純電動汽車整車控制器原理及功能解析

整車控制器是電動汽車正常行駛的控制中樞，是整車控制系統(tǒng)的核心部件，是純電動汽車的正常行駛、再生制動能量回收、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)，而汽車零部件供應商能夠提供整車控制器硬件和底層驅動程序?，F(xiàn)階段國外對純電動汽車整車控制器的研究主要集中在以輪轂電機驅動的純電動汽車。對于只有一個電機的純電動汽車通常不配備整車控制器，而是利用電機控制器進行整車控制。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自完成對輸入信號的采集，并根據(jù)控制策略對數(shù)據(jù)進行分析和處理，然后直接對各執(zhí)行機構發(fā)出控制指令，驅動純電動汽車的正常行駛。集中式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是處理集中、響應快和成本低;缺點是電路復雜，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，同時通過CAN總線與電機控制器和電池管理系統(tǒng)通信，電機控制器和電池管理系統(tǒng)分別將各自采集的整車信號通過CAN總線傳遞給整車控制器。整車控制器根據(jù)整車信息，并結合控制策略對數(shù)據(jù)進行分析和處理，電機控制器和電池管理系統(tǒng)收到控制指令后，根據(jù)電機和電池當前的狀態(tài)信息，控制電機運轉和電池放電。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點是模塊化和復雜度低;缺點是成本相對較高。

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總線接收電機控制器和電池管理系統(tǒng)的信息，并對電機控制器、電池管理系統(tǒng)和車載信息顯示系統(tǒng)發(fā)送控制指令。電機控制器和電池管理系統(tǒng)分別負責驅動電機和動力電池組的監(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、開關量調理、模擬量調理、繼電器驅動、高速CAN總線接口、電源等模塊。

某公司開發(fā)的純電動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，綜合考慮純電動汽車整車控制器的功能及其運行的外界環(huán)境，微控制器模塊應該具有高速的數(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。

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

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

(4)繼電器驅動模塊繼電器驅動模塊用于驅動多個繼電器，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，并對蓄電池電壓進行監(jiān)控，與微控制器相連。

整車控制器對電動汽車動力鏈的各個環(huán)節(jié)進行管理、協(xié)調和監(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，通過CAN總線獲得驅動電機和動力電池系統(tǒng)的相關信息，進行分析和運算，通過CAN總線給出電機控制和電池管理指令，實現(xiàn)整車驅動控制、能量優(yōu)化控制和制動能量回收控制。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)關及網(wǎng)絡管理功能。

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、制動踏板信號和擋位開關信號等駕駛信息，同時接收CAN總線上電機控制器和電池管理系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并結合整車控制策略對這些信息進行分析和判斷，提取駕駛員的駕駛意圖和車輛運行狀態(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。整車控制器應該具備以下基本功能。

(1)對汽車行駛控制的功能電動汽車的驅動電機必須按照駕駛員意圖輸出驅動或制動轉矩。當駕駛員踩下加速踏板或制動踏板時，驅動電機要輸出一定的驅動功率或再生制動功率。踏板開度越大，驅動電機的輸出功率越大。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;對整車各子系統(tǒng)的發(fā)送控制指令，以實現(xiàn)車輛的正常行駛。

(2)整車的網(wǎng)絡化管理整車控制器是電動汽車眾多控制器中的一個，是CAN總線中的一個節(jié)點。在整車網(wǎng)絡管理中，整車控制器是信息控制的中心，負責信息的組織與傳輸、網(wǎng)絡狀態(tài)的監(jiān)控、網(wǎng)絡節(jié)點的管理以及網(wǎng)絡故障的診斷與處理。

(3)對制動能量的回收純電動汽車區(qū)別于內(nèi)燃機汽車的重要特征就是能夠進行制動能量回收，這是通過將純電動汽車的電機工作在再生制動狀態(tài)來實現(xiàn)，整車控制器分析駕駛員制動意圖、動力電池組狀態(tài)和驅動電機狀態(tài)等消息，并結合制動能量回收控制策略，在滿足制動能量回收的條件下對電機控制器發(fā)送電機模式指令和轉矩指令，使得驅動電機工作在發(fā)電模式，在不影響制動性能的前提下將電制動回收的能量儲存在動力電池組中，從而實現(xiàn)制動能量回收。

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

(5)對車輛狀態(tài)的監(jiān)測和顯示整車控制器通過直接采集信號和接收CAN總線上的數(shù)據(jù)的方式獲得車輛運行的實時數(shù)據(jù)，包括速度、電機的工作模式、轉矩、轉速、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總線將這些實時信息發(fā)送到車載信息顯示系統(tǒng)進行顯示。此外整車控制器定時檢測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，并對相應的緊急情況采取合理的措施進行處理，防止極端狀況的發(fā)生，使得駕駛員能夠直接、準確地獲取車輛當前的運行狀態(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，及時進行相應安全保護處理。對于不太嚴重的故障，能做到低速行駛到附近維修站進行檢修。

(7)外接充電管理實現(xiàn)充電的連接，監(jiān)控充電過程，報告充電狀態(tài)，充電結束。

(8)診斷設備的在線診斷和下線檢測負責與外部診斷設備的連接和診斷通信，實現(xiàn)UDS診斷服務，包括數(shù)據(jù)流的讀取，故障碼的讀取和清除，控制端口的調試。

下圖是純電動汽車整車控制器實例，它通過采集行車及充電過程中的控制信號，判斷駕駛員意圖，通過CAN總線對整車電控設備進行管理和調度，并針對不同車型采用不同的控制策略，實現(xiàn)整車驅動控制、能量優(yōu)化控制、制動能量回收控制和網(wǎng)絡管理。整車控制器運用了微型計算機、智能功率驅動、CAN總線等技術，具有動態(tài)響應好、采樣精度高、抗干擾能力強、可靠性好等特點。

純電動汽車整車控制器實例

3. 整車控制器設計要求

直接向整車控制器發(fā)送信號的傳感器包括加速踏板傳感器、制動踏板傳感器和擋位開關，其中加速踏板傳感器和制動踏板傳感器輸出模擬信號，擋位開關輸出信號是開關量信號。整車控制器通過向電機控制器、電池管理系統(tǒng)發(fā)送指令間接控制驅動電機運轉和動力電池充放電，通過控制主繼電器來實現(xiàn)車載模塊的通斷電。

根據(jù)整車控制網(wǎng)絡的構成以及對整車控制器輸入和輸出信號的分析，整車控制器應滿足以下技術要求。

① 設計硬件電路時，應該充分考慮電動汽車的行駛環(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該具備一定的自保護能力，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、準確地采集各種輸入信息，至少具備兩路A/D轉換通道用于采集加速踏板信號和制動踏板信號，應該具有多個開關量輸入通道，用于采集汽車擋位信號，同時應該具有多個用于驅動車載繼電器的功率驅動信號輸出通道。

③ 整車控制器應該具備多種通信接口，CAN通信接口用于與電機控制器、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通信，同時預留了一個RS-485/422通信接口，這可以將不支持CAN通信的設備兼容，例如某些型號的車載觸摸屏。

④ 不同路況條件下，汽車會遇到不同的沖擊和振動，整車控制器應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