高仲敏

摘 要：在“安全、節(jié)能、環(huán)?！钡内厔菹拢呻妱悠噹淼钠囯姎饣M(jìn)程在不斷加快。以電子控制為核心，以電驅(qū)動、電傳動、電制動和電轉(zhuǎn)向等為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的新一代汽車底盤系統(tǒng)已成為未來汽車工業(yè)發(fā)展的潮流與前沿。

關(guān)鍵詞：電動汽車；底盤控制；發(fā)展

1 汽車底盤控制發(fā)展概述

隨著電控技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)以及車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，車輛集成控制得到了長足的發(fā)展，汽車底盤系統(tǒng)的集成化程度不斷提升，綜合性能不斷提升。但是大多車輛集成控制研究，僅限于以車輛動力性，穩(wěn)定性為控制目標(biāo)，或以單純的經(jīng)濟(jì)性為控制目標(biāo)，而綜合考慮車輛動力性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等控制目標(biāo)的研究，尚不多見。十八世紀(jì)中期，汽車動力學(xué)集成控制開始出現(xiàn)并得到迅速發(fā)展。隨著四輪轉(zhuǎn)向等汽車電控技術(shù)的研發(fā)成功與廣泛應(yīng)用，部分汽車生產(chǎn)廠家開始思考TCS/ABS與四輪轉(zhuǎn)向等電控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制問題。1985年，日本日產(chǎn)公司率先使用機(jī)電一體化技術(shù)，將電控自動變速器、發(fā)動機(jī)電控系統(tǒng)、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、ABS以及舒適性控制系統(tǒng)，一并加裝到其概念車CUE-X上，并在東京車展上得到業(yè)內(nèi)一致好評

2 電動汽車控制系統(tǒng)電子電氣架構(gòu)研究

電動汽車控制系統(tǒng)電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)的研究范疇主要包含以下幾個(gè)方面：（1）控制軟件系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，其中主要考慮軟件系統(tǒng)架構(gòu)的兼容性能，應(yīng)對突發(fā)狀況的應(yīng)急性能以及自動檢測與修復(fù)的性能；（2）確保電子電氣架構(gòu)具備較高的穩(wěn)定性與可靠性，同時(shí)采用適當(dāng)?shù)募軜?gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方法，來實(shí)現(xiàn)整車電源，傳輸線束與車載網(wǎng)絡(luò)的合理布置；（3）選澤合理的架構(gòu)優(yōu)化映射、分配算法，以實(shí)現(xiàn)電子電氣架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)合理布局與功能劃分。

2.1 汽車控制系統(tǒng)電子電氣架構(gòu)分析

由于大量電子計(jì)算機(jī)嵌入式技術(shù)、控制器集成技術(shù)、智能化控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電動汽車控制系統(tǒng)數(shù)量增加，結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，這必將為電動汽車電子電氣架構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來種種挑戰(zhàn)。首先車載通訊網(wǎng)絡(luò)的控制節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅增加，傳輸信息量增加，且信號傳輸對速率的要求更加復(fù)雜，對硬件系統(tǒng)的冗余能力要求更高；其次，驅(qū)動電機(jī)大功率開關(guān)，高壓通電線等電磁輻射設(shè)備的存在，將使通訊信號的傳輸受到不同程度的干擾，硬件架構(gòu)的電磁兼容性能設(shè)計(jì)難度加大。2006 年，歐盟針對汽車電子電氣架構(gòu)與控制軟硬件架構(gòu)進(jìn)行深入研究，并實(shí)施了EASIS（Electronic Architecture and System Engineering for Integrated Safety Systems）計(jì)劃，最終推出 ISS（Integrated Safety Systems）集成安全系統(tǒng)。EASIS 計(jì)劃主要面向汽車系統(tǒng)可靠性與開發(fā)流程、系統(tǒng)驗(yàn)證策略、汽車 ISS 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。對軟硬件及通訊網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性能進(jìn)行了改進(jìn)，探索了基于無線網(wǎng)關(guān)的車輛內(nèi)外部通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換方法。采取軟硬件冗余與容錯(cuò)相互結(jié)合的方法進(jìn)行傳感器布置，基于能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙電源系統(tǒng)。通過對基于線控轉(zhuǎn)向原理的試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)臺驗(yàn)證，充分證明了 ISS 系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

