电动汽车电子控制系统设计

电动汽车电子控制系统设计摘要 首先，根据电动汽车的特点，给出了电动汽车的设计思路，分析了城市交通的特点，提出了小型纯电动汽车的性能指标，设计了小型纯电动汽车的电气系统总体，对各个控制单元的功能进行了分析。其次，建立了电动汽车动力系统数学模型，基于电池组输出能量与电动汽车消耗能量相等的原则，给出了电动汽车续驶里程的计算方法，并对其影响因素进行了分析，为电动汽车的研究开发提供了理论基础。再次，探讨了电动汽车的优化设计方法，建立了整车及各个组件的数学模型和Simulink仿真模型。最后，基于 PLC和变频器设计了驱动控制系统的软硬件结构，该控制系统能够对电动汽车的转向、前进、倒车、停止、制动进行较为精确的控制，可以为电动汽车驱动控制器的设计提供新的参考。关键词 电动汽车, 参数优化, 系统仿真, 自动控制, 可编程控制器1 绪论纯电动汽车是以二次电池为储能载体，二次电池以铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池为主。由于二次电池目前在储电量、充放电性能、使用寿命、成本等方面无法与内燃机相比，因此近一时期以来，研究进展不大，大多数研究单位已将研究目标转为混合动力汽车。续驶里程有限:目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100300km，且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池管理系统才能得到保证，而绝大多数电动汽车在一般行驶环境下的续驶里程只有50100km。比起传统燃油汽车而言，电动汽车的较短续驶里程成为其致命的弱点。成本过高:目前各式电动汽车能示范运行的，都是在原燃油汽车的底盘、车厢基础上改装而成的，即将发动机、油箱等系统全数拆下，然后装上电机、电池等相关配套设备就形成电动汽车。电池、电机及其控制器技术复杂，其成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技术，致使电动汽车的造价居高不下。蓄电池性能难以满足要求:电动汽车使用的普通蓄电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。若采用动力足、寿命较长的电池，其成本较高。普通燃油汽车填充燃料，方便快捷，而当今市场上的电动汽车充电时间一般在68小时，给电动汽车的使用带来极大不便。现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。如果电动汽车自身整备质量大，就会影响加速性能和最大车速的提高。电动汽车基础设施有待建设:电动汽车即将进入商业化阶段，与大批量电动汽车正常运行有关的基本配套设施和法律法规还不健全。充电站、蓄电池更换站、维修站建设基本上处于空白阶段。电动汽车的标准化，汽车行驶相应的政策法规正在制定之中。电动汽车的基础设施建设是一项巨大的系统工程。2 电动汽车电气系统设计电气系统总体配置框图如图2.5所示。整车以车辆管理单元(VMU)作为主控制单元，以电机驱动控制单元(PMU)、电池管理单元(BMU)及相关控制电器作为从控制单元，以电动机和蓄电池组作为控制对象。其控制流程如下:驾驶员控制操纵装置(如踏板、钥匙)向VMU发出命令，VMU通过通讯网络系统接收控制命令并采集BMU、PMU、整车等的状态信息进行相应的处理和运算，然后发出操纵指令，PMU, BMU和车载仪表由通讯网络获得VMU操纵命令，执行命令并反馈信息至VMU。主电池经DC/DC变换器向VMU及原有车身电气系统（冷风暖风、助力转向、车灯、音响、喇叭和刮水器等)提供低压电。图2.5 小型纯电动汽车电气系统总体配置框图对于纯电动汽车，很多部分都由独立的电子控制器进行控制。为了将整个电动汽车内各系统进行统一管理，实现数据共享和相互之间协同工作，采用总线进行数据传递。CAN网络是现场总线技术的一种，它是一种架构开放、广播式的新一代网络通信协议，称为控制器局域网现场总线。CAN网络原本是德国BOSCH公司为欧洲汽车市场所开发的。CAN推出之初是用于汽车内部测量和执行部件之间的数据通信。在现代轿车的设计中，CAN总线被广泛的采用，奔驰、宝马、大众等汽车都采用了CAN总线进行控制器的联网。