高效、零排放的優(yōu)勢(shì)[1]，成為近年關(guān)注和研究的重點(diǎn)，而由雙輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)客車核心部件是整車控制器.

1 整車參數(shù)及性能指標(biāo)

1.1 純電動(dòng)客車整車參數(shù)

由企業(yè)提供的純電動(dòng)客車參數(shù)及要求為：整車質(zhì)量1 637 kg、滾動(dòng)阻力系數(shù)0.01、動(dòng)力系統(tǒng)傳遞效率為1、滾動(dòng)半徑0.306 9 m、迎風(fēng)面積2.65 m2、旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)1.1、空氣阻力系數(shù)0.45、電池效率0.86.研究其參數(shù)不難發(fā)現(xiàn)，該款客車的原型應(yīng)該為某城市主流微型客車，預(yù)測(cè)企業(yè)的開發(fā)意圖為驗(yàn)證傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，在僅改變動(dòng)力系統(tǒng)而不改變整車參數(shù)的情況下是否可行.針對(duì)這一點(diǎn)，項(xiàng)目組對(duì)整車控制器的設(shè)計(jì)過程中，也參考該款主流客車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能特征，針對(duì)性更強(qiáng)且更合理.

1.2 純電動(dòng)客車性能指標(biāo)

企業(yè)對(duì)整車的性能指標(biāo)要求為：在坡度為0的工況下，1 km最高平均車速達(dá)85 km/h；在坡度為0的工況下，30 min持續(xù)行駛的最高平均車速達(dá)65 km/h；在坡度為0的工況下，0-50 km/h加速時(shí)間不超過10 s；在坡度為0的工況下，50-80 km/h加速時(shí)間不超過16 s；在坡度為4%的工況下，速度能達(dá)到30 km/h；在坡度為12%的工況下，速度能達(dá)到15 km/h；在坡度為20%的工況下，速度能達(dá)到10 km/h；要求車速60 km/h的工況下，續(xù)航里程達(dá)180 km.對(duì)比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)原型的性能要求，發(fā)現(xiàn)企業(yè)對(duì)雙輪轂純電動(dòng)汽車的性能預(yù)期更低，可以接受動(dòng)力系統(tǒng)變更后的客車性能下降，尤其在車輛的爬坡性能和續(xù)航里程上，并沒有要求純電動(dòng)汽車完全達(dá)到內(nèi)燃機(jī)水平，這也使得設(shè)計(jì)的難度有一定降低.

2 整車控制器硬件的設(shè)計(jì)與加工

2.1 整車控制器動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)方案

在對(duì)整車控制器進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)前，先確定控制器的動(dòng)力系統(tǒng)方案.一般來說，在傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力系統(tǒng)的改型，采用集中驅(qū)動(dòng)的形式比較常見.所謂集中驅(qū)動(dòng)是指將一臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接取代傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力，保留原有汽車上的傳動(dòng)系統(tǒng)，包括傳動(dòng)軸、變速箱、差速器、轉(zhuǎn)減速器、半軸等，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以以很小的設(shè)計(jì)量完成改型，但缺點(diǎn)是動(dòng)力傳遞路線過長，機(jī)械損耗大，不利于續(xù)航里程的提升.因此，項(xiàng)目組選擇了雙輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)方案，如圖1所示，整車控制器能根據(jù)對(duì)加速踏板、制動(dòng)踏板和檔位的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的通信控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源管理系統(tǒng)的控制，并能對(duì)儀表顯示系統(tǒng)通信.

圖1 系統(tǒng)的硬件組成框圖

2.2 動(dòng)力組件選型

項(xiàng)目組采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)企業(yè)給出的參數(shù)及性能指標(biāo)，計(jì)算相應(yīng)參數(shù)，對(duì)輪轂電機(jī)進(jìn)行選型.根據(jù)汽車行駛方程式（1）、（2）計(jì)算汽車功率.

式中，F(xiàn)t為驅(qū)動(dòng)力，N；Ff為滾動(dòng)阻力，N；Fw為空氣阻力，N；Fi為坡度阻力，N；Fj為加速阻力，N；Ttq為電機(jī)轉(zhuǎn)速，Nm；ig為變速器傳動(dòng)比；io為主減速器傳動(dòng)比；ηT為傳遞效率，%；r為車輪半徑，m；m 為汽車質(zhì)量，kg；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；α為坡度角，°；CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；ua為車速，km/h；δ為汽車旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；u為車速，m/s.

根據(jù)實(shí)際條件，取cosα≈1；sinα≈tanα≈i，將m/s換算成km/h，得出汽車驅(qū)動(dòng)功率P為：

根據(jù)最高車速確定功率Pumax：

式中，umax為最高車速，km/h.

