論電動汽車控制技術的發展趨勢與展望

高仲敏

摘 要：在“安全、節能、環保”的趨勢下，由電動汽車帶來的汽車電氣化進程在不斷加快。以電子控制為核心，以電驅動、電傳動、電制動和電轉向等為執行機構的新一代汽車底盤系統已成為未來汽車工業發展的潮流與前沿。

關鍵詞：電動汽車；底盤控制；發展

1 汽車底盤控制發展概述

隨著電控技術、傳感技術、智能控制技術以及車載網絡技術的迅猛發展，車輛集成控制得到了長足的發展，汽車底盤系統的集成化程度不斷提升，綜合性能不斷提升。但是大多車輛集成控制研究，僅限于以車輛動力性，穩定性為控制目標，或以單純的經濟性為控制目標，而綜合考慮車輛動力性、穩定性、經濟性等控制目標的研究，尚不多見。十八世紀中期，汽車動力學集成控制開始出現并得到迅速發展。隨著四輪轉向等汽車電控技術的研發成功與廣泛應用，部分汽車生產廠家開始思考TCS/ABS與四輪轉向等電控系統的協調控制問題。1985年，日本日產公司率先使用機電一體化技術，將電控自動變速器、發動機電控系統、四輪轉向系統、ABS以及舒適性控制系統，一并加裝到其概念車CUE-X上，并在東京車展上得到業內一致好評

2 電動汽車控制系統電子電氣架構研究

電動汽車控制系統電子電氣架構設計的研究范疇主要包含以下幾個方面：（1）控制軟件系統架構的設計，其中主要考慮軟件系統架構的兼容性能，應對突發狀況的應急性能以及自動檢測與修復的性能；（2）確保電子電氣架構具備較高的穩定性與可靠性，同時采用適當的架構最優設計方法，來實現整車電源，傳輸線束與車載網絡的合理布置；（3）選澤合理的架構優化映射、分配算法，以實現電子電氣架構的標準合理布局與功能劃分。

2.1 汽車控制系統電子電氣架構分析

由于大量電子計算機嵌入式技術、控制器集成技術、智能化控制技術的廣泛應用，電動汽車控制系統數量增加，結構變得更加復雜，這必將為電動汽車電子電氣架構的設計帶來種種挑戰。首先車載通訊網絡的控制節點數量大幅增加，傳輸信息量增加，且信號傳輸對速率的要求更加復雜，對硬件系統的冗余能力要求更高；其次，驅動電機大功率開關，高壓通電線等電磁輻射設備的存在，將使通訊信號的傳輸受到不同程度的干擾，硬件架構的電磁兼容性能設計難度加大。2006 年，歐盟針對汽車電子電氣架構與控制軟硬件架構進行深入研究，并實施了EASIS（Electronic Architecture and System Engineering for Integrated Safety Systems）計劃，最終推出 ISS（Integrated Safety Systems）集成安全系統。EASIS 計劃主要面向汽車系統可靠性與開發流程、系統驗證策略、汽車 ISS 系統軟硬件架構設計進行研究。對軟硬件及通訊網絡的容錯性能進行了改進，探索了基于無線網關的車輛內外部通訊協議轉換方法。采取軟硬件冗余與容錯相互結合的方法進行傳感器布置，基于能量管理系統設計雙電源系統。通過對基于線控轉向原理的試驗樣機進行試驗臺驗證，充分證明了 ISS 系統的可靠性與穩定性。

世界各大汽車廠商及零部件廠商，紛紛推出各自的新一代汽車電子電氣硬件系統。順應車輛電氣化與智能化趨勢的新一代電子電氣架構主要包括：底盤總線、動力總線、儀表總線、診斷總線、娛樂總線及相關控制節點。同時，為了進一步提升汽車電子電氣架構的開發效率，完善開發流程，德國卡爾斯魯厄工學院（KIT）、卡爾斯魯厄信息技術研究中心（FZI）與同戴姆勒集團聯合開發了汽車電子電氣架構開發與設計工具PREEvision 以及汽車電子電氣架構的高效建模工具，明顯提高了開發效率。

2.2 電動汽車控制系統電子電氣架構設計

（1）系統硬件配置方案

本文以一汽 B50 轎車為基礎，拆除了發動機和部分底盤系統，安裝了動力電池、輪轂電機、EHB 等線控系統，建立了新一代電動汽車系統，系統硬件配置如下圖。

試驗樣車采用四輪獨立驅動的方式，每個車輪分別配置有輪轂電機、電機控制器、輪速傳感器和輪缸壓力傳感器。（1）動力系統。動力系統以 BMS 為控制核心，同時協調 DC/DC 變壓充電器為 12V 車載鉛酸蓄電池充電，保證點火線圈、儀表板、照明系統等用電設備供電。所有用電設備電壓可以靈活選擇，并且每個設備功率可以獨立控制。為了保證輪轂電機的功率需求，采用高壓動力母線直接供電。（2）車載網絡。系統基于 CAN 總線車載網絡進行數據通訊，總線節點包括：電機 ECU（Electronic Control Unit），電池管理系統（Battery Management System，BMS）ECU，車輛中央控制單元（Vehicle Control Unit，VCU），橫擺角速度傳感器，側向加速度傳感器和方向盤轉角傳感器。在 AUTOSAR 架構的基礎上，整合 VCU、EPS 控制器與 EHB 控制器。

3 電動汽車控制技術的發展趨勢與展望

（1）電動汽車在能量管理控制方面與傳統汽車有很大的不同。電動汽車的能量傳遞具有雙向性，在驅動時，可以實現從電能到驅動電機，再到車輛執行機構機械能的轉化過程，在制動時，驅動電機也可充當發電機，實現從車輛執行機構的機械能到電池電能的轉化過程。由于當前電池技術的制約，電動汽車的續航能力成為其發展的瓶頸。目前各大汽車廠商及研發機構增加電動汽車續航里程的普遍做法是增加車載電池的容量，但顧此失彼的是，同時增加了汽車的重量，又會帶來其他的種種問題。針對以上問題，應該從提高電能的利用效率入手，提高電機的工作效率，盡量使其工作于高效率區。

（2）當前，汽車控制大多基于給定的執行機構（如對 4WD/4WS 的車輛進行控制、或對裝有 AFS 與 ESP 的車輛進行控制），控制架構受限于給定的硬件結構。本文旨在設計一種通用的車輛控制架構，可以滿足多種車輛結構，設計時不必考慮特定的執行器形式。將車輛的各種執行機構進行統一抽象化處理，按照各執行機構的各項特性，把其看做力的產生器與目標產生器，使得控制架構能夠根據實際執行機構的數量和類型，在控制結構上作出歸一化調整，使得控制架構具有名副其實的通用性。異于傳統的控制架構，在此控制架構中，某個執行器加入或離開系統時，控制架構不需做重大改變，仍可適應控制系統的需求。

參考文獻

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