微型電動汽車整車控制器設計分析與研究

吳小江

摘 要：世界資源緊張的程度不斷加劇，人們對于化石能源的使用不僅會造成環境破壞和污染，引發能源危機。汽車是人們主要出行工具和能源消耗大戶，為了減少能源消耗，電動汽車成為了當前的研究熱點問題。本篇文章基于微型電動汽車探討整車控制器設計，首先分析電動汽車的基本結構，以及控制系統方案設計，提出控制器的電源、硬件、軟件方面的設計。

關鍵詞：電動汽車；控制系統；整車控制器

1 前言

化石能源是當今世界消耗能源的主流，具有不可再生的特征。隨著人們對能源不加節制地開采，石油儲量越來越少。根據IEA的統計數據，到2020年在交通運輸領域消耗的石油量占總石油消耗量的62%以上。我國正處于高速發展的階段，同時又是貧油國，對于石油能源的依賴較大。在此形勢下，研發微型電動汽車，降低我國交通出行占用的石油量具有重要現實意義。

2 電動汽車基本結構

按照驅動原理和技術水平，電動汽車可以分為純電動、混合動力、插電式混合動力、燃料電池電動汽車四種。微型電動汽車的結構設計需要考慮力學性能，它的優良程度決定了整輛汽車的性能。當車輛處于行駛狀態，由電池向電機提供能力，以此克服在電動汽車行進過程中的內部和外部阻力。因此，汽車整車控制器設計，需要根據電動汽車的驅動方式以及力學性能進行動力系統結構設計。

電動汽車動力系統包括整車控制器（VCU）、電機及控制器（ECU）、電池與電池管理系統（BMS）等，同時根據電機的安裝位置，動力系統結構可以分為集中電機驅動、多電機驅動[1]。

集中電機驅動方式，與傳統汽車的動力結構相似，將石油供能換為電能，以電機代替發動機。車輛的驅動模式與傳統汽車相似，主要是從電機傳輸電到減速器、差速器，從而實現車輪轉動。這種驅動方式的電動汽車，可以直接借鑒傳統汽車的動力系統結構，不需要做太大的結構性改變，動力控制策略相對簡單，也是當前市場上電動汽車的動力系統結構。

多電機驅動，則是在電動汽車中安裝多個電機，按照需要設計安裝位置，能夠支持多樣化的驅動模式。這種結構設計強調電機的獨立性，相比集中電機驅動方式機械結構較少，有效改善電機性能，但是控制難度也隨之增加。

3 電動汽車整車控制系統方案設計

3.1 控制器方案

整車的控制器功能支持電動汽車的電機控制器狀態、能量管理信息采集以及駕駛員的操作質量。這樣的設計，能夠在車輛行駛過程中根據多個部分匯集的信息，反饋給電機控制器，實現最優能量配置方案。

對于整車控制器的功能定義，有以下幾點：1、感知駕駛員的操作意圖，根據電動汽車的點火開關、制動踏板、檔位開關等信息判斷駕駛員操作意圖；2、驅動管理，根據駕駛員操作意圖，控制器向電源管理系統、輔助系統發送運行指令；3、能量管理和回收，對于整車的駕駛狀態，合理地安排電能供給，以此判斷當前需要機械剎車或是再生制動操作；4、網絡通信，利用CAN、232、485的通訊接口，實現上位機、被控系統網絡通信；5、安全管理，判斷電動汽車當前出現的障礙類型（電氣故障、機械故障），并發出相應的警示信息，使電動汽車在復雜多變的環境下維持運行安全與可靠。整車控制在電動汽車中發揮信號收集中心的作用，采集來自踏板、檔位、車速傳感器等部位的信號，然后綜合處理后發送相應的操作指令到對應子系統[2]。

考慮電動汽車的功能需求，定義控制器功能，以及信號采集和發出，適應各類信號采集能力，確保被控系統與上位機的網絡通信狀況良好，能夠及時將駕駛者操作意圖反饋到被控設備中。

3.2 驅動與再生制動控制策略

電動汽車驅動控制，主要對電機控制實現，即根據駕駛員的操作意圖形成電機轉矩和轉速輸出方案，從而讓車輛行進過程符合安全要求的力學性能，了解驅動控制研究的核心內容。由于道路和天氣環境變化，電動汽車的工作環境和狀態也隨之變化，因此駕駛員的操作意圖呈現隨機變化的情況，整車控制器無法預測合適的電機控制策略。針對這一情況，設想不同駕駛條件的電機控制策略，使得駕駛員改變駕駛狀態時，能夠快速響應控制改變力學性能。

根據電動汽車的工作特點，劃分為啟動、一般駕駛、經濟駕駛、動力駕駛、倒車、應急駕駛六種驅動模式。對應電動汽車駕駛的常見場景，通過設置固定的動力和電機電能輸送，實現控制。

例如，啟動模式的控制，主要發生在電動汽車點火開關時開始到車速達到相應速度時結束，本次設計方案將車速初步定義為10km/h。當汽車從其他驅動模式轉為低速起步，也可視作汽車處于啟動模式狀態。在啟動模式下，汽車首先對整車進行自檢，如電池、電機、剎車狀態檢測，發現無誤后向駕駛員提示可以正常起步。

