纯电动汽车整车控制器的设计

汪静

摘 要：纯电动汽车不仅仅是作为整车控制器的调控中心，同时也在整车控制器中起到核心作用。文章给出了纯电动汽车整车控制系统的基本结构，以及整车的工作方式，在此基础上提出了不同的工作方式下对应的各种控制策略。紧接着根据其控制策略设计了整车控制器的相关硬件电路，最后结合整车控制器的硬件电路和控制策略，完成了整车控制器的主程序和各个子程序的整体设计。

关键词：纯电动汽车；整车控制器；硬件设计；程序设计

随着社会的发展与科技的进步，各个城市的汽车使用户喷井式增加。传统的内燃机汽车消耗石油，排出大量废气，使得城市的空气质量不断下降。纯电动汽车由于不使用传统化石能源，对环境不造成污染，受到人们的青睐。随着科技的进步，电动汽车的核心技术不断地革新与突破，逐渐完善的城市基础设施提供了有利的帮助，电动汽车已经成为潜力股，逐步取代传统汽车变为可能[1]。本文从汽车结构出发，结合整车信息传输过程，设计了整车控制器的软硬件结构。

1 整车控制器方案

1.1 纯电动汽车系统结构组成

如图1所示，纯电动汽车结构主要由6个部分组成：整车控制器、电力驱动系统、动力管理系统、逆变器、传动系统和车载仪表[2-3]。

整车控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）依据采集到的档位信号以及加速踏板信等，将控制信息发送给各类子系统；仪表显示系统实时显示汽车运行状态信息；电池管理系统为整车提供能量；电池组的输出电流随着电力驱动系统变换而变换从而驱动电机转动，进一步为整车提供能源；充电机为电池组进行充电。

1.2 通信网络

整车控制器通过CAN总线与各子系统通迅，CAN总线网络如图2所示。整车控制器通过CAN总线接收汽车运行时各子系统的任务状态信息，再结合从各类传感器收集的驾驶信息，由所对应的控制策略计算出各子系统所对应的控制信息，接着由CAN总线将对应的控制信息传输给电机控制器、电池管理器和车载充电机等组成部分当中，并向智能仪表发送实时的仪表显示信息以及告警信号，实现车辆的驱动控制，故障保护处理等。

1.3 纯电动汽车工作模式分析

整車控制器（Vehicle Controller Unit，VCU）的工作分为多个状态，总体可大致分为5个状态：上电状态、行车状态、停车状态、故障状态、充电状态[4-5]。

1.3.1 上电状态

钥匙转动到上电位置，VCU通电启动，首先进行系统自检，若VCU工作正常，再给电池组管理子系统、电机控制子系统、仪表设备等上电。当整车系统正常工作，则完成上电过程，VCU进入准备状态。

1.3.2 行车状态

行车状态即整车正常上电进入准备状态后的行车过程，在这个状态中VCU采集驾驶信号（档位信号、加速踏板开度、制动踏板开度等），配合当前的行车控制策略，从而可以输出相应控制信息并达到操作电机控制器的目的。

1.3.3 停车状态

汽车停止行驶，档位置于空挡位置，钥匙转动到断电位置。VCU控制各子系统进行断电过程，再自断电，完成停车工作。

1.3.4 故障状态

电动汽车整车故障分为两级。故障来源有BMS，CAN网络，电机控制器及各个子模块等。一级故障为不可接受故障，二级故障为可接受故障。一级故障发生时，整车不可运行，为紧急停止状态。二级故障发生时，限制汽车功率，继续运行。

1.3.5 充电状态

当汽车处于准备状态，VCU检测到充电信号后，发送充电信息给BMS。在BMS回应达到充电条件的信号后，进入充电状态。充电进程中VCU会持续接收来自BMS的信息，若出现故障，则中断充电过程。