CAN总线的特点如下12:(1) 数据传输距离远，传输速率高根据物理层实现的不同最远传输距离可达10km，最高传输速率可达1Mbit/s。(2) 多主、广播式通信CAN通信网络没有网络地址之分，各个主设备的通信采用广播式通信。网络中各个节点都可以发送和接收报文，节点根据报文的标识符决定接收或屏蔽该报文。原理上网络可连接节点数量不限，但局限于物理层实现。(3) CSMA/CD+AMP总线访问仲裁机制CAN总线采用CSMA/CD+AMP总线访问仲裁机制。各个节点实时对总线信号进行监测，当总线出现空闲时，节点才允许发送数据。而当总线上同时有超过两个节点同时传送报文时，则采用“无损逐位仲裁”的方法来仲裁总线控制权，优先级高的报文拥有最高优先权，没有来得及发送的报文则等待并重新发送。报文的优先级由报文的标识符决定。这样拥有较高优先级的报文会赢得仲裁并能够保证在一定的时间内发送成功，从而保证了通信的实时性。(4) 高安全性，可靠的错误检测和处理机制CAN总线通信网络节点发送的报文遭到破坏后，可自动重发。节点在错误严重的情况下具有自我切断功能。2.4 电驱动系统控制回路结合小型电动汽车电气系统总体配置框图，设计出电驱动系统控制回路总体框图，如图2.8所示。图2.8 电驱动系统控制回路总体框图图中BMU为电池管理单元；VMU为车辆管理单元；PMU为电机驱动管理单元；KA1为VMU电源继电器；KA2为PMU主接触器控制继电器；KA3为充电接触器控制继电器；KA4为PMU软上电继电器的控制继电器；KA5为PMU软上电继电器；KM1为PMU单元主接触器；KM2为充电接触器；R为软上电限流电阻；S1B为BMU电源开关；S1V为VMU开关；SQ1为充电机接通信号行程开关；F为熔断器。3 电动汽车续驶里程及其影响因素3.1 电动汽车的动力学模型汽车在无风天气、正常道路上行驶过程中，道路负载如图3.1所示。图3.1 电动车的道路负载根据力的平衡关系，电动汽车的行驶方程式为15:Ft = Ff + Fw + Fi + Fj 式(3.1)Ft = fmgcosa + mg sina + ma 式(3.2)式中 m 整车质量（kg）； f 滚动阻力系数； 旋转质量换算系数；a 车辆加速度（m/s2）；Va 车速（m/s）；CD 空气阻力系数；A 车辆前部迎风面积（m2） ；a 道路的坡度角 ( )；Ft 电动汽车的驱动力（N）；Ff = fmgcosa 电动汽车行驶时的滚动阻力（N）；Fw = 电动汽车行驶时的空气阻力（N）；Fi = mg sina 电动汽车行驶时的坡道阻力（N）；Fj = ma 电动汽车行驶时的加速阻力（N）；以电动汽车行驶速度Va乘以式(3.2)两端，考虑机械损失，再经过单位换算之后可得:Pm =( fmgcosa + + mgsina + ma) Va 式(3.3) =( Pf + Pw + Pi + Pj ) 式(3.4)式中 Pm 电动机输出功率（kw）； 电动机输出轴至驱动轮之机械传动装置的总效率；Pf = 克服行驶阻力所消耗的功率（kw）；Pi = 克服坡度阻力所消耗的功率（kw）；Pw = 克服空气阻力所消耗的功率（kw）；Pj = 克服加速阻力所消耗的功率（kw）；电动汽车上动力蓄电池组两次充足电之间的总行驶里程称为电动汽车的续驶里程，以千米(km)来表示。目前国内外测量续驶里程通用的方法是等速法和工况法15,工况法较复杂，这里选用等速法进行推算。汽车以速度V等速行驶时，其坡度阻力和加速阻力消耗的功率忽略不计，所需的电机输出功率Pm，和输出转矩Ttq,为:Pm = ( fmg + ) V 式(3.5)Ttq = ( fmg + ) 式(3.6)当汽车以速度V等速形式时，续驶里程为（推导见附录A）: S = V t = V = ()k-1 式(3.7)3.2 等速法续驶里程影响因素分析电动汽车的续驶里程的影响因素比较复杂，与电动汽车在行驶过程中的能量消耗紧密相关。由电动机需要输出的功率表达式(3.5)可以看出，影响它的主要因素来自电动汽车本身结构条件和行驶的外部条件。在电池能量不变的条件下，续驶里程指标与行驶阻力T和行驶阻力功率P及电机的效率曲线= f(P)有关。而行驶的阻力矩和阻力功率又与滚动阻力系数f、迎风阻力系数CD、整车总重量G、迎风面积A、车速V等有关。