纯电动汽车整车控制器进展

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1、纯电动汽车整车控制器进展纯电动汽车整车控制器进展摘要：在广泛研究国内外纯电动汽车整车控制器的工作原理和系统结构的基础上，总结了如下特点： 国外纯电动汽车整车控制器主要用于结构复杂的四轮驱动纯电动汽车和轮毂电机纯电动汽车中。对于单电机驱动的纯电动汽车。通常由电机控制器代替整车控制器实现控制功能。在国内市场没有纯电动汽车整车控制器产品的生产和销售，整车控制器停留在试验室研发阶段。本文可为企业开发出口纯电动汽车整车控制器和国家制订标准提供参考。一、概述国家发展和改革委员会制定了新能源汽车生产准入管理规则 ， 从 2007年 11 月 1 日起实施； 要求企业生产新能源汽车产品必须掌握动力、驱动、控制

2、系统三大核心技术之一，其中控制系统在纯电动汽车中主要指整车控制器。纯电动汽车整车控制器相当于汽车的大脑 它在汽车行驶过程中执行多项任务， 包括以下功能。1) 接收、处理驾驶员的驾驶操作指令， 并向各个部件控制器发送控制指令， 使车辆按驾驶员期望行驶。2) 整车驱动系统由驱动电机、燃料电池、蓄电池、DCDC 转换器等部件组成。与电机、DCDC、镍氢蓄电池组等进行可靠通信， 以及针对关键信息的模拟量进行状态的采集输入及控制指令量的输出。3) 整车控制器提供对相应部件进行直接控制的信号通道， 包括 DA 转换和数字量输出等。4) 接收处理各个零部件信息， 结合能源管理单元提供当前的能源状况信息。为保

3、证驾驶员的安全操作和对汽车控制的可视化， 采用了外接液晶显示器以及触摸屏的方式来显示一些重要的信号量因此选用了一个串行通信口(UART)。5) 系统故障的判断和存储， 动态检测系统信息记录出现的故障。6)对整车具有保护功能， 视故障的类别对整车进行分级保护， 紧急情况下可以关掉发电机及切断母线高压系统。1 国外情况在国外纯电动汽车整车控制器主要用于结构复杂的四轮驱动纯电动汽车和轮毂电机纯电动汽车中， 其作用是协调 2 个或 2 个以上电机控制器同步工作。对于结构简单的单电机驱动的纯电动汽车 通常由电机控制器实现扭矩控制和再生制动控制等功能， 没有设计整车控制器。11 丰田公司整车控制器丰田公司

4、整车控制器的原理图如图 1 所示。该车是后轮驱动 左后轮和右后轮分别由 2 个轮毂电图 1 丰田公司整车控制器原理图机驱动。其整车控制器接收驾驶员的操作信号和汽车的运动传感器信号， 其中驾驶员的操作信号包括加速踏板信号、制动踏板信号、换档位置信号和转向角度信号， 汽车的运动传感器信号包括横摆角速度信号、纵向加速信号、横向加速信号和 4 个车轮的转速信号。整车控制器将这些信号经过控制策略计算， 通过左右 2 组电机控制器和逆变器分别驱动左后轮和右后轮。12 日立公司整车控制器日立公司纯电动汽车整车控制器的原理图如图 2 所示。图 2 中电动汽车是四轮驱动结构， 其中前轮由低速永磁同步电机通过差速

5、器驱动， 后轮由高速感应电机通过差速器驱动。整车控制器的控制策略是在不同的工况下使用不同的电机驱动电动汽车， 或者按照一定的扭矩分配比例， 联合使用 2 台电机驱动电动汽车， 使系统动力传动效率最大。当电动汽车起步或爬坡时， 由低速、大扭矩永磁同步电机驱动前轮。当电动汽车高速行驶时， 由高速感应电机驱动后轮。图 2 日立公司整车控制器原理图13 日产公司整车控制器日产聆风 LEAF 是 5 门 5 座纯电动轿车， 搭载锂离子电池 续驶里程是16o km。采用 200 V 家用交流电， 大约需要 8 h 可以将电池充满； 快速充电需要 10 min， 可提供其行驶 5O km 的用电量。日产聆风