3.3 控制通信網絡搭建

電動汽車的控制器局域網（CAN）作為通信網絡的結構，在此網絡結構下信息的傳輸速率達到1Mb/s的串行數據通信總線。本次設計方案采用的CAN總線協議為J1929標準，通訊速率達到250kb/s。同時為總線系統配置多個電子控制單元（ECU），彼此之間共享信息，以此滿足電動汽車行駛過程中對信息的靈活控制要求。

采取CAN總線的設置，基于優先權多主方式，發送數據不包含發送、接收節點物理地址，能夠在不破壞線路競爭的前提下，完成線路數據交換。同時設置發送數據節點優先級，當線路兩個節點同時發送數據，可以根據優先級的排列發送數據[3]。

通信網絡拓撲結構基于SAEJ1939協議，綜合控制系統由多個子系統組合而成，根據功能定義分布在電動汽車的相應位置，以此解決過于復雜的子系統分布，增加布線難度的問題。同時采用總線控制系統結構，以更簡潔的拓撲結構，保證各項操作指令能夠及時響應和發出。根據被控制對象的不同，CAN總線網絡分為高速CAN和低速CAN，前者主要應對電動汽車驅動性能、網關、BMS系統等子系統的通信需要；后者主要對非關鍵子系統設備的通信，如電動門窗、智能儀表等設備能接入到網絡中。

4 能源管理系統以及控制器軟硬件設計

4.1 電源系統設計

采用可變容鋰電池組設計，即利用單體電池通過一定的技術手段，與其他單體電池組成容量更大的電池，同時單體電池之間通過一定的保護處理，滿足其在負載狀態下，仍能滿足電流、電壓供給需求。通過這樣的設置，不僅實現大功率能量儲存，還能避免峰谷電壓因用電需求下降對電路的損害。

電池成組結構如下：單體電池→單體電池→電池模塊→電池串→電池堆。連接方式為：并聯→串聯→并聯→串并聯。盡管電池成組技術已有了一定的發展，也切實應用到電動汽車設計中，但在實際操作中限于安全的因素，不能安裝過大容量的電池，因此限制了續航因素。

超級電容是介乎于電解質電容、電化學電容之間的儲能裝置，相比其他傳統電池，能夠利用靜電極化電解溶液存儲能量，同時支持多達十萬次、百萬次的充放電次數，具有非常大的電容儲電量。

針對電池成組技術限制，采用超級電容混合電源的設計，將兩個能量源組合作為儲能設備使用，一個具有較高能量密度，另一個具有較高功率密度。

4.2 硬件電路設計

整車控制器的芯片采用STM32F205，這款芯片基于ARM核心，具有512K字節閃存的32位微控制器。控制器通過它實現電源轉換、駕駛員操作指令采集、開關信號輸出、CAN總線網絡通訊等。

本次設計方案的電源電池電壓為48V，輔助電池電壓為24V，電機為整車提供動力的電壓為48V，而24V的電源則主要為控制系統提供能量的作用，為了滿足更細化的控制需求，還需要12V、5V、3.3V的電源電壓。其中12V電壓主要為動力電源的繼電器提供能量；5V的電源主要為光電隔離電路、模擬量采集等提供工作電流；3.3V主要為控制芯片STM32F205及其外圍電路供電。因此硬件電路設計，需要預留相應的電路接口。

數據處理電路設計，利用控制芯片STM32F205的數據I/O口，在每個GPI/O端口配置兩個32位配置寄存器、數據寄存器，一個32位置位/復位寄存器，一個16位復位寄存器，一個32位鎖定寄存器。通過這樣的配置，控制芯片具有三個12位ADC，且每個ADC共享16個多路通道，通過它可以進行數據轉換和信號采集。為了保證信號傳輸的穩定性、準確性，對輸入信號濾波處理。

4.3 軟件設計

為了保證電動汽車行進過程的各項操作指令能夠及時響應，需要對整車控制器軟件進行設計，以此實現特定功能和控制策略。基于STM32F205的芯片，編程環境為RVMDK3.80A，采用ARM公司推出的嵌入式軟件開發工具。

系統自檢流程，在電動汽車打火開關的時候，自動對整車控制子系統進行檢測，確認CAN通訊狀態正常，無高壓漏電、電機系統、電池系統故障等情況，若是發現問題，則自動將故障信號傳遞給下一級程序。驅動控制流程，則根據電動汽車的駕駛模式，制定相應的控制策略，因此開發識別當前驅動模式的程序，從而將駕駛結果反饋給控制系統。

5 結論

綜合上述，在世界能源緊張的形勢下，電動汽車獲得良好的發展機遇。為了保證電動汽車的性能和續航，通過通信網絡搭建、控制策略、硬件電路設計等手段，強化混合電源能量控制和管理策略，實現可持續發展。

參考文獻：

[1]陳鑫，蘭鳳崇，陳吉清，等.微型電動汽車懸架系統設計與平順性分析[J].重慶理工大學學報（自然科學），2018，32（08）：24-31.

[2]鄭玉卿，朱西產，董學勤，等.微型電動汽車轉向管柱支撐結構耐撞性設計[J].汽車工程，2018，40（05）：528-535.

[3]劉宗巍，馬雨晴，郝瀚，等.微型短途電動汽車產品電池類型選擇的成本量化對比研究[J].汽車工程學報，2018，8（03）：157-167.