雙軸雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車整車控制器開發(fā)

宋振斌 李軍偉 孫賓賓 王培金

摘 ?要： 為解決單電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性不能同時(shí)兼?zhèn)涞牟蛔悖O(shè)計(jì)開發(fā)了雙軸雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。針對(duì)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力構(gòu)型的特點(diǎn)，開發(fā)一款基于MC9S12XEP100單片機(jī)為控制核心的整車控制系統(tǒng)。在分析整車控制器功能需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了整車控制器的硬件電路，開發(fā)了整車控制軟件。實(shí)車測(cè)試結(jié)果為0～30 km/h加速時(shí)間為3.25 s， 0～50 km/h加速時(shí)間為6.5 s，最高車速可以大于100 km/h。實(shí)車測(cè)試表明所開發(fā)的整車控制器達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車; 雙軸雙電機(jī)驅(qū)動(dòng); 整車控制器; MC9S12XEP100單片機(jī); 硬件設(shè)計(jì); 軟件開發(fā)

中圖分類號(hào)： TN876?34; U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）01?0140?03

Development of dual?axis dual?motor?driven electric vehicle control unit

SONG Zhenbin， LI Junwei， SUN Binbin， WANG Peijin

Abstract： To deal with the deficiency that the power and economical efficiency of the single?motor?driven electric vehicle could not be satisfied both， a dual?axis dual?motor?driven electric vehicle is designed and developed. According to the power configuration characteristics of the dual?axle dual?motor?driven electric vehicle， a vehicle control system with MC9S12XEP100 microcontroller as the control core is developed. Based on the analysis of the functional requirements of the vehicle control unit， the hardware circuit of the vehicle control unit is designed and the vehicle control software is developed. The results of real vehicle test show that when the speed is in the range of 0～30 km/h， the acceleration time is 3.25 s; when the speed is in the range of 0～50 km/h， the acceleration time is 6.5 s; the maximum speed can be greater than 100 km/h. The real vehicle test show that the vehicle control unit developed meets the requirements of design indicators.

Keywords： electric vehicle; dual?axis dual?motor drive; vehicle controller; MC9S12XEP100 microcontroller; hardware design; software development

0 ?引 ?言

目前市面上純電動(dòng)汽車的動(dòng)力構(gòu)型大多采用單電機(jī)單軸驅(qū)動(dòng)的構(gòu)型方式，這種動(dòng)力構(gòu)型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般是根據(jù)車輛行駛時(shí)所需求的最大功率進(jìn)行匹配的[1?3]。車輛在低速小負(fù)載行駛時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行于低速低效率區(qū)，使得整車的效率降低。因此，單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車所匹配的電機(jī)雖然能夠滿足整車動(dòng)力性的要求，但經(jīng)濟(jì)性會(huì)受到影響。對(duì)于電動(dòng)汽車來說，由于傳動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化，則完全可以方便地設(shè)計(jì)成前后軸各安裝一個(gè)功率相對(duì)較小的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的構(gòu)型方案。當(dāng)整車需求功率較低時(shí)，采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，避免了常規(guī)電動(dòng)汽車單電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)效率低下的情況發(fā)生，提高了整車的經(jīng)濟(jì)性;當(dāng)整車需求功率較高時(shí)，采用前后軸雙電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式，滿足整車動(dòng)力性的需求。雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車由于其具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，已成為電動(dòng)汽車的研究熱點(diǎn)[4?5]。對(duì)于雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車來說，整車控制器軟硬件的開發(fā)直接決定了電動(dòng)汽車的整車性能。

1 ?雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力構(gòu)型

針對(duì)單電機(jī)驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車存在的不足，結(jié)合現(xiàn)有條件，開發(fā)了一款雙軸雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。該電動(dòng)汽車構(gòu)型的主要部件為：

1） 能量源部分，整車裝備一個(gè)鋰電池包，自帶電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS），以并聯(lián)方式給兩路電機(jī)系統(tǒng)供電[6]。