6、 LEAF 预计于 20l0 年12 月至 2011 年初陆续在欧美和日本市场上市2011 年进入中国市场。日产聆风 LEAF 的整车控制器原理图如图 3 所示。它接收来自组合仪表的车速传感器和加速踏板位置传感器的电子信号。通过子控制器控制直流电压变换器DCDC、车灯、除霜系统、空调、电机、发电机、动力电池、太阳能电池、再生制动系统。图 3 日产公司整车控制器原理图2 国内情况国内市场没有纯电动汽车整车控制器产品的生产和销售。整车控制器主要由一些高校研发。其技术方案是通过微处理器的嵌入结构， 编写控制软件代码 实现高效率驱动纯电动汽车的功能。它一般采集加速踏板、制动踏板、换档位置、车速等信号，

7、 使用 CAN 总线与电机控制器和电池管理系统通信 实现对整车的管理与控制。21 天津大学整车控制器天津大学整车控制器包括微控制器、模拟量调理、开关量调理、仪表驱动、继电器驱动、高速和低速 CAN 总线接口、存储器、信息存储、电源和通信接口等模块。整车控制器对纯电动汽车动力链的各个环节进行管理、协调和监控 以提高整车能量利用效率，确保安全性和可靠性。该整车控制器采集驾驶员驾驶信号， 通过 CAN 总线获得电机和电池系统的相关信息， 进行分析和运算，通过 CAN 总线给出电机控制和电池管理指令，实现整车驱动控制、能量优化控制和制动回馈控制。该整车控制器还具有综合仪表接口功能， 可显示整车状态信息

8、； 具备完善的故障诊断和处理功能； 具有整车网关及网络管理功能。天津大学整车控制器原理图如图 4 所示。该装置各部分功能如下。1)微控制器为整车控制器的控制中心， 负责数据的运算及处理。2) 模拟量调理模块用于模拟输入量的滤波和调理， 其一端与多个传感器相连， 另一端与微控制器相接。3) 开关量调理模块 用于开关输入量的电平转换和整型， 其一端与多个开关量传感器相连， 另一端通过光电隔离器与微控制器相接。4) 仪表驱动模块用于驱动组合仪表和辅助仪表， 其一端通过光电隔离器与微控制器相连， 另一端与多个仪表相接。5) 继电器驱动模块 用于驱动多个继电器，其一端通过光电隔离器与微控制器相连， 另一

9、端与多个继电器相接。6) 高速 CAN 总线接口模块 用于提供高速 CAN 总线接口， 其一端通过光电隔离器与微控制器相连， 另一端与系统高速 CAN 总线相接。7) 存储器模块 用于存储程序和数据 与微控制器相连。8) 信息存储模块 用于记录整车电控系统的相关信息及故障信息， 与微控制器相连。9) 电源模块可为各输入和输出模块提供隔离电源， 并对蓄电池电压进行监控，与微控制器相连。10)通信接口模块 作为与其它设备相连的接口与微控制器相连。图 4 天津大学整车控制器原理图2_2 北京理工大学整车控制器电动汽车整车控制器可以很好地管理和协调电动汽车动力平台部件的工作，主要满足以下功能和要求。1

10、)汽车驱动控制。2)制动能量回收优化控制。3) CAN 总线网络的调度和管理。4) 车辆状态监视及组合仪表驱动。5) 故障诊断及保护， 故障码存储及回调。6) 控制参数的在线标定。北京理工大学整车控制器原理图如图 5 所示。该系统主要由电机控制模块、再生制动控制模块、整车控制模块、电池管理模块、仪表显示模块及故障诊断模块、真空助力模块、转向助力模块、电动空调模块、DCDC 模块、制动踏板模块等组成。通过 CAN 实现各个控制模块间的信息通信。除了指令的发送和接收外， 汽车的一些基本状态信息(如电机转速、电池荷电状态、车速等)是大部分控制单元必须获取的数据，控制单元采用广播方式向总线发送数据。图

11、 5 北京理工大学整车控制器原理图23 湖南大学整车控制器电机及整车总成控制器将电动汽车电机控制器和整车控制器集成到一起。电动汽车用交流电机的直接转矩控制作为电机高性能交流变频调速技术。控制微处理器选用美国 TI 公司生产的面向电机控制的 DSP 芯片 TMS320LF2407， 主要硬件电路包括以 TMS32OLF2407 型 DSP 芯片为核心的弱电电路和以 IPM模块为主的强电电路。设计了档位检测模块、踏板位置检测模块、输入控制模块和通信模块。控制策略采用嵌入式操作系统 uC0S 一 开发， 然后移植到 DSP 芯片 TMS320LF2407 上。湖南大学整车控制器控制策略原理图如图 6

