电动汽车整车控制系统介绍

李晓林

摘 要:本文介绍了纯电动汽车整车电气系统功能、整车控制系统配置、功能、研发流程及测试方法。整车控制器是整车设计的一部分,必须根据整车性能要求和选用的各总成单元性能进行参数匹配,使整车整体性能达到设计要求。为加快研发速度、规避研发风险及降低研发费用,整车控制系统有必要采取系统仿真技术、半实物仿真或台架试验。根据实际条件,可选择不同的试验手段。应在道路试验前,尽量做出完备的测试。

关键词:纯电动汽车整车控制器系统建模仿真半实物仿真测试

中图分类号:U469 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)07(a)-0027-03

本文主要探讨纯电动汽车整车控制系统功能及研发流程。根据用途,整个电气系统可分为动力系统、能源系统、底盘电子控制系统、照明指示系统、仪表显示系统、辅助系统、整车综合控制系统、空调系统和舒适性安全系统等子系统。其中很多功能模块都需要和整车综合控制系统相关。整车电气系统列出如表1所示。

整车综合控制系统根据驾驶员的操作指示(油门、刹车等),综合汽车当前的状态解释出驾驶员的意图,并根据各个单元的当前状态作出最优协调控制。

1整车控制器系统配置

整车控制器与整车其他电气系统连接如图1所示。整车控制器通过CAN总线与电池ECU、电机ECU、电源分配ECU、ABS系统、中控门锁、仪表显示系统连接。与其余的电气系统通过IO端口连接(也可使用CAN通讯)。下面分别对各电气单元的功能要求分别叙述。

1.1 动力系统提供整车的动力输出,其核心是驱动电机和电机驱动ECU

电机驱动ECU通过CAN总线与整车综合控制器通讯。应能提供电机转速、转矩、功率、电压、电流、水温、工作模式等参数。并应该能接受整车控制器发来的控制命令。

1.2 能源系统包括电池、电池管理单元和电源分配系统

与整车控制器通讯的有电池管理ECU和电源分配ECU。

电池管理ECU对电池进行充放电管理及保护。它应能提供电池组总电压、电流、单体电池电压、温度、剩余电量、电池健康状态、故障类型等信息。

电源分配ECU应能提供各个子电源的电压、电流和工作温度以及故障类型等信息。

1.3 ABS系统应能提供各个车轮的转速、液压系统状态、各个制动阀的状态以及自身的工作状态等信息

1.4 中控门锁,应提供各车门状态等信息

1.5 仪表显示系统,应向整车控制系统提供所显示信息的全部内容

1.6 照明指示系统,可以通过CAN总线来控制,也可以通过IO来指示照明指示系统的运行状态

1.7 转向助力、制动助力、变速箱需提供档位位置、液压压力、工作状态等信息

可以是简单的开关量也可以用CAN总线通讯。

1.8 驾驶员的油门踏板和制动踏板经信号调理后接入到整车控制器内

2整车控制器详细功能

纯电动汽车的整车控制器的主要功能包括:汽车驱动控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN网络的维护和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视、行车记录等。整车控制器功能框图如图2所示。整车控制器通过CAN总线和IO端口来获得如加速踏板开度、电池SOC、车速等信息,并根据这些信息输出不同的控制动作。

下面分别介绍各部分实现的具体功能。

2.1 汽车驱动控制

根据司机的驾驶要求、车辆状态等状况,经分析和处理,向电机控制器发出指令,满足驾驶工况要求。包括启动、前进、倒退、回馈制动、故障检测和处理等工况。

2.2 整车能量优化管理

通过对电动汽车的电机驱动系统、电池管理系统、传动系统以及其它车载能源动力系统(如空调)的协调和管理,以获得最佳的能量利用率。

2.3 网络管理

整车控制器作为信息控制中心,负责组织信息传输,网络状态监控,网络节点管理等功能,网络故障诊断和处理。

2.4 回馈制动控制

根据制动踏板和加速踏板信息、车辆行驶状态信息、蓄电池状态信息,向电机控制器发出制动指令,在不影响原车制动性能的前提下,回收部分能量。

2.5 故障诊断和处理

连续监视整车电控系统,进行故障诊断。存储故障码,供维修时查看。故障指示灯指示出故障类别和部分故障码。根据故障内容,及时进行相应安全保护处理。对于不太严重的故障,能做到“跛行回家”。

