純電動(dòng)汽車整車控制器原理及功能解析

整車控制器是電動(dòng)汽車正常行駛的控制中樞，是整車控制系統(tǒng)的核心部件，是純電動(dòng)汽車的正常行駛、再生制動(dòng)能量回收、故障診斷處理和車輛狀態(tài)監(jiān)視等功能的主要控制部件。

整車控制器包括硬件和軟件兩大組成部分，它的核心軟件和程序一般由生產(chǎn)廠商研發(fā)，而汽車零部件供應(yīng)商能夠提供整車控制器硬件和底層驅(qū)動(dòng)程序?，F(xiàn)階段國外對(duì)純電動(dòng)汽車整車控制器的研究主要集中在以輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)汽車。對(duì)于只有一個(gè)電機(jī)的純電動(dòng)汽車通常不配備整車控制器，而是利用電機(jī)控制器進(jìn)行整車控制。國外很多大企業(yè)都能夠提供成熟的整車控制器方案，如大陸、博世、德爾福等。

1. 整車控制器組成與原理

純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)主要分為集中式控制和分布式控制兩種方案。

集中式控制系統(tǒng)的基本思想是整車控制器獨(dú)自完成對(duì)輸入信號(hào)的采集，并根據(jù)控制策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后直接對(duì)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令，驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的正常行駛。集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是處理集中、響應(yīng)快和成本低;缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，并且不易散熱。

分布式控制系統(tǒng)的基本思想是整車控制器采集一些駕駛員信號(hào)，同時(shí)通過CAN總線與電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)通信，電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)分別將各自采集的整車信號(hào)通過CAN總線傳遞給整車控制器。整車控制器根據(jù)整車信息，并結(jié)合控制策略對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)收到控制指令后，根據(jù)電機(jī)和電池當(dāng)前的狀態(tài)信息，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和電池放電。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是模塊化和復(fù)雜度低;缺點(diǎn)是成本相對(duì)較高。

典型分布式整車控制系統(tǒng)示意圖如下圖所示，整車控制系統(tǒng)的頂層是整車控制器，整車控制器通過CAN總線接收電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)的信息，并對(duì)電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)和車載信息顯示系統(tǒng)發(fā)送控制指令。電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)分別負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池組的監(jiān)控與管理，車載信息顯示系統(tǒng)用于顯示車輛當(dāng)前的狀態(tài)信息等。

典型分布式整車控制系統(tǒng)示意圖

下圖為某公司開發(fā)的純電動(dòng)汽車整車控制器組成原理圖。整車控制器的硬件電路包括微控制器、開關(guān)量調(diào)理、模擬量調(diào)理、繼電器驅(qū)動(dòng)、高速CAN總線接口、電源等模塊。

某公司開發(fā)的純電動(dòng)汽車整車控制器組成原理圖

(1)微控制器模塊微控制器模塊是整車控制器的核心，綜合考慮純電動(dòng)汽車整車控制器的功能及其運(yùn)行的外界環(huán)境，微控制器模塊應(yīng)該具有高速的數(shù)據(jù)處理性能、豐富的硬件接口、低成本和可靠性高的特點(diǎn)。

(2)開關(guān)量調(diào)理模塊開關(guān)量調(diào)理模塊用于開關(guān)輸入量的電平轉(zhuǎn)換和整型，其一端與多個(gè)開關(guān)量傳感器相連，另一端與微控制器相接。

(3)模擬量調(diào)理模塊模擬量調(diào)理模塊用于采集加速踏板和制動(dòng)踏板的模擬信號(hào)，并輸送給微控制器。

(4)繼電器驅(qū)動(dòng)模塊繼電器驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)多個(gè)繼電器，其一端通過光電隔離器與微控制器相連，另一端與多個(gè)繼電器相接。

(5)高速CAN總線接口模塊高速CAN總線接口模塊用于提供高速CAN總線接口，其一端通過光電隔離器與微控制器相連，另一端與系統(tǒng)高速CAN總線相接。

(6)電源模塊電源模塊為微處理器和各輸入、輸出模塊提供隔離電源，并對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行監(jiān)控，與微控制器相連。