3.2.1 电机对续驶里程的影响对于固定速比的电动汽车，行驶过程中汽车行驶速度与电机转速成一定的比例。同时，汽车行驶的速度不同，对电机的需求功率不同，这样电机处于不同的工作状态，由于电机各个工作状态效率的不同，对续驶里程将产生很大的影响，我们希望电机的高效率区比较宽广。图3.2为Y112M-4感应电动机效率特性曲线。当汽车整车质量M =1020kg。当汽车行驶速度很低时，行驶阻力很小基本保持不变，但是电机效率很低，随着车速的增加，电机效率上升，续驶里程增加；当车速V =20km/h时，续驶里程达到最大值；若车速继续增加，电机效率变化很小，但阻力随车速增加而迅速增长，续驶里程逐渐减小。3.2.2 整车因素对续驶里程的影响(l) 整车质量的影响：电动汽车的质量直接影响到汽车的续驶里程和驾驶性能。在汽车等速行驶时，车体质量变化引起对电动机功率输出需求的变化，使得电动机处于不同的工作状态，我们考察质量在-10%10%变化时对电动机的影响。当汽车等速行驶V =45km/h，原车重M =1020kg ,质量的变化范围为918,1122。随着整车质量的增加，电机效率有所提高。但是，对电动机输出功率的需求也逐步增加，汽车的续驶里程减小。续驶里程在-6.38%7.42%范围内变化。整车质量在-10%10%范围内变化。随着汽车整车质量的增加，等速行驶续驶里程将减小。(2) 滚动阻力系数的影响：滚动阻力系数与路面的类型、路况、行驶车速以及轮胎的结构、材料、充气压力、磨损情况等有关。若以f =0.018为基准，当滚动阻力系数在-10%10%范围变化时，考察当汽车等速行驶V=45km/h,车重M=1020kg时，续驶里程随滚动阻力系数变化曲线如图3.8示。由数据计算得到续驶里程的变化范围为-6.51%7.6%随着滚动系数的增加，汽车需要克服的滚动阻力增加，电池组能量为有限定值，续驶里程随之而加少。不同速度下等速行驶续驶里程与滚动阻力系数变化的关系，低速段主要受电机效率的制约，车速加快，电机效率增加，续驶里程增加。在高速段电机效率变化不大，主要受行驶阻力的影响，随着车速的进一步加大，行驶阻力加大，汽车续驶里程减小。 (3) 空气阻力系数的影响:汽车直线行驶时受到的空气作用力在行驶方向上的分力，称为空气阻力Fw。受空气阻力系数变化的影响，V =45km/h时续驶里程变化曲线如图3.10示。电机的输入、输出功率随之而变化趋势曲线如图3.11示。随着空气阻力系数的增加，汽车的续驶里程减少，电动机的输入、输出功率增加。CD以0.4为基准在-10%10%范围内变化，续驶里程的变化范围为-5.93%6.8%。在不同的等速下空气阻力系数对续驶里程的影响。在车速V20km/h时，曲线基本重合，空气阻力系数变化对续驶里程的影响很小，这是由于低速时空气阻力很小造成。当V20km/h时，由于空气阻力与速度的平方成正比，随着速度的增加空气阻力系数变化的影响加强，同一等速下汽车续驶里程变化范围变大。 (4) 车辆迎风面积的影响：汽车在行驶方向上的投影面积为汽车的迎风面积。汽车迎风面积是影响汽车空气动力学阻力的主要因素之一。当汽车以V=45km/h等速行驶，迎风面积以A=1.7019m2为基准在-10%10%范围内变化时，对汽车续驶里程的影响见图3.12示。车辆迎风面积的增加使得汽车等速行驶时所受空气阻力增加，对电动机需求功率增加，能量消耗增加，汽车的续驶里程减小。续驶里程的变化范围为-2.47%2.62%。3.2.3 电池对续驶里程的影响在电动汽车中，电池是能量的来源，电池有效能量直接决定了电动汽车的续驶里程。由式(3.7)知，当电动汽车携带的电池总质量一定时，电池比能量q的不同，电池容量不同，随着电池比能量地增加，电池的容量增加，等速行驶的续驶里程增加。图3.14为V =45km/h等速行驶时续驶里程随电池比能量的变化曲线。电池比能量在-10%10%范围内变化，续驶里程在-10%10%范围内变化。汽车在不同等速下电池比能量变化对续驶里程影响的曲线，在相同的车速下电机的工作点没有发生变化，电池比能量变化对电机工作状态无影响。4 纯电动汽车的参数优化分析4.1 动力传动系统参数优化问题的描述电动汽车动力传动系统优化问题，可以归结为在满足汽车动力性能前提下，续驶里程最长的问题。