純電動皮卡車整車控制器設計

楊洪 蔣麗萍 劉夢 李松

摘要：基于微處理器PIC32MK0512GPEIOO設計了一款純電動皮卡車整車控制器，進行了硬件電路和整車控制策略設計，硬件電路包括主控單元、模擬量和數字量信號接口電路、功率驅動電路、CAN通信電路等，整車控制策略包括整車工作模式識別、轉矩管理和整車故障診斷處理等，并通過試驗驗證了整車控制器設計的可行性。

關鍵詞：純電動皮卡車;整車控制器;整車控制策略;實車測試

中圖分類號：U469.2

文獻標識碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.09.050

國家通過大力推動新能能源汽車發展，促進傳統產業轉型升級，解決困擾我國城市的大氣污染、能源依賴、交通擁堵等難題[1]。電動皮卡車因使用成本低、零排放、駕乘體驗好等優勢，備受行業用戶、政府部門等客戶的青睞。整車控制器是整車運行管理的核心單元，是車輛實現安全、可靠運行的基礎[2-3]。

1 純電動皮卡車整車控制系統概述

整車控制系統包括CAN總線系統、踏板、組合儀表顯示系統及整車控制器等部分。作為整車控制系統的核心部分，整車控制器能通過CAN總線、儀表、車輛傳感器等實時獲取車輛信息及檔位踏板信號，并根據相關控制策略下發指令，從而實現對車輛的控制。

2 硬件電路設計

整車控制器硬件系統承載著運算、驅動、通信、標定等功能，優良的硬件設計是開發一款可靠整車控制器的重要前提與基礎。

2.1 主控單元設計

綜合考慮MCU選用PIC32MK0512GPEIOO，芯片主頻高達120 MHz，并具備多路CAN以及豐富外設，工作電壓2.2 - 3.6 V，休眠模式功耗僅為0.6 mA。硬件看門狗復位選用芯片X5045，將上電復位控制、看門狗定時器、降壓管理以及串行EEPROM四種功能合于一體。

2.2 功能模塊設計

2.2.1 模擬量信號采集電路設計

為了提高模擬量信號采樣的準確度，本文利用電容器濾除采樣信號脈沖，基于運算設計電壓跟隨器進行信號采樣隔離，并采用穩壓二極管進行電壓鉗位，防止模擬量信號對MCU造成損壞。

2.2.2 數字量信號采集電路設計

數字量信號包括低電平信號和高電平信號，通過濾波電容并設計電壓比較器，濾除電磁干擾，防止高、低電平出現錯誤采集，并采用光耦PC817消除開關信號抖動的影響。

2.2.3 功率驅動電路設計

本文采用低邊開關芯片TLE8110驅動指示燈、外部繼電器，給部分外部設備進行低壓供電。

該芯片具備0.75 A、1.5 A和1.7A三種電流驅動能力，共10路LSD輸出接口。

2.2.4 CAN通信模塊設計

本文設計3路CAN通信單元，在CAN總線通信網絡中，CANI、CAN2和CAN3在電氣上完全隔離。采用11的TCAN1042-QI芯片將外部通信接口電路與內部電路隔離開來，阻止電路性耦合產生的電磁干擾。

3 整車控制策略設計

3.1 整車工作模式識別

本文的VCU工作模式包括休眠模式、行車模式、充電模式和智能低壓補電模式，如表1所示。

3.2 整車驅動轉矩管理

正常行車模式下，給定電機轉矩包括加速踏板開度對應驅動轉矩與加速踏板開度變化率對應驅動轉矩之和。

3.2.1 加速踏板開度對應驅動轉矩

加速踏板開度與對應驅動轉矩需要盡量符合駕駛員駕駛習慣，要同時滿足低速時動力響應快和高速時動力相對柔和的要求，兩者的關系曲線斜率及轉折點不僅需要考慮驅動電機相關特性，還要兼顧動力電池輸出能力。

