技术笔记-整车控制系统

电动车动力总成控制系统方案1基本情况 22整车电气系统 43动力总成控制系统 53.1整车控制系统 73.2动力电池 93.3电池管理系统 103.4驱动电机 103.5电机控制器 113.6DC/DC 143.7组合仪表 143.8高压箱 143.9充电设备 153.10高压用电设备 153.11低压用电设备 154电动车控制策略设计 154.1车辆启动关闭控制策略 154.2动力电池安全启动控制策略 174.3电机驱动控制策略 174.3.1加速踏板信号处理 194.3.2制动踏板信号优先原则 204.4制动能量回馈控制策略 21 214.5故障诊断与安全控制策略 224.6通信管理 225纯电动车测试方案 235.1台架-仿真系统测试 235.2实车路试 23

1基本情况 该车型的基本参数如下： 表1.1电动车车身基本参数类别名称参数长X宽X高（mm）xx轴距（mm）整备质量（kg）00满载质量（kg）00轮胎型号滚动半径（m）主减速比 整车的性能指标如下：表1.2电动车性能指标项目名称参数驱动方式最高车速(km/h)最大爬坡度(匀速20km/h)(%)0~100km/h加速时间(s)60km/h匀速纯电动续驶里程(km)最大续驶里程(km)NEDC工况能耗(kWh/100km)2整车电气系统车辆上的电气系统，可分为低压电气系统和高压电气系统，简称电气系统，整个电气系统是动力总成控制系统的物理基础，是动力总成控制系统得以工作进而驱动车辆行驶的基本条件。低压电气系统。电源为车载蓄电池，电压为12V。为所有低压用电设备供电；高压电气系统。由动力电池供电，电压级别为350V。在驾驶员操作台前的方向盘边上，设置一红色的显著的电源开关。当车辆在必要时按动该红色开关切断车辆上的所有电源。电气系统使用标准的车用线束进行连接。是电气系统得以正常工作的绝对保证。合理分配继电器的数量。3动力总成控制系统电动车动力总成控制系统如下图：图3.1电动车动力总成控制系统框图图3.1电动车动力总成控制系统主要由整车控制系统、电机及其电机控制器、动力电池和电池管理系统、电池热管理系统、AC/DC(充电机)、DC/DC、空调、组合仪表等组成。3.1整车控制系统整车控制系统是电动车动力总成控制系统的控制核心，是一级控制单元，它通过识别驾驶员的操作意图（档位信号、加速踏板、制动踏板信号），控制动力电池输出高压，驱动电机转动，同时通过驱动车用组合仪表显示车辆当前的设备或系统信息如车速、电机转速、电机温度、电池电压、电池电流等。整车控制系统通过CAN总线与各动力子系统进行信息交互，并发出控制指令来驱动各子系统进行工作。整车控制系统负责维护CAN总线通信系统；当检测判断出某个系统不工作时会通过组合仪表或声控提示驾驶员，及时采取安全措施。负责车辆的故障诊断和处理，以保证车辆安全和能量的高效利用。整车控制系统的功能宗旨就是：保证汽车安全行驶和能量的高效利用。后续的所有控制策略就是围绕该功能宗旨进行设计与优化。整车控制系统输入的信号有数字信号、模拟信号和通过CAN总线通讯获得的各种数据，经过处理，然后再输出各种指令。整车控制系统的IO输入信号有：表3.1输入IO信号序号IO信号名称功能备注1KEY信号ACC所有低压设备上电2ON开动力电池高压信号3START启动电机转动信号4档位信号D档车辆前进信号5N档空档信号6R档倒车信号7手刹信号防止溜车现象可能不接该信号8模式控制信号纯电驱动信号91011其它信号空调工作信号正常、故障1213除霜机工作信号正常、故障14真空泵工作信号正常、故障15热管理系统工作信号正常、故障16暖风机工作信号正常、故障AD信号有如下：表3.2输入AD信号序号AD名称功能备注1加速踏板采集加速踏板开度需要标校2制动踏板采集制动踏板开度3车载12V电压值采集电压值输出IO信号表3.3输出IO信号序号输出IO信号功能备注1延时继电器开关控制延时继电器开关当动力电池高压开启后，关闭该延时继电器，各辅助高压用电设备才能启动。