2 整车控制器的硬件电路设计

整车控制器的硬件结构如图3所示，其硬件电路主要由6个部分组成，它们分别是：开关量采集模块、A/D采集模块、VCU最小系统、CAN通信模块、串口通信模块、功率驱动模块这6个模块。功率驱动模块用于驱动外部继电器，控制车载设备的上下电。开关量采集模块用于接收相关开关量信号，其信号主要分为档位信号、制动信号、充电信号这三大类别[6]。模拟量采集模块用于接收模拟量信号，主要是制动踏板开度大小以及加速踏板开度大小等信号。CAN通信模块其主要作用是用于与其他子系统进行通信。串口通信模块区别于CAN通信模块，其主要是用于与上位机之间的通信。

3 整车控制器的软件设计

3.1 主程序设计

整车控制器的主程序用于确定电动汽车的运行方式，其方式是依据驾驶信息和CAN总线采集到的其他子系统的状况信息从而进行判断。在系统上电后，首先进行上电初始化，系统自检，而后收集信号、故障诊断与处理，再进行工况判断与处理、仪表显现，最后进行数据通信。根据上述过程可以初步得到主程序流程图，其结果如图4所示。

3.2 子程序设计

由图4可以分析得到子程序的相关类别，其主要包括CAN通讯程序、工况判断与处理程序、故障诊断及处理程序等3个部分。

3.2.1 CAN通讯程序

CAN通讯程序包括CAN接收子程序以及CAN发送子程序。

（1）CAN信息发送。

CAN发送程序的相关流程如图5所示，在CAN发送环节的过程之中，发送数据的长度和总线时钟是首先被检查的对象，随后寻找空闲缓冲器，设置数据包的优先级以及长度，再写入数据到缓冲器。CAN信息发送的最后一步是清除发送标志位的使能信号发送，从而CAN信息的发送过程结束进入接收环节。

（2）CAN信息接收。

CAN接收程序如图6所示，进入CAN发送程序后，首先检查缓冲器的接收标志位，看是否收到数据。在确认数据被缓冲器接收到了情况下，进一步读取数据的长度及包含的数据，在这个过程结束后再清除接收标志位的使能信号，这样就完成了数据的接收。

3.2.2 故障诊断与处理

故障诊断与处理程序如图7所示，电动汽车的故障分为两级。一级故障发生时，汽车停止运行，关闭所有驱动信号。二级故障发生时，限制汽车运行功率。

3.2.3 工况处理

工况处理程序如图8所示，汽车的运行工况分为前进、后退、空档和制动4种模式。整车控制器确定车辆所处于的工况是以驾驶状态、电机状态及车辆运行状态这3个实时状态为依据进行判断的，在确定对应的工况后则发送相对应的控制信息。

4 结语

纯电动汽车控制系统具有较好的市场前景，并且有其一套完整的控制系统。其核心部件是整车控制器；电池组管理系统、电机驱动系统以及充电系统是它的3个外围辅助系统，在整个控制系统中也起着至关重要的作用。作为纯电动汽车控制系统的核心，整车控制器具有协调各个子系统的作用，在配合整车控制策略的同时可以更好地发挥其功能，从而使纯电动汽车能够正常行车。本文当中介绍了整车控制器与外围系统的通迅网络，并以此大致搭建了整车控制器的整体硬件电路；在此基础上依据整车控制策略，合理设计了整车控制软件，并达到预计的效果。

[参考文献]

[1]刘卓然，陈健，林凯，等.国内外电动汽车发展现状与趋势[J].电力建设，2015（7）：25-32.

[2]翟世欢，辛明华，于兰.纯电动汽车整车控制策略[J].汽车工程师，2014（12）：26-27.

[3]王思哲.纯电动汽车整车控制策略及其开发流程[J].机电产品开发与创新，2016（2）：84-85.

[4]邱会鹏.纯电动汽车整车控制器的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[5]李川.纯电动汽车整车控制器的设计[D].天津：天津大学，2016.

[6]马宇坤，郭艳萍，翟世欢，等.纯电动汽车整车控制器硬件设计[J].汽车工程师，2014（12）：30-33.