12、 所示。图 6 湖南大学整车控制器控制策略原理图电机及整车总成控制器以电动汽车用交流电机驱动系统为研究对象， 将直接转矩控制思想运用于电动汽车驱动系统。根据电动汽车所要达到的性能指标，分析了电动汽车驱动系统的特点， 对各种驱动电机进行了比较。采用空间电压矢量方法分析了直接转矩控制的基本原理结构及其算法。详细分析了交流异步电机系统的工作原理 建立了交流异步电机及其控制系统的数学模型 然后在此基础之上分析了交流异步电机直接转矩控制的实现方法， 介绍了直接转矩控制系统的关键参量 定子磁链空间矢量的控制方式及其实现办法， 并为获得良好的控制效果形成闭环控制系统， 引入了磁链与转矩观测模型。最后建立了异

13、步电机直接转矩控制系统模型， 并成功地进行了整个模型的仿真， 且得到了期望的结果。根据整车动力学原理， 建立了整车动力学模型， 最后完成了电机模型和整车动力学模型的联合仿真。24 奇瑞公司整车控制器奇瑞 QR 纯电动轿车采用奇瑞 SQRA 级车作为整车开发平台 根据纯电动轿车的特点和课题要求以及研制原则， 进行了局部改造并设计， 配置了相应的系统， 并通过虚拟仿真和实车改装相结合的技术方案进行了合理布置。QR纯电动轿车整车控制器 PTCM 是车辆主控制器 其通过传感器和其他控制器将整车运行信息反馈到控制器 PTCM ， 并根据车辆行驶要求向二级控制器及有关执行器发出指令， 从而对整车的所有系统

14、进行管理。提高运行效率和整车的可驾驶性、安全性。二级控制器有仪表板、动力转向、BPCM 、ADM、DMCM 及逆变器总成等， 具有整车唤醒、电源(强电与弱电)、停机、驱动、制动能量回馈、故障诊断和失效控制等控制功能 可保证整车及各子系统硬件安全与车辆运行安全。该控制器通过 CAN 总线及状态线与其它控制器通信， 实现了整个控制器群的信息共享、控制策略对接与交互式控制。P1nCM 还可由 PC 机上的标定程序进行动态随车标定。该控制器的软硬件系统已基本定型， 基本达到了产品车载控制器的要求。该控制器可以随纯电动轿车一起商品化， 也可以改造设计后作为其它汽车电子产品的主控制器使用。25 众泰公司整

15、车控制器众泰 2008EV 是众泰汽车集团开发的国内第 1 款纯电动 SUV 汽车，2009年 3 月参加上海车展。2010 年 7 月众泰 2008EV 纯电动车以 1008 万元出售给了杭州一位个人客户， 成为中国首台挂牌上路的纯电动汽车。众泰 2008EV采用锂离子动力电池， 配置了车载充电机， 可选择家用电源充电模式或快速充电模式进行充电。最大功率是 27 kW 最高车速可达 110 kmh 充满电后续驶里程为 300 km， 百公里的耗电仅 12 kW h。目前， 众泰 2008EV 在享受国家 6 万元补贴及杭州市地方补贴之后， 价格是 1008 万元。众泰 2008EV 的整车控

16、制器(VCU) 原理图如图 7 所示。它连接加速踏板、控制电机控制器、电池管理系统、直流电压变换器 DCDC、电动助力转向系统 EPS、真空助力系统、空调系统、组合仪表。整车控制器能够统计整车所有电器设备的功耗， 对比动力电池能够提供的电量， 根据功率模型计算结果，输出控制器指令信号至电机控制器， 电机控制器调整牵引电机的转矩值。当整车控制器接收到加速踏板输入的功率需求信息后， 根据整车所有电器设备的功率分配情况和电池管理系统输入的供电电池的电压、电流等信息进行综合分析，合理地调整牵引电机的扭矩输出， 保证其具有足够的牵引力。图 7 众泰 2008EV 纯电动 SUV 汽车整车控制器3 结论总结纯电动汽车整车控制器有如下特点： 国外纯电动汽车整车控制器主要用于结构复杂的四轮驱动纯电动汽车和轮毂电机纯电动汽车中， 对于单电机驱动的纯电动汽车， 通常由电机控制器代替整车控制器实现控制功能。在国内市场有少数高校和企业小批量生产和销售纯电动汽车整车控制器产品。