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1、第1 章概述近1 0 年来，电动汽车逐步成为国际汽车工业竞争的焦点。美国、日本、欧洲的一些国家和跨国公司己投入超过1 0 0 亿美元的资金，并且以每年不少于1 0 亿美元的力度继续开发。欧共体的“明日汽车”行动计划，美国的“新一代汽车伙伴计划”，都旨在抢占电动汽车产业的制高点。在世界范围内，电动汽车的研究都是从单独依靠蓄电池供电的纯电动汽车开始的，但是由于动力电池的性能和价格还没有取得重大突破，因此纯电动汽车的发展没有达到预期的目的。混合动力电动汽车正是在纯电动汽车开发过程中为有利于市场化而产生的一种新车型，日本丰田公司开发的P r i u s 和本田公司开发的I n s i g h t 两种
2、混合动力电动汽车已开始小批量投放市场。欧洲各大汽车厂商也争先恐后的推出了本公司研制的混合动力电动汽车。在燃料电池汽车方面，世界各大汽车公司相继推出了以甲醇或汽油为燃料的燃料电池汽车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池，其燃料效率比内燃机提高1 倍，而产生的污染则只有内燃机的5 。估计在5 年内可研制出使用该种动力系统的电动汽车，并有望于2 0 0 5 年投入商业化生产。我国自1 9 8 0 年以来，专门从事电动汽车研究的机构就相继成立。2 0 0 1 年1 0 月2 日，中国8 6 3 计划电动汽车重大专项可行性研究报告在科技部组织召开的论证会上获得与会专家通过。这标志着对
3、中国汽车产业发展具有重大战略意义的电动汽车专项正式启动。经过多年探索与努力，中国电动汽车电池、电机、电控三大关键技术相继取得突破。可以说，在电动汽车这一新的领域我们与国外处于相近的起跑线，技术水平与产业化水平的差距相对较小。因此，我们必须抓住机遇，下大决心，对我国汽车工业的发展战略和总体技术路线，以及组织管理模式进行重大调整，把混合动力电动汽车作为现阶段我国电动汽车发展的重点和方向，这不仅为我国汽车工业带来了一次技术革命第1 章概述和产业突破，而且带动我国电子机械、精密加工、新材料等相关产业实现了次飞跃和大发展。1 1 2 电动汽车监测装置的发展现状电动汽车的发展带动了电子机械、精密加工、新材
4、料等相关产业的发展，同时，电动汽车的发展也必须有随之发展的监测技术的发展。在电动汽车时代到来之前，混合动力型汽车只是作为一种过渡产品。但作为电动汽车发展的起步阶段，混合动力型汽车在整个电动汽车发展过程中起着熏要作用，因此掌握混合动力汽车运行过程中的各种运行状态和性能参数对于研究电动汽车就显得尤其重要。这些参数不仅包括传统燃料汽车的运行速度、行驶里程、油耗指示、柴油机转速等，还包括电动汽车独有的电能指示、电源电压、电流及电机转速等参数。掌握这些参数能为正确的分析电动汽车的相应性能，制定正确的改善方案提供有力的依据，对研究开发电动汽车具有一定的指导意义，对电动汽车的发展必将起到推动作用。国际各大汽
5、车公司在集中力量研制新的电动汽车的同时，也都研究出了符合自身要求的电动汽车监测系统。其中瑞士P i t a g o r aS A公司已开发出道路上监测电动汽车性能的数据采集系统( D A S ) ，该系统最初应用于大型电动汽车领域，目前己具备商业化可能性。D A S 系统包括车载数据采集模块、可装卸式存储器模块装置、非车载存储、分析模块和数据显示。非车载存储、分析模块和数据显示是数据采集和处理的中心。可装卸式存储器模块装置存储车速和电池充电性能、电流、温度等原始数据。车载模块由两部分组成：安装在驾驶室的主模块；安装在电池附近的卫星接收模块。驾驶员可观测到诸如电池续航能力、瞬时能量消耗、电池充电