根據(jù)最大爬坡度確定功率Pimax：

式中，ui為處于最大爬坡度時(shí)的穩(wěn)定車速，km/h.

根據(jù)汽車加速性能及動(dòng)力學(xué)方程式確定最大功率Pjmax：

式中，uj為加速時(shí)的車速，km/h.

根據(jù)要求，當(dāng)最高車速為85 km/h時(shí)，功率為13.74 kW，取額定功率Pe≥13.74 kW.計(jì)算得出，ui=30 km/h，坡度為4%時(shí)，Pimax=9.23 kW；ui=15 km/h，坡度為12%時(shí)，Pimax=11.16 kW；ui=10 km/h，坡度為20%時(shí)，Pimax=9.6 kW；因此得出選取Pimax值大于11.16 kW，即能滿足企業(yè)要求.在參照國標(biāo)后，利用MATLAB分別計(jì)算0-50 km/h和50-80 km/h加速時(shí)間，經(jīng)圖表征滿足加速性能要求，應(yīng)選電機(jī)峰值功率大于27.20 kW.

綜合計(jì)算結(jié)果選擇使用某款無刷直流電機(jī)作為該車的動(dòng)力元件[2]，該電機(jī)配備專門的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，使用CAN總線實(shí)現(xiàn)與整車控制器的通信.選擇支持CAN總線，配備電池管理系統(tǒng)的磷酸鐵鋰電池組作為電源.同樣選擇帶CAN通信的智能化儀表系統(tǒng)，顯示車輛行駛基本數(shù)據(jù)，并通過液晶觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.

2.3 整車控制器硬件電路設(shè)計(jì)

對(duì)整車控制器進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)，核心部件微處理器綜合分析后選擇了工作電壓范圍達(dá)1.71-3.6 V，工作溫度可達(dá)-40℃到105℃，工作模式靈活的飛思卡爾K60系列單片機(jī)，其擁有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和大存儲(chǔ)空間，自帶CAN總線接口，能充分滿足項(xiàng)目使用要求.

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和雙輪轂電機(jī)的功能，采用模塊化設(shè)計(jì)思路對(duì)各個(gè)部分硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度[3].選用開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596和穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3組成電源模塊.參照ISO-11898標(biāo)準(zhǔn)，選擇MCP255芯片作為通信模塊.完成踏板信號(hào)處理電路、報(bào)警電路、開關(guān)量輸入信號(hào)電路、外部驅(qū)動(dòng)模塊電路、串口通信模塊電路、液晶顯示電路等的設(shè)計(jì).對(duì)整車控制器引腳定義（詳細(xì)引腳定義不做展開），對(duì)于暫時(shí)沒有使用的引腳作為備用.將設(shè)計(jì)的模塊化功能電路與K60微處理器對(duì)應(yīng)引腳相連以后就構(gòu)成了整車控制器的電路圖.利用Protel DXP軟件完成電路pcb板的設(shè)計(jì)，交由廠家完成電路板制作.電路板實(shí)物如圖2所示.

圖2 整車控制器實(shí)物

3 整車控制器的軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)分為管理層、執(zhí)行層和接口層.管理層負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的分析、管理和診斷，執(zhí)行層負(fù)責(zé)對(duì)車輛行駛的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行采集、計(jì)算，執(zhí)行層將數(shù)據(jù)傳遞給管理層后，管理層在計(jì)算分析后得出結(jié)果，發(fā)送至執(zhí)行層控制模塊執(zhí)行.接口層涉及模塊的初始化，包含了ADC模塊、CAN模塊、FTM模塊等.

3.1 整車控制器底層軟件設(shè)計(jì)

在完成對(duì)整車控制器硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用模塊化的思路對(duì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì).需要完成控制器的底層軟件設(shè)計(jì)包含初始化子程序、信號(hào)采集子程序和通訊接口子程序.

初始化子程序包含部分參數(shù)和引腳的初始化，并完成了UART模塊、A/D模塊、OLED模塊、CAN總線模塊、FTM模塊的初始化.

鑒于整車控制器的通信非常復(fù)雜，項(xiàng)目組選擇CAN進(jìn)行通信.根據(jù)CAN通信的SAE1939協(xié)議規(guī)定，以及本項(xiàng)目的通信要求，定義報(bào)文格式為29位擴(kuò)展幀結(jié)構(gòu).對(duì)CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)點(diǎn)名稱與地址分配如表1所示.項(xiàng)目組分別對(duì)CAN總線與電機(jī)單元、電池單元、顯示儀表單位等部件之間的通信定義了報(bào)文格式，在此不一一展開.