世界各大汽車廠商及零部件廠商，紛紛推出各自的新一代汽車電子電氣硬件系統(tǒng)。順應(yīng)車輛電氣化與智能化趨勢的新一代電子電氣架構(gòu)主要包括：底盤總線、動力總線、儀表總線、診斷總線、娛樂總線及相關(guān)控制節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，為了進(jìn)一步提升汽車電子電氣架構(gòu)的開發(fā)效率，完善開發(fā)流程，德國卡爾斯魯厄工學(xué)院（KIT）、卡爾斯魯厄信息技術(shù)研究中心（FZI）與同戴姆勒集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)了汽車電子電氣架構(gòu)開發(fā)與設(shè)計(jì)工具PREEvision 以及汽車電子電氣架構(gòu)的高效建模工具，明顯提高了開發(fā)效率。

2.2 電動汽車控制系統(tǒng)電子電氣架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)硬件配置方案

本文以一汽 B50 轎車為基礎(chǔ)，拆除了發(fā)動機(jī)和部分底盤系統(tǒng)，安裝了動力電池、輪轂電機(jī)、EHB 等線控系統(tǒng)，建立了新一代電動汽車系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件配置如下圖。

試驗(yàn)樣車采用四輪獨(dú)立驅(qū)動的方式，每個(gè)車輪分別配置有輪轂電機(jī)、電機(jī)控制器、輪速傳感器和輪缸壓力傳感器。（1）動力系統(tǒng)。動力系統(tǒng)以 BMS 為控制核心，同時(shí)協(xié)調(diào) DC/DC 變壓充電器為 12V 車載鉛酸蓄電池充電，保證點(diǎn)火線圈、儀表板、照明系統(tǒng)等用電設(shè)備供電。所有用電設(shè)備電壓可以靈活選擇，并且每個(gè)設(shè)備功率可以獨(dú)立控制。為了保證輪轂電機(jī)的功率需求，采用高壓動力母線直接供電。（2）車載網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)基于 CAN 總線車載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，總線節(jié)點(diǎn)包括：電機(jī) ECU（Electronic Control Unit），電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）ECU，車輛中央控制單元（Vehicle Control Unit，VCU），橫擺角速度傳感器，側(cè)向加速度傳感器和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器。在 AUTOSAR 架構(gòu)的基礎(chǔ)上，整合 VCU、EPS 控制器與 EHB 控制器。

3 電動汽車控制技術(shù)的發(fā)展趨勢與展望

（1）電動汽車在能量管理控制方面與傳統(tǒng)汽車有很大的不同。電動汽車的能量傳遞具有雙向性，在驅(qū)動時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)從電能到驅(qū)動電機(jī)，再到車輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械能的轉(zhuǎn)化過程，在制動時(shí)，驅(qū)動電機(jī)也可充當(dāng)發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)從車輛執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械能到電池電能的轉(zhuǎn)化過程。由于當(dāng)前電池技術(shù)的制約，電動汽車的續(xù)航能力成為其發(fā)展的瓶頸。目前各大汽車廠商及研發(fā)機(jī)構(gòu)增加電動汽車?yán)m(xù)航里程的普遍做法是增加車載電池的容量，但顧此失彼的是，同時(shí)增加了汽車的重量，又會帶來其他的種種問題。針對以上問題，應(yīng)該從提高電能的利用效率入手，提高電機(jī)的工作效率，盡量使其工作于高效率區(qū)。

（2）當(dāng)前，汽車控制大多基于給定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如對 4WD/4WS 的車輛進(jìn)行控制、或?qū)ρb有 AFS 與 ESP 的車輛進(jìn)行控制），控制架構(gòu)受限于給定的硬件結(jié)構(gòu)。本文旨在設(shè)計(jì)一種通用的車輛控制架構(gòu)，可以滿足多種車輛結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)不必考慮特定的執(zhí)行器形式。將車輛的各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一抽象化處理，按照各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各項(xiàng)特性，把其看做力的產(chǎn)生器與目標(biāo)產(chǎn)生器，使得控制架構(gòu)能夠根據(jù)實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)量和類型，在控制結(jié)構(gòu)上作出歸一化調(diào)整，使得控制架構(gòu)具有名副其實(shí)的通用性。異于傳統(tǒng)的控制架構(gòu)，在此控制架構(gòu)中，某個(gè)執(zhí)行器加入或離開系統(tǒng)時(shí)，控制架構(gòu)不需做重大改變，仍可適應(yīng)控制系統(tǒng)的需求。

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