2） 動(dòng)力源部分，整車前后軸分別匹配了大小相同的交流異步電機(jī)，每個(gè)電機(jī)使用獨(dú)立的電機(jī)控制器（Motor Control Unit，MCU）。

3） 電控部分，整車控制器（Vehicle Control Unit，VCU）作為整車控制的核心部件，通過采集整車及各部件的運(yùn)行狀態(tài)，制定合理的控制策略控制整車運(yùn)行。

該構(gòu)型主要有以下優(yōu)點(diǎn)：在驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以通過單、雙電機(jī)的切換使電機(jī)工作在效率較高的區(qū)間，避免了單電機(jī)電動(dòng)汽車低負(fù)荷功率冗余以及效率偏低的缺陷，可以兼顧車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性;在制動(dòng)時(shí)，前后軸電機(jī)同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)能量回收，可以實(shí)現(xiàn)能量回收的最大化，提高了能量的利用效率，同時(shí)也提高了整車的續(xù)駛里程;當(dāng)某一個(gè)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)，整車仍可以工作在單電機(jī)模式，避免了單電機(jī)車輛“拋錨”現(xiàn)象的發(fā)生[7]。

2 ?控制器硬件設(shè)計(jì)

整車控制器包括軟件和硬件兩部分，硬件是軟件開發(fā)及運(yùn)行的基礎(chǔ)。因此，開發(fā)功能強(qiáng)大、可靠性高的整車控制器硬件對(duì)整車控制軟件的開發(fā)意義重大[8]。

2.1 ?整車控制器功能需求分析

整車控制器是整車控制的核心部件，在開發(fā)整車控制器硬件之前必須明確該控制器的功能和資源需求，通過對(duì)整車需求分析可知，整車控制器的主要功能包括：

1） 采集包括加速踏板、制動(dòng)踏板、檔位等車輛的有關(guān)信息，獲取駕駛員的駕駛意圖，確定車輛行駛模式，執(zhí)行整車控制策略。

2） 整車上電時(shí)，整車控制器需要獲取電機(jī)的預(yù)充電狀態(tài);整車行駛時(shí)，整車控制器需要獲取電機(jī)溫度、電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）等信息;儀表顯示的數(shù)據(jù)也需要來自整車控制器。因此在車輛行駛過程中，需要整車控制器和各個(gè)部件之間進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換，在目前技術(shù)條件下，各控制單元的信息交互主要是通過CAN總線實(shí)現(xiàn)。

3） 本文的研究對(duì)象是雙電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，單、雙電機(jī)實(shí)時(shí)切換的工作模式可使整車兼顧好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和安全性，單、雙電機(jī)的切換以及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的分配是需要整車控制器根據(jù)駕駛員意圖和各部件狀態(tài)做出判斷和控制，驅(qū)動(dòng)模式的切換以及能量管理是整車控制器的核心內(nèi)容之一。

4） 整車控制器應(yīng)根據(jù)整車及各部件的工作狀態(tài)，確定整車是否處于故障模式，并進(jìn)行相應(yīng)的跛行或停車處理。該功能是保障整車安全運(yùn)行的必備功能。

根據(jù)以上功能的分析，并結(jié)合整車的結(jié)構(gòu)配置，可得到整車控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。系統(tǒng)主要以MC9S12XEP100單片機(jī)為控制核心，外圍電路主要包括：電源電路、開關(guān)量輸入電路、模擬量輸入電路、CAN通信電路和低端驅(qū)動(dòng)電路。

2.2 ?整車控制器主要電路模塊設(shè)計(jì)

1） 開關(guān)量采集模塊

一般，純電動(dòng)汽車上都有開關(guān)量信號(hào)，分為高有效和低有效兩種，相應(yīng)的采集電路也有高有效采集電路和低有效采集電路，圖2a）和圖2b）分別為高有效和低有效開關(guān)量采集電路原理圖。