整車控制器對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和監(jiān)控，以提高整車能量利用效率，確保安全性和可靠性。整車控制器采集駕駛員駕駛信號(hào)，通過CAN總線獲得驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力電池系統(tǒng)的相關(guān)信息，進(jìn)行分析和運(yùn)算，通過CAN總線給出電機(jī)控制和電池管理指令，實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)控制、能量優(yōu)化控制和制動(dòng)能量回收控制。整車控制器還具有綜合儀表接口功能，可顯示整車狀態(tài)信息;具備完善的故障診斷和處理功能;具有整車網(wǎng)關(guān)及網(wǎng)絡(luò)管理功能。

2. 整車控制器基本功能

整車控制器通過采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)和擋位開關(guān)信號(hào)等駕駛信息，同時(shí)接收CAN總線上電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并結(jié)合整車控制策略對(duì)這些信息進(jìn)行分析和判斷，提取駕駛員的駕駛意圖和車輛運(yùn)行狀態(tài)信息，最后通過CAN總線發(fā)出指令來控制各部件控制器的工作，保證車輛的正常行駛。整車控制器應(yīng)該具備以下基本功能。

(1)對(duì)汽車行駛控制的功能電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須按照駕駛員意圖輸出驅(qū)動(dòng)或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)駕駛員踩下加速踏板或制動(dòng)踏板時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)要輸出一定的驅(qū)動(dòng)功率或再生制動(dòng)功率。踏板開度越大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出功率越大。因此，整車控制器要合理解釋駕駛員操作;接收整車各子系統(tǒng)的反饋信息，為駕駛員提供決策反饋;對(duì)整車各子系統(tǒng)的發(fā)送控制指令，以實(shí)現(xiàn)車輛的正常行駛。

(2)整車的網(wǎng)絡(luò)化管理整車控制器是電動(dòng)汽車眾多控制器中的一個(gè)，是CAN總線中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。在整車網(wǎng)絡(luò)管理中，整車控制器是信息控制的中心，負(fù)責(zé)信息的組織與傳輸、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理以及網(wǎng)絡(luò)故障的診斷與處理。

(3)對(duì)制動(dòng)能量的回收純電動(dòng)汽車區(qū)別于內(nèi)燃機(jī)汽車的重要特征就是能夠進(jìn)行制動(dòng)能量回收，這是通過將純電動(dòng)汽車的電機(jī)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)，整車控制器分析駕駛員制動(dòng)意圖、動(dòng)力電池組狀態(tài)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)等消息，并結(jié)合制動(dòng)能量回收控制策略，在滿足制動(dòng)能量回收的條件下對(duì)電機(jī)控制器發(fā)送電機(jī)模式指令和轉(zhuǎn)矩指令，使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作在發(fā)電模式，在不影響制動(dòng)性能的前提下將電制動(dòng)回收的能量儲(chǔ)存在動(dòng)力電池組中，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收。

(4)整車能量管理和優(yōu)化在純電動(dòng)汽車中，動(dòng)力電池除了給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電以外，還要給電動(dòng)附件供電，因此，為了獲得最大的續(xù)駛里程，整車控制器將負(fù)責(zé)整車的能量管理，以提高能量的利用率。在電池的SOC值比較低的時(shí)候，整車控制器將對(duì)某些電動(dòng)附件發(fā)出指令，限制電動(dòng)附件的輸出功率，來增加續(xù)駛里程。