2空调开关切断空调供应电源 CAN总线接口表3.4CAN总线接口序号CAN总线接口备注1与BMS通讯实际连接中还有如DC/DC等。视具体设备位置，介入方便性而定。2与电机控制器通讯3与组合仪表通讯PWM信号表3.5PWM输出信号序号1根据不同需要改变占空比使用，或改变频率使用3.2动力电池表3.6动力电池基本参数类别名称参数值备注电池类型单体电压（V）单体容量（Ah）对于控制策略中，实时母线电流、SOC值是输入变量。放电深度（%）工作电压（V）电池容量（A.h）总能量（kWh）可用能量（kWh）其它正常放电:0.*C一般放电：<*C极限放电：<*C*串/箱，总共*箱 3.3电池管理系统电池管理系统（BMS）；CAN协议另见协议接口；BMS采用低压12V供电工作；整个BMS的基本工作步骤：BMS上电自检；然后周期性通过CAN总线发出BMS的状态参数如母线电压、母线电流、SOC值、单体最高低电压、单体最高低温度、系统各故障类型状态；接收CAN总线控制命令开高压或关闭高压；BMS有若干个系统状态：上电、初始化、待命、预充电、使能、错误、高压关闭等。为保证一定安全性，BMS在下高压后，必须关闭BMS后，再重新开高压。BMS有一套完善的安全保护措施，当故障等级达到一定级别时，自行切断高压输出等。3.4驱动电机 电机使用永磁同步电机。参数如下：表3.7驱动电机基本参数序号类别参数值1额定电压(V)2额定功率(kW)3峰值功率(kW)4额定转速(rpm)5最高转速(rpm)6额定扭矩(N·m)7峰值扭矩(N·m)3.5电机控制器 电机控制器使用电机匹配的控制器。使用CAN总线接口与外部系统进行通信。 下表为电机控制器的一些基本参数：表3.8驱动电机基本参数序号类别参数值1型号2额定电压（V）3工作电压范围（V）4额定容量（kVA）5最大容量（kVA）6控制电源额定电压DC12V7控制电源电压范围DC**V~DC**V8控制器防护等级IP559绝缘电阻20MΩ3.6DC/DCDC/DC的主要功能是把高压变换成低压后给车载12V蓄电池充电。DC/DC设备使用CAN总线协议发送出当前状态参数。3.7组合仪表组合仪表的显示方式采取传统指针式仪表和LCD液晶屏数据显示。组合仪表通过CAN总线接口接收待显示的参数数据。主要显示当前车辆的基本信息内容有：1）车辆的基本信息；如车速、2）电机及其控制参数：电机转速、电机温度、当前状态；3）BMS参数：工作电压、工作电流、SOC、各故障状态；5）辅助设备工作状态；3.8高压箱3.9充电设备3.10高压用电设备高压用电设备主要有：除霜机、空调、冷却系统、暖风机。为了保证一定的续驶里程和动力电池的使用安全，VMU在必要时切断对辅助高压设备的电源输出。3.11低压用电设备传统用电部分：如各种闪光灯等、各种ECU。一般低压用电设备都从车载低压蓄电池取电。当蓄电池电量不够时，由DC/DC给低压车载蓄电池充电。4电动车控制策略设计4.1车辆启动关闭控制策略车辆启动关闭动作，由驾驶员使用车钥匙来完成启动。并配合档位、加速踏板等操作。传统车钥匙启动开关上有4档：LOCK档、ACC档、ON档、START档。图4.1车用钥匙开关示意图 钥匙顺时针转动，启动车辆，钥匙逆时针转动，则关闭车辆。使用ON档和START档。ON作为给低压设备上电和启动动力电池高压输出控制信号，START档作为电机主接触器闭合断开开关信号。根据钥匙的转动，钥匙启动开关依次把4档开关信号传送给VMU。顺序不会改变。当钥匙转回到LOCK档时，ACC档、ON档、START档信号的有效输出会同时消失。整个车辆启动控制策略如下流程图：图4.2钥匙工作流程图当驾驶员转动钥匙到ACC位置，整个车辆的低压设备上电自检，整车控制系统检查所有设备或子系统处于正常工作下，响应钥匙的ON信号，否则整车控制系统通过组合仪表显示故障信息，不响应驾驶员的下一步操作。当钥匙转动ON档，整车控制系统判断所有所有设备都正常的情况下，发送开高压命令给BMS，此时BMS控制动力电池开高压，正确情况下动力电池输出高压，同时BMS定时通过CAN总线发送出动力电池的状态和参数；当整车控制系统判断钥匙转到ST信号，则发动关闭主接触器命令给电机控制器，启动电机工作。