高有效信號(hào)采集電路：開關(guān)類輸入信號(hào)電壓為12 V時(shí)為有效信號(hào)，由于12 V的電壓信號(hào)超過了單片機(jī)管腳所能處理的范圍，需要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行分壓處理。使用100 nF的電容濾去電路上的雜波干擾信號(hào)。為了避免靜電放電對(duì)電路造成的損壞，靜電防護(hù)電路選用BAV99防靜電二極管，可以有效將正的靜電荷通過電源泄放出去，將負(fù)的靜電荷通過地泄放出去，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的靜電防護(hù)。最后信號(hào)經(jīng)反相施密特觸發(fā)器進(jìn)行處理，以便獲得規(guī)范的開關(guān)量信號(hào)。

低有效信號(hào)采集電路：開關(guān)類輸入信號(hào)電壓為0 V時(shí)為有效信號(hào)，首先在電路的起始端加一個(gè)上拉電阻，當(dāng)輸入端懸空時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定的輸入電平。同時(shí)，該類信號(hào)頻率較低，應(yīng)使用RC低通濾波電路去除開關(guān)因抖動(dòng)產(chǎn)生的干擾信號(hào)。同樣，使用了BAV99防靜電二極管進(jìn)行保護(hù)，最后信號(hào)經(jīng)反相施密特觸發(fā)器進(jìn)行處理，以便獲得規(guī)范的開關(guān)量信號(hào)。

2） 低端驅(qū)動(dòng)模塊

為滿足主控制器低端驅(qū)動(dòng)輸出的需求，選用Infineon公司的TLE7230型智能八通道低端驅(qū)動(dòng)開關(guān)芯片。該芯片提供串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）用于8個(gè)DMOS開關(guān)的控制，同時(shí)也可用于故障信息的讀取。輸出端外接的二極管和電容是感性負(fù)載的續(xù)流回路。該芯片具有良好的過載、過熱、過壓保護(hù)功能[9]。低端驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。

3 ?整車控制器軟件設(shè)計(jì)

從鑰匙開關(guān)打開，VCU根據(jù)MCU、BMS及自身等整車各部件的工作狀態(tài)，控制整車高壓上電，若高壓上電失敗，車輛將無法行駛，若高壓上電成功，則表明車輛啟動(dòng)成功。車輛啟動(dòng)后，VCU根據(jù)駕駛員意圖和整車各部件狀態(tài)，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩，驅(qū)動(dòng)車輛行駛。在車輛行駛過程中，VCU實(shí)時(shí)檢測(cè)整車故障狀態(tài)，若有故障，則會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的故障處理程序。具體的軟件執(zhí)行流程如圖4所示。

4 ?實(shí)車測(cè)試

整車控制器設(shè)計(jì)完成后，對(duì)實(shí)車進(jìn)行了全油門加速性能測(cè)試和最高車速測(cè)試[10]，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，0～30 km/h加速時(shí)間為3.25 s，0～50 km/h加速時(shí)間為6.5 s。由于場(chǎng)地限制，本測(cè)試中最高車速為99 km/h，但從測(cè)試結(jié)果可以看出，車輛在到達(dá)該車速后仍具有一定的加速能力，所以可確定該車的最高車速可以大于100 km/h，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 ?結(jié) ?論

本文針對(duì)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車動(dòng)力構(gòu)型的特點(diǎn)及其性能特征，設(shè)計(jì)開發(fā)的整車控制器工作穩(wěn)定、安全可靠，實(shí)現(xiàn)了雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車整車控制器所要求的駕駛意圖識(shí)別、能量?jī)?yōu)化與管理、整車數(shù)據(jù)共享以及故障診斷等功能。在實(shí)車上對(duì)開發(fā)的整車控制器進(jìn)行了全油門加速性能測(cè)試和最高車速測(cè)試。實(shí)車測(cè)試結(jié)果表明本文所開發(fā)的整車控制器達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，為設(shè)計(jì)開發(fā)雙軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車整車控制器提供了重要的參考依據(jù)。

注：本文通訊作者為李軍偉。

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作者簡(jiǎn)介：宋振斌（1995—），男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向?yàn)槠囯娮与娖鳌?/p>

李軍偉（1964—），男，河南平頂山人，博士，教授，研究方向?yàn)槠囯娍丶夹g(shù)。