表1 節(jié)點(diǎn)名稱與地址分配圖

3.2 整車控制器應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

對(duì)控制器的應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)，即車輛主程序、驅(qū)動(dòng)控制程序、起步控制程序、行駛程序、故障診斷程序的設(shè)計(jì).

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，整車控制流程如圖3所示.首先，整車控制器開始上電，啟動(dòng)初始化程序，啟動(dòng)定時(shí)中斷模塊，通過采集各傳感器信號(hào)獲得車輛的工作狀況，如CAN信號(hào)接收正常，動(dòng)力回路上電完成，工況自適應(yīng)，控制算法實(shí)現(xiàn).此處的CAN幀發(fā)送采用定時(shí)中斷的調(diào)度方式.

驅(qū)動(dòng)控制策略程序設(shè)計(jì)以電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩需求為主，整車控制器采集包括踏板信號(hào)、檔位信號(hào)、鑰匙信號(hào)等，并結(jié)合電池模塊和電機(jī)控制器發(fā)送的信號(hào)，計(jì)算出合理的驅(qū)動(dòng)力矩發(fā)送給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，既要考慮滿足行駛性能，也要滿足經(jīng)濟(jì)性能；起步控制策略程序設(shè)計(jì)通過檔位信號(hào)判斷汽車前進(jìn)或倒車，主要依據(jù)踏板信號(hào)執(zhí)行啟動(dòng)或預(yù)啟動(dòng)程序；車輛正常行駛控制策略程序?qū)囕v狀況實(shí)時(shí)信號(hào)采集，工況自適應(yīng)，不同的行駛狀態(tài)有對(duì)應(yīng)的正常行駛控制策略.一旦車輛行駛狀況發(fā)生故障信號(hào)，則進(jìn)入車輛診斷模塊.

4 整車控制器的功能實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證

對(duì)整車控制器功能的測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室完成.搭建測(cè)試平臺(tái)，設(shè)計(jì)該雙輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)客車測(cè)試模型.主要包括以下部件：汽車專用電源、兩塊自主研發(fā)的整車控制器、加速踏板、儀表顯示模塊、示波器.通過設(shè)計(jì)一系列的實(shí)驗(yàn)，測(cè)試整車控制器各項(xiàng)功能，證明整車控制器能實(shí)現(xiàn)高速CAN通信和低速CAN通信，響應(yīng)速度快.經(jīng)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了整車控制器工作可靠性.

5 結(jié)論

圖3 整車控制流程圖

項(xiàng)目組通過為期6個(gè)月的努力，完成了對(duì)企業(yè)既定參數(shù)、規(guī)定性能的雙輪轂純電動(dòng)客車整車控制器的研發(fā)，工作內(nèi)容包括了對(duì)整車控制器硬件的設(shè)計(jì)加工、軟件的設(shè)計(jì)，并搭建平臺(tái)測(cè)試了整車控制器的功能，測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)功能可以實(shí)現(xiàn)，整車控制器性能可靠.下一步的工作任務(wù)是完成整車控制器的實(shí)車組裝與試驗(yàn)場(chǎng)實(shí)車測(cè)試，完成對(duì)整車控制器的產(chǎn)品開發(fā).

[1]張勁博.純電動(dòng)客車整車控制器研究[D].長春：吉林大學(xué)，2008.

[2]段付德.電動(dòng)微客整車控制器的研究與開發(fā)[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2016.

[3]郭盟，南金瑞，郭峰.增程式電動(dòng)客車整車控制器的設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2013，（1）：7-12.

The Design and Realization of the Double-motor Controller of the Whole Vehicle

SHEN Jing-hong
(Sino-German School of Mechanicalamp;Electronic Technology,Wuxi Vocational College of Scienceamp;Technology,Wuxi,Jiangsu 214101,China)

As for the minibus with double-wheel motor,CAN can be chosen as the overall communication and Freescale K60 series microcontroller design as the vehicle controller.Meanwhile,modular design thinking is used to design the whole vehicle controller system to complete the design of hardware and software,and through bench testing,validation of design scheme will be realized.

double-wheel motor;Freescale K60;CAN

U463.2

A

1673-1972（2017）06-0035-05

2017-10-10

校企合作校級(jí)科技基金（指南）項(xiàng)目（RJ1601）

沈璟虹（1981-），女，江蘇無錫人，講師，主要從事汽車檢測(cè)與維修技術(shù)及電動(dòng)汽車研究.

（責(zé)任編輯 王穎莉）