2.6 车辆状态监测和显示

整车控制器通过传感器和CAN总线,检测车辆状态及其各子系统状态信息,驱动显示仪表,将状态信息和故障诊断信息经过显示仪表显示出来。显示内容包括:车速,里程,电机的转速、温度,电池的电量、电压、电流,故障信息等。

2.7 行车记录

行车记录记录一段时期内的整车运行数据记录,包括电池电压、电流、SOC、各单元温度、油门踏板/刹车踏板状态、车速等信息。

3整车控制器研发流程

整车控制器的主要功能是根据整车设计要求及选择的各单元总成的性能,采用适当的控制方法,使整车的整体功能/性能达到设计要求,并满足相关国标/行标要求。因此,整车控制器的功能/性能试验是和整车试验结合在一起的。而整车试验需经过多种试验方式,因而整车控制系统的试验也需经过多种试验过程。由于整车性能试验比较耗时耗力,因此有必要在整车道路试验前,尽量进行完备的仿真、测试和试验。因此,整车控制器研发过程中,仿真和测试是很重要的手段。整车控制器研发过程可分为参数计算、系统仿真、半实物在环系统仿真、台架及道路试验这四个阶段。

3.1 参数计算

参数计算阶段要根据整车设计提出的性能要求及各总成单元的性能,进行验证计算,并选择适当的控制参数及策略,使整车性能达到设计要求。和整车控制器相关的计算参数包括汽车一般参数、动力性参数、制动性参数。

整车设计总体要求及关键技术涉及的参数参见附录1。附录1中列出了纯电动汽车整车方案设计中各总成的技术参数。我们可根据附录1中所列出参数,选择适当的控制策略和控制参数,计算得到整车续行里程、动力特性、爬坡能力、加速能力、制动能力等参数。

3.2 系统建模仿真

系统仿真阶段可根据整车各总成建立相应模型,仿真验证参数计算的结果,并优化相关控制策略。一般EV常采用的仿真软件有Advisor、PSAT等。

仿真软件可以提供如下仿真功能。

3.2.1 道路仿真

仿真软件可提供道路循环、多重循环和测试过程三种仿真工况来仿真车辆的性能。

(1)道路循环提供了CYC_ECE、CYC_ FTP和CYC_1015等56种国外标准的道路循环供用户选择,另外提供了行程设计器可以将多达八种不同的道路循环任意组合在一起,综合仿真车辆的性能。

(2)多重循环功能可以用批处理的方式以相同的初始条件,快速计算和保存不同的道路循环情况下的仿真结果,并将它们显示在一起,供用户进行比较。

(3)测试过程包括TEST_CITY_HWY和TEST_FTP等八种标准的测试过程供用户选择仿真。

3.2.2 加速度性能仿真

该功能可以仿真以下车辆性能:三组从初速度加速到末速度所需要的最短时间、某一时间段内车辆行驶的最大距离、行驶某一段距离所需要的最短时间、最大加速度和最大速度。

3.2.3 爬坡能力仿真

在设置车辆速度、持续时间、质量和多能源动力系统等参数后,可以仿真出车辆在给定速度下的爬坡性能。

3.2.4 参数研究

该功能可以选择1～3个部件参数,在三维坐标图上用不同的颜色代表不同数值的方式,来分析这些参数对车辆的能源经济性和环保特性等性能的影响。

3.2.5 计算辅助电器的负荷

该功能可以计算车辆上辅助电器的能源消耗。这些电器设备包括除霜设备、收音机和照明设备等。用户定义这些设备的电流一电压特性和与道路循环相关联的使用时间等数据后,就可以仿真出辅助电器的负荷。

3.2.6 交互式仿真

该功能由系统控制、车辆控制与显示和仿真输出三部分组成,它支持实时地输入道路循环和动态显示每个仿真计算步长的结果。系统控制部分负责控制仿真速度和动态输入当前仿真时间步长的道路循环,它包括请求速度和坡度。车辆控制与显示部分模拟显示出车辆内部发动机转速表、车辆速度表、燃油表、能源储存系统的SOC表、加速踏板和换挡开关等仪表和控制开关的动态变化,用可视化的形式输出仿真结果。