加速踏板開度對應驅動轉矩如下所示：

3.2.2 加速踏板開度變化率對應驅動轉矩

本文引入加速踏板開度變化率（以下簡稱變化率），當加速踏板開度減小時，變化率因子小于0，對應驅動轉矩方向為反向;當加速踏板開度增大時，變化率因子大于0，對應驅動轉矩方向為正向;當加速踏板開度不發生變化或變化幅度很小時，車輛僅由加速踏板開度對應驅動轉矩驅動。

加速踏板開度變化率對應驅動轉矩的基礎值可以在調試時根據實際情況進行標定，基礎值與加速踏板開度變化率因子相乘，可得加速踏板開度變化率對應驅動轉矩。

3.3 整車制動轉矩管理

純電動皮卡車進行制動時，整車制動轉矩主要由當前車速、動力電池SOC和制動踏板開度三個因素決定[4]。當車速低于20 km/h，整車的動能比較小，此時進行制動能量回饋會嚴重影響駕駛感受，本文制動轉矩管理不進行制動能量回饋;當車速高于90 km/h時，為了防止制動能量回饋破壞前軸和后軸制動力的平衡，影響電動皮卡車整車制動性能，也必須降低電機制動阻力轉矩。由于鋰離子動力電池一旦出現過放電或過充電，將造成不可修復的損壞，本文整車控制策略中當動力電池SOC低于15%時，禁止行車，此時也無制動能量回饋，當動力電池SOC高于90%時，也禁止制動能量回饋。

本文以當前車速、制動踏板開度和動力電池SOC作為輸入量，整車制動轉矩系數作為輸出量，設計了模糊控制器，分別將當前車速、制動踏板開度和動力電池SOC的輸入參數進行模糊化，基于相應規則庫來確定相應的模糊控制關系，之后得出模糊結論并轉化為整車制動轉矩系數輸出，最終結合電機的物理特性，確定當前整車制動轉矩。

3.4 整車故障診斷與處理

系統故障在充電、放電或補電階段都可能發生，并影響整車性能，如電池故障、絕緣故障、通信故障、接觸器控制故障、互鎖失效故障、溫度故障、電壓故障、充電機故障、DC-DC故障等。

根據故障內容整車控制器及時進行安全保護處理，故障等級分為三級，一級故障進行報警，二級故障降低輸出功率，三級故障可以直接切斷母線高壓系統。

4 整車控制器調試與試驗

本文通過搭建測試平臺進行整車控制器調試，模擬駕駛臺來虛擬輸入駕駛員操作指令，利用USB-CAN卡接收電機控制器、電池管理系統等狀態信息，驗證了整車控制器接口電路、驅動電路、CAN通信等硬件電路的可靠性以及整車模式識別、故障診斷處理等控制流程的執行。通過臺架試驗和實車道路試驗，進行驅動轉矩管理、制動轉矩管理、智能低壓補電等控制策略的設計驗證及控制參數標定。試驗場NEDC試驗如圖1所示。

如圖1所示，車輛在國家汽車質量監督檢驗中心，按照《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》（ GB/T18386-2017）進行了試驗。試驗結果表明，本文設計的整車控制器能滿足整車需求，制定的控制策略能正確解析駕駛員意圖，實現預期功能。

5 結束語

本文對純電動皮卡車整車控制器進行了硬件電路和軟件設計，并通過試驗證明該整車控制器能夠滿足電動皮卡車的功能需求。電動皮卡車的實際用車情況比較復雜，需要繼續標定控制參數，優化整車控制策略，提升電動皮卡車的動力性、經濟性及安全性。

參考文獻：

[l]楊春龍，楊世文.純電動環衛車整車控制器開發[J].車輛與動力技術，2013 （2）： 4-6.

[2]黃萬友，程勇，紀少波，等.基于最優效率的純電動汽車驅動控制策略開發[J].汽車工程，2013，35（ 12）：1062-1067.

[3]韓愛國，王萌.基于MC9S12XEPIOO的純電動物流車整車控制器設計[J].儀器儀表裝置，2017，32（9）：20-23.

[4]劉果，牛志剛.純電動物流車制動力分配的建模與仿真[J].機械設計與制造，2016（8）：73-76.