(5)對(duì)車輛狀態(tài)的監(jiān)測和顯示整車控制器通過直接采集信號(hào)和接收CAN總線上的數(shù)據(jù)的方式獲得車輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括速度、電機(jī)的工作模式、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電池的剩余電量、總電壓、單體電壓、電池溫度和故障等信息，然后通過CAN總線將這些實(shí)時(shí)信息發(fā)送到車載信息顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。此外整車控制器定時(shí)檢測CAN總線上各模塊的通信，如果發(fā)現(xiàn)總線上某一節(jié)點(diǎn)不能夠正常通信，則在車載信息顯示系統(tǒng)上顯示該故障信息，并對(duì)相應(yīng)的緊急情況采取合理的措施進(jìn)行處理，防止極端狀況的發(fā)生，使得駕駛員能夠直接、準(zhǔn)確地獲取車輛當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)信息。

(6)故障診斷與處理連續(xù)監(jiān)測整車電控系統(tǒng)，進(jìn)行故障診斷。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(duì)于不太嚴(yán)重的故障，能做到低速行駛到附近維修站進(jìn)行檢修。

(7)外接充電管理實(shí)現(xiàn)充電的連接，監(jiān)控充電過程，報(bào)告充電狀態(tài)，充電結(jié)束。

(8)診斷設(shè)備的在線診斷和下線檢測負(fù)責(zé)與外部診斷設(shè)備的連接和診斷通信，實(shí)現(xiàn)UDS診斷服務(wù)，包括數(shù)據(jù)流的讀取，故障碼的讀取和清除，控制端口的調(diào)試。

下圖是純電動(dòng)汽車整車控制器實(shí)例，它通過采集行車及充電過程中的控制信號(hào)，判斷駕駛員意圖，通過CAN總線對(duì)整車電控設(shè)備進(jìn)行管理和調(diào)度，并針對(duì)不同車型采用不同的控制策略，實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)控制、能量優(yōu)化控制、制動(dòng)能量回收控制和網(wǎng)絡(luò)管理。整車控制器運(yùn)用了微型計(jì)算機(jī)、智能功率驅(qū)動(dòng)、CAN總線等技術(shù)，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、采樣精度高、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性好等特點(diǎn)。

純電動(dòng)汽車整車控制器實(shí)例

3. 整車控制器設(shè)計(jì)要求

直接向整車控制器發(fā)送信號(hào)的傳感器包括加速踏板傳感器、制動(dòng)踏板傳感器和擋位開關(guān)，其中加速踏板傳感器和制動(dòng)踏板傳感器輸出模擬信號(hào)，擋位開關(guān)輸出信號(hào)是開關(guān)量信號(hào)。整車控制器通過向電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)發(fā)送指令間接控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和動(dòng)力電池充放電，通過控制主繼電器來實(shí)現(xiàn)車載模塊的通斷電。

根據(jù)整車控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成以及對(duì)整車控制器輸入和輸出信號(hào)的分析，整車控制器應(yīng)滿足以下技術(shù)要求。

① 設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，應(yīng)該充分考慮電動(dòng)汽車的行駛環(huán)境，注重電磁兼容性，提高抗干擾能力。整車控制器在軟硬件上都應(yīng)該具備一定的自保護(hù)能力，以防止極端情況的發(fā)生。

② 整車控制器需要有足夠多的I/O接口，能夠快速、準(zhǔn)確地采集各種輸入信息，至少具備兩路A/D轉(zhuǎn)換通道用于采集加速踏板信號(hào)和制動(dòng)踏板信號(hào)，應(yīng)該具有多個(gè)開關(guān)量輸入通道，用于采集汽車擋位信號(hào)，同時(shí)應(yīng)該具有多個(gè)用于驅(qū)動(dòng)車載繼電器的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出通道。

③ 整車控制器應(yīng)該具備多種通信接口，CAN通信接口用于與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)和車載信息顯示系統(tǒng)通信，RS232通信接口用于與上位機(jī)通信，同時(shí)預(yù)留了一個(gè)RS-485/422通信接口，這可以將不支持CAN通信的設(shè)備兼容，例如某些型號(hào)的車載觸摸屏。

④ 不同路況條件下，汽車會(huì)遇到不同的沖擊和振動(dòng)，整車控制器應(yīng)該具備良好的抗沖擊性，才能保證汽車的可靠性和安全性。

審核編輯：湯梓紅