6、水平等信息。数据收集情况如下：第1 章概述表卜lD A S 系统数据收集表数据范围电池电压0 4 0 0 V电池电流一4 4 0 4 0 0 A环境温度一2 5 十7 0 海拔变化0 5 0 0 0 m车速O 2 5 5 k m h电池的电荷容量O 2 0 0 0 A h系统输出信息为：行驶距离、平均温度、平均速度和加速度；速度与加速度频谱；每百公里行驶状况；行驶、再充电和停车的总时间分配；再启动最大与最小加速度：电池总充电量、百公里平均充电次数、昼夜充电分配情况；百公里电池平均能量供给、消耗、能量再生、初始容量和再充电后的变化情况。针对这一新兴课题，国内许多高校和科研院所投入了大量资金和人力
7、物力，并取得了一定的成果。但对于电动汽车参数的检测主要集中于对电池充、放电参数检测和记录，而对于整车的运行参数没有统一的记录，这不利于事后分析电动汽车运行过程中的各种性能。就算是很先进的D A S 系统，从它的数据收集情况和系统的输出信息不难看出，也是针对电动汽车“电动”部分设计的，忽略了对传统汽车那部分性能的监测。并且，随着现代汽车制造技术发展，对汽车控制系统及各种参数检测精度和速度提出了更高要求，同时在试验现场也急切需要一个友好的人机交流通道。第1 章概述针对上述情况，我校承担了国家8 6 3 科技攻关项目电动汽车主课题下电动汽车整车运行参数车载记录装置研制的子课题研究。1 2 系统的总体
8、设计本文介绍一种基于C A N 总线的汽车智能监测系统设计实例。该系统采用了先进的计算机技术、传感器技术和总线技术，集信号采集、数据处理、通信、显示记录、查询和智能分析于一体，控制实时性好，人机界面友好，实现了整车监测智能化和多传感器之间的有效融合。系统的软、硬件均采用了模块化的设计思想，便于系统的扩展。在硬件上，采用开放式的现场C A N 总线网络，任何符合C A N协议的其它模块，只要挂接到网络中即可。在软件中采用模块设计思想，v c + + 类封装模式保证了系统软件的通用性。车载P C I 0 4 数据显示和记录装置部分既为司机提供了友好的界面，反映电动汽车各个部分的实时性能参数，又可以
9、记录运行数据，还可以根据需要遥过串行通讯实时发送数据便于跟踪显示。P C 机数据处理与分析系统将从车载P C I 0 4 装置转载下来的车载记录转换成电动汽车运行参数数据库。分析汽车整个运行过程中的各项参数，并提供数据查询和报表打印功能。整体系统采用现场C A N 总线的方式组织整个检测网络。系统包括七大部分：电能模块、车辆模块、电机模块、电池状态采集模块、P C I 0 4 车载主机模块、G P S 接收模块及P C 机数据处理与分析系统。整体系统结构框图如图l - l 所示。前四个模块作为终端数据采集单元，采用8 0 C 1 9 6 K B 作为C P U实时采集各个终端的参数。分别为：电
10、能模块：采集动力电池和辅助电池的电压、电流、充电量、放电量等状态值及环境温度；第l 章概述车辆模块：采集车辆的启动、制动和空调启停状态，电机和柴油机的转速；电机模块：采集电机电压、电流、用电量和反馈电量；电池模块：采集4 0 组电池的电压、温度和传感器状态。两个软件模块：车载主机模块：接收终端数据采集单元发送来的数据，进行实时显示，并以合理的压缩算法对大量数据进行记录，以各进行地面分析与处理。必要时以串行通讯方式向便携式P C 机实时发送数据以进行随动试验跟踪显示。P C 机数据处理与分析系统：对数据进行离线式处理与分析，查询图1 1 整体系统结构框图第1 章概述电动汽车整个运行过程中任意时刻
11、的各种运行参数，并绘制出参数曲线，并做一定的数据分析。另外还有一个“G P S 接收模块”，它的任务就是接收G P S 数据信息，用作测速测距研究。图1 - 1 中的虚线框内的内容就是本文要详细介绍的内容。课题组研究的目标就是研究开发对采集的电动汽车的主要运行状态及参数进行实时接收、处理、记录以及数据可视化及图形化显示、统计分析、汇总报表、存档、打印等工作的软件系统，以形成对电动汽车主要运行工况进行实时监测以及对其产品进行检测、试验和认证的能力。研究的主要内容包括两大部分，可具体用图1 2 表示出来：I P C I 0 4 车载部分图1 - 2 研究内容结构设计框图第1 章概述数据的接收及显示
