论电动汽车控制技术的发展趋势与展望

高仲敏

摘 要：在“安全、节能、环保”的趋势下，由电动汽车带来的汽车电气化进程在不断加快。以电子控制为核心，以电驱动、电传动、电制动和电转向等为执行机构的新一代汽车底盘系统已成为未来汽车工业发展的潮流与前沿。

关键词：电动汽车；底盘控制；发展

1 汽车底盘控制发展概述

随着电控技术、传感技术、智能控制技术以及车载网络技术的迅猛发展，车辆集成控制得到了长足的发展，汽车底盘系统的集成化程度不断提升，综合性能不断提升。但是大多车辆集成控制研究，仅限于以车辆动力性，稳定性为控制目标，或以单纯的经济性为控制目标，而综合考虑车辆动力性、稳定性、经济性等控制目标的研究，尚不多见。十八世纪中期，汽车动力学集成控制开始出现并得到迅速发展。随着四轮转向等汽车电控技术的研发成功与广泛应用，部分汽车生产厂家开始思考TCS/ABS与四轮转向等电控系统的协调控制问题。1985年，日本日产公司率先使用机电一体化技术，将电控自动变速器、发动机电控系统、四轮转向系统、ABS以及舒适性控制系统，一并加装到其概念车CUE-X上，并在东京车展上得到业内一致好评

2 电动汽车控制系统电子电气架构研究

电动汽车控制系统电子电气架构设计的研究范畴主要包含以下几个方面：（1）控制软件系统架构的设计，其中主要考虑软件系统架构的兼容性能，应对突发状况的应急性能以及自动检测与修复的性能；（2）确保电子电气架构具备较高的稳定性与可靠性，同时采用适当的架构最优设计方法，来实现整车电源，传输线束与车载网络的合理布置；（3）選泽合理的架构优化映射、分配算法，以实现电子电气架构的标准合理布局与功能划分。

2.1 汽车控制系统电子电气架构分析

由于大量电子计算机嵌入式技术、控制器集成技术、智能化控制技术的广泛应用，电动汽车控制系统数量增加，结构变得更加复杂，这必将为电动汽车电子电气架构的设计带来种种挑战。首先车载通讯网络的控制节点数量大幅增加，传输信息量增加，且信号传输对速率的要求更加复杂，对硬件系统的冗余能力要求更高；其次，驱动电机大功率开关，高压通电线等电磁辐射设备的存在，将使通讯信号的传输受到不同程度的干扰，硬件架构的电磁兼容性能设计难度加大。2006 年，欧盟针对汽车电子电气架构与控制软硬件架构进行深入研究，并实施了EASIS（Electronic Architecture and System Engineering for Integrated Safety Systems）计划，最终推出 ISS（Integrated Safety Systems）集成安全系统。EASIS 计划主要面向汽车系统可靠性与开发流程、系统验证策略、汽车 ISS 系统软硬件架构设计进行研究。对软硬件及通讯网络的容错性能进行了改进，探索了基于无线网关的车辆内外部通讯协议转换方法。采取软硬件冗余与容错相互结合的方法进行传感器布置，基于能量管理系统设计双电源系统。通过对基于线控转向原理的试验样机进行试验台验证，充分证明了 ISS 系统的可靠性与稳定性。

世界各大汽车厂商及零部件厂商，纷纷推出各自的新一代汽车电子电气硬件系统。顺应车辆电气化与智能化趋势的新一代电子电气架构主要包括：底盘总线、动力总线、仪表总线、诊断总线、娱乐总线及相关控制节点。同时，为了进一步提升汽车电子电气架构的开发效率，完善开发流程，德国卡尔斯鲁厄工学院（KIT）、卡尔斯鲁厄信息技术研究中心（FZI）与同戴姆勒集团联合开发了汽车电子电气架构开发与设计工具PREEvision 以及汽车电子电气架构的高效建模工具，明显提高了开发效率。

2.2 电动汽车控制系统电子电气架构设计

（1）系统硬件配置方案

本文以一汽 B50 轿车为基础，拆除了发动机和部分底盘系统，安装了动力电池、轮毂电机、EHB 等线控系统，建立了新一代电动汽车系统，系统硬件配置如下图。

试验样车采用四轮独立驱动的方式，每个车轮分别配置有轮毂电机、电机控制器、轮速传感器和轮缸压力传感器。（1）动力系统。动力系统以 BMS 为控制核心，同时协调 DC/DC 变压充电器为 12V 车载铅酸蓄电池充电，保证点火线圈、仪表板、照明系统等用电设备供电。所有用电设备电压可以灵活选择，并且每个设备功率可以独立控制。为了保证轮毂电机的功率需求，采用高压动力母线直接供电。（2）车载网络。系统基于 CAN 总线车载网络进行数据通讯，总线节点包括：电机 ECU（Electronic Control Unit），电池管理系统（Battery Management System，BMS）ECU，车辆中央控制单元（Vehicle Control Unit，VCU），横摆角速度传感器，侧向加速度传感器和方向盘转角传感器。在 AUTOSAR 架构的基础上，整合 VCU、EPS 控制器与 EHB 控制器。

3 电动汽车控制技术的发展趋势与展望

（1）电动汽车在能量管理控制方面与传统汽车有很大的不同。电动汽车的能量传递具有双向性，在驱动时，可以实现从电能到驱动电机，再到车辆执行机构机械能的转化过程，在制动时，驱动电机也可充当发电机，实现从车辆执行机构的机械能到电池电能的转化过程。由于当前电池技术的制约，电动汽车的续航能力成为其发展的瓶颈。目前各大汽车厂商及研发机构增加电动汽车续航里程的普遍做法是增加车载电池的容量，但顾此失彼的是，同时增加了汽车的重量，又会带来其他的种种问题。针对以上问题，应该从提高电能的利用效率入手，提高电机的工作效率，尽量使其工作于高效率区。

（2）当前，汽车控制大多基于给定的执行机构（如对 4WD/4WS 的车辆进行控制、或对装有 AFS 与 ESP 的车辆进行控制），控制架构受限于给定的硬件结构。本文旨在设计一种通用的车辆控制架构，可以满足多种车辆结构，设计时不必考虑特定的执行器形式。将车辆的各种执行机构进行统一抽象化处理，按照各执行机构的各项特性，把其看做力的产生器与目标产生器，使得控制架构能够根据实际执行机构的数量和类型，在控制结构上作出归一化调整，使得控制架构具有名副其实的通用性。异于传统的控制架构，在此控制架构中，某个执行器加入或离开系统时，控制架构不需做重大改变，仍可适应控制系统的需求。

参考文献

[1]宗长富，李刚，郑宏宇等.线控汽车底盘控制技术研究进展及展望[J].中国公路学报，2013，26（2）：160-176.

[2]陈贞福.汽车底盘控制技术的现状和发展趋势[J].汽车工程，2006，28（2）：105-113.

[3]喻凡，李道飞.车辆动力学集成控制综述[J].农业机械学报，2008，39（6）：1-7.

[4]姜炜，余卓平，张立军.汽车底盘集成控制综述[J].汽车工程，2007，29（5）：420-425.