最后整车控制系统响应驾驶员的加速踏板、档位信号、自动踏板等来控制电机转动从而驱动车辆行驶。钥匙动作会牵涉到VMU的运行状态（休眠、正常）、启动BMS开关高压、电机主接触器的开关、延时继电器的开关。还影响到VMU软件中的状态切换问题。所以其中的逻辑关系必须非常清晰。4.2动力电池安全启动控制策略动力电池的高压输出与断开，由BMS直接控制，VMU间接控制。整个工作过程为，VMU确认BMS在正常待命状态时，发送开高压的CAN总线报文命令。BMS于是进入开高压过程，其间BMS状态会从待命状态到预充电状态，开高压成功时会进入使能状态。开高压成功。整个过程，BMS定时向VMU发送当前状态及其参数。引起预充电失败的问题有多方面，之前碰到的主要问题是当BMS在开高压的过程中，有高压设备已经在启动，导致BMS检测到的高压输出值在预定时间内达不到预期值，从而预充电失败的错误故障。所以在电气设计时，尤其是VMU的控制策略中，在BMS没有正确进入使能状态前，不允许给辅助高压用电设备供电，以防止预充失败，提高用电安全和设备安全。4.3电机驱动控制策略 VMU根据当前的车辆状态，给电机控制器发送出合理的目标转矩，从而驱动电机转动。车辆状态包括很多因素，但主要是驾驶员的操作意图、电机的当前状态、高压电池的状态。处理过程为如下输入、处理、输出的过程处理图表示。图4.3电机驱动控制策略输入因子图图4.4电机驱动控制策略目标转矩计算流程图图4.3表明了VMU发送目标转矩值给电机控制器前需要处理的过程，上图中没有画出整车故障时的处理模式。驱动控制策略：在保证动力性的前提下，如何利用车载能量（动力电池）提高电动汽车的续驶里程是关键点。一般模式控制策略、动力模式控制策略、经济模式控制策略。表4.1三种控制策略的比较控制模式优先级进入该模式条件经济模式高在放电容量和放电功率中找到一个平衡点；C/3~0.5C区间放电；电机额定转速附近效率最高；S的常用区间为30~60%一般模式中条件：S<70%且SOC>30%不同转速时的最大转矩对应额定转矩动力模式低S>70%S：加速踏板行程系数，百分数4.3.1加速踏板信号处理加速踏板的总运算公式为：T=SxTa（41T驾驶员需求转矩S加速踏板行程系数，百分数TaL电机驱动转矩负荷系数一般控制模式：图4.5一般控制模式中L与S的关系图 一般控制模式的LS关系图，L=S。则（1）式为T=LxTa（4.2一般控制模式采取L与S的关系。采取线性关系模式即一般控制模式。动力控制模式：图4.6动力控制模式中L与S的关系图由于S与L的关系不是线性关系，非线性关系的计算量非常大，所以采取分段线性逐步逼近的方式。T=LxTa_max（4.3Ta_maxL与S的关系如下所以，采取实验的方式得到。L=k0S0<S<40%k1S+k2上式中的k0、k1、k2、k3、k4、k5、经济控制模式：图4.7经济控制模式中L与S的关系图经济控制模式中，在式4.4中的k值，根据实验测得一组数。其中k0必须小于14.3.2制动踏板信号优先原则制动踏板优先原则，指的是当驾驶员踩下制动踏板时，不管加速踏板在哪个开度上，VMU优先处理制动踏板信号。由于电机转动有4个转动模式：正转、反转、空载、停止。所以当制动踏板踩下时，VMU应该给电机控制器发送的是停止转动模式。4.4制动能量回馈控制策略.制动能量回馈，能有效提高电动车的续驶里程，其受各种因数影响：驱动电机性能（最大制动力、最高回馈电流）、动力电池性能（如瞬态充电电流）、整车控制策略和实际车辆行驶工况。同时也要保证安全制动。传统制动能量回馈策略，只在驾驶员踩下制动踏板后才能启动能量回馈，回馈力矩的大小和制动踏板制动位置深度成正比关系。但在开关式制动踏板下的制动能量回馈控制策略中，其回馈力矩值的计算则得根据电机的当前转速计算而得。既将回馈力矩的大小设计车速的函数，以及考虑车辆当前的运行状况决定是否进入能量制动回馈控制过程。4.5故障诊断与安全控制策略基于CAN分布式控制系统的故障诊断和容错控制方法，并对典型的故障进行容错策略的研究。所有