12、：实时读取双口R A M ，接收数据并做好处理以供后续使用。数据的显示：采用多种显示方式实时显示各项参数。数据的记录：数据的记录文件为二进制文件，记录算法采用非定长压缩算法，数据变化则做一次记录。数据的转储：数据的转储介质选用移动闪盘。2 P c 机数据处理与分析系统试验参数的设置：设置必要的参数，为试验做准备。数据库的转换：将从P C I 0 4 车载装置上转载下来的二进制记录文件转换成s Q LS e r v e r 数据库。记录的查询：随时查阅S Q LS e r v e r 数据库，打印报表。随动试验：在现场可以启动串行通讯，接收实时传送的数据并绘制同步曲线图。试验自动评判专家系统：建
13、立专家系统，对电动汽车性能进行评价，这是课题组在今后的工作中要加以完善的部分。第2 章电动汽车测速测距系统的设计第2 章电动汽车测速测距系统的设计车辆行驶速度及行驶距离是车辆运行中的基本参数，也是分析车辆性能的主要依据，所以必须提供高精度、高可靠的速度和距离参数。如何精确的测量这两项参数就是本章将要解决的问题。2 1 电动汽车测速测距方法研究2 1 1 电动汽车测速测距的常用方法我国汽车上的测速方式一直沿用测量车轮转速与车轮圆周作乘积的方法，其中车轮转速的测量( 即测频) 是测量的重点。关于测频的方法通常有以下四种：频率法( “F ”法)即定时计数法，它需要设置一个时间闸门T ，然后在这个时间
14、T范围内计数，主要用于测量高频信号。周期法( “T ”法)即测脉冲宽度法，主要用于测量低频信号。多倍精度周期法( “M T ”法)即根据不同的频率选择不同的被测信号周期数。这种方法实现时不易编制统一的程序，因此使用很少。 F r 法在时间T 内记下每一个脉冲的输入实时时间t m 及输入脉冲的个数n ，用最后一个脉冲输入实时时间减去第一个脉冲输入的实时时间就得到实际的时间闸门T 。实际处理时采用精确的T 和T 时间内准确的脉冲个数( n 一1 ) 来计算脉冲频率。F T 法对于高频低频信号均适用，且测量精度高。第2 章电动汽车测速测距系统的设计有了车轮转速N ( 转分) ，设车轮直径为D ( 米
15、) ，则车辆行驶速度v ( 于米d 时) 由下式可求出v = 0 0 6 7 r D - N可以看出，车辆的行驶速度还与车轮直径有关，不同的车辆车轮直径是不相同的。如果装置安装在不同的车辆上，试验前必须设定车轮直径，并且车轮直径的值不一定很精确，极大的影响了速度的测量精度。并且一旦车轮出现空转、蠕滑、蛇行和抱死等现象，也会引起很大的误差。因此，这就迫使我们打破常规的测量方法选用新的方法。G P S 测速测距法是课题组选用的新方法。它利用G P S 系统精确的授时、定位和跟踪特性，通过接收G P S 系统测定的目标运行速度及位置测量值来完成测速测距工作。下厦就G P S 系统做一下简单介绍。2
16、1 2G P S 简介航天技术是加世纪人类认识和改造自然进程中最活跃、最有影响的科学技术领域，它对人类社会的进步和现代科学技术的发展有着重要的促进作用。全球定位系统( G l o b a lP o s i t i o n i n gs y s t e m G P s )是美国国防部为陆、海、空三军研制的卫星导航定位系统。它采用“多星、高轨、高频、测时测距”体制，具有全球覆盖、全天候、高精度、连续实时的精密三维导航与定位能力，有着广泛的应用价值和发展潜力。1 G P S 的组成G P S 主要由三大部分组成：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。( 1 ) 空间卫星星座G P S 卫星星座由2 4 颗卫星组成，其中包括3 颗备用卫星。工作卫星分布在6 个等间隔的轨道面内，每个轨道面分布4 颗卫星，保障第2 章电动汽车测速测距系统的设计在地球上和近地空间任一点、任何时刻均可至少同时观测4 颗G P S卫星，便于进行实时定位。其主要功能为：接收和储存由地面监控站