3.3 半实物在环系统仿真

仿真技术是研究整车控制器的重要手段。但是,采用计算机仿真很难准确地反映实际情况,但随着计算机技术的高速发展和车辆动力学模型的不断完善,混合仿真技术已逐渐成为整车控制器开发的重要手段。这种技术是一种实时仿真技术,它把部分实际产品利用计算机接口嵌入到软件环境中去,并要求系统的软件和硬件都要实时运行,从而模拟整个系统的运行状态。

对电动汽车整车控制器进行半实物在环仿真,以模拟汽车驾驶环境为基础,通过模拟驾驶台,可以进行电动汽车的主要驾驶操作,并可得到车辆的主要响应信息。它可完成整车控制器软件调试、策略研究和功能测试等功能。其中软件调试要达到评估整车控制器的整车控制与调度的管理能力的目的,策略研究则要对主控制系统的策略可行性以及实用性提出意见。半实物在环系统仿真系统构成如图3所示。

3.4 台架及道路试验

试验是控制系统开发的重要手段,对于整车控制器必须进行完备的实验。一般试验分为台架试验和道路试验。为了保证上车之后的安全可靠,同时也可以避免上车调试的诸多不便,在上车调试之前,有必要进行台架试验。在保证各种控制逻辑和故障处理的正确性,优化整个控制系统和控制参数,以求达到提高整车的能量利用率的结果。台架试验结束后可进行整车道路试验。

3.4.1 台架试验

台架试验系统主要由整车控制器、电机、电机控制器、电池、电池管理系统等组成。电机和1台电力测功机相连,能实现对电机扭矩的测量和倒拖电机以实现回馈制动。电机控制器控制电机的一切操作,并管理电机的冷却风扇。电池管理系统负责对电池状态的监视和管理。整车控制器负责协调整车电器状态和电机扭矩的分配。

测功机可以根据试验要求对电机施加不同的扭矩,从而可以进行各种功能测试和路况模拟测试。

3.4.2 道路试验

尽管台架试验可模拟道路情况,但台架不能完全代替道路的实际情况。为了真正检验动力系统的在实际道路上的性能,需要进行实际道路试验。在实际的道路试验中,根据试验效果,可对驱动策略参数、制动回馈策略参数、能量管理策略参数以及CAN通讯调度参数等进行优化匹配。

3.4.3 车载监控及标定系统

为了配合台架及道路试验,需要一套车载监控及标定系统,来完成对整车实时监控及在线数据匹配标定功能。其主要功能包括:

(1)可以实时显示CAN总线上全部的通信内容,并依据应用协议进行解释,通过CAN总线可以监控车辆系统的全部信息。

(2)查看CAN总线网络的通信状况,包括网络负载情况、网络故障显示等。

(3)可以不丢帧地将CAN总线上的全部通信消息记录于硬盘。

(4)可以按实际运行状态,以文本和图形方式,回放所记录的CAN总线通信全过程,回放车辆和试验操作的全过程。

(5)可在线修改动力总成控制器中主要控制参数,进行系统匹配标定研究。

4结语

综上所述,整车控制器与整车选型设计密切相关,根据不同车型,整车控制器需调整不同的控制参数及控制策略。要点总结如下。

(1)整车控制器是整车设计的一部分,必须根据整车性能要求和选用的各总成单元性能进行参数匹配,使整车整体性能达到设计要求。

(2)为满足国标/行标,整车需进行道路试验。道路试验需要消耗大量的时间和费用,因此为加快研发速度、规避研发风险及降低研发费用,有必要采取系统仿真技术、半实物仿真或台架试验。根据实际条件,可选择不同的试验手段。应在道路试验前,尽量做出完备的测试。

(3)整车道路试验需要一套车载监控及标定系统。在道路试验中需对控制参数和策略进行优化。

(4)对于同款电动汽车,可能需要根据路况特点及应用特点,来优化整车控制器控制参数和策略。

(5)由于整车控制器对整车的动力性、制动性、安全性等均有影响,因此对其响应速度、可靠性及抗干扰能力要求极高。

(6)整车控制器可根据需要,增加/裁减不同功能,驱动控制、能量管理、故障检测是其基本功能。