进而可以表述为，汽车动力性能约束下，汽车质量最小的问题。这样动力传动系统优化问题抽象为一个全变量约束问题，即带有约束条件的多元非线性函数最小值问题，其表达式为: 式（4.1）式中 x =(x1, x2, x3) 设计变量；f (x) 目标函数； C (x) 非线性不等约束； Ceq(x) 非线性等式约束；A、b 满足线性不等式约束Axb；Aeq, beq 满足等式约束Aeqx =beq；lb、ub 满足lbxub；利用Matlab优化设计工具箱可以实现有约束的多元函数最小值的求解17。4.2 参数匹配的初始条件和约束参数匹配的初始条件包括原车性能参数和设计目标两个部分。其中车辆的性能参数见表3.1，而设计目标又分为基本动力性要求和目标循环工况下经济性要求。基本动力性要求见表2.2，目标循环工况的选取是根据我国电动汽车道路车辆能量消耗率和续驶里程试验规程中规定，采用欧洲十五工况(ECE-R15)循环为目标工况其基本参数 2。4.3 电动汽车动力性能要求对各组件的约束(l) 电机功率约束，汽车以Va车速在坡度为a的路面上行驶时，电动机的需求功率为:Pi =( fmgcosa+ mg sina) Va 式(4.2)汽车在tf时间内速度由0加速至vm所需功率为：Pa =( ) 式(4.3)汽车以最高车速，在平直路面上行驶时所需要的功率为：Pv =( fmg +) Vmax 式(4.4)所以电动机的最大功率为：Pmmax = max（Pi， Pa， Pv） 式(4.5)(2) 电池功率和能量约束，在纯电动汽车中，电池作为唯一的能量源，在满足汽车行驶的功率要求的同时，必须保证具有足够的能量来维持一定的续驶里程。对于电动势为E，内阻为R的铅酸电池在实际应用中最大输出功率应为： Pbmax = 式(4.6)电池组最大功率为： Pbmax 式(4.7)式中 电机及控制器工作效率 电池放电深度若要求汽车以等速V行驶的续驶里程为S，由式（3.25）知Qm()k-1 式(4.8)若单块电池的容量为Qb 由式（3.8）得nbat()k-1 式(4.9)4.4 动力参数优化匹配图4.2所示为优化过程，优化过程中的一次迭代由三个部分组成。运行工况定常参数设计变量汽车动力学仿真分析仿真数据确定组件规范确定组件参数目标函数组件特征非线性不等式和等式约束c(x)和ceq(x)图4.2设计模型动力传动系统优化流程首先，车辆动力学仿真，由车辆动力学模型提供的最初的即时数据来实现。其次，分析上一步提供的数据并且根据考虑到动力学特性的各种原则详细描述组件的规范。最后是确定组件参数尺寸过程。这些组件特性被用来进行约束估计。当所有约束条件都满足并且目标函数达到最小值时停止优化程序。电动汽车的动力学模型为基于能量的全变量模型。由描述车辆不同组件的模型组成，如图4.3所示。图中和E分别为动力传动系统每个组件的效率和输出能量。工况循环整车Ev传动系统r Er电机mEm电池bEb逆变器c Ec图4.3基于能量的电动汽车动力学模型根据第三章电动汽车的动力学分析在Matlab/Simulink环境下建立仿真模型如图D1（附录D）所示，根据图D1电动汽车能量传递关系，建立基于能量的全变量模型见图D2所示。5 结论本文阐述了小型纯电动汽车的性能指标、电气系统的构成及各个单元的性能，设计了电驱动系统控制电路。然后分析了电动汽车续驶里程的计算方法和影响因素，提出了提高汽车续驶里程的措施。将电动汽车动力参数匹配问题归结为全变量约束优化问题，提出可以对汽车的动力传动系统进行参数优化，并可利用ADVISOR软件进行整车性能仿真。最后利用PLC和变频器实现了电控单元的整车控制，并设计人机界面来实现状态监视、故障报警。由此，可以得到以下结论:(1) 城市通勤车辆车速平均在30km/h，续驶里程一般小于60km，小型纯电动汽车完全能够满足人们的要求，成为理想的代步工具。(2) 电动汽车续驶里程是电动汽车的一个重要性能指标，主要受整车参数、电机、电池性能的影响。提高电动汽车的续驶里程，要尽可能的降低各环节的能量损失，降低轮胎滚动阻力系数、改善汽车外形、减轻汽车总质量，进行动力传动系统优化匹配。(3) 动力系统的合理匹配是改善汽车性能，提高续驶里程的有效措施。动力系统参数匹配问题是全变量约束最优化问题，采用直接法可以在优化的同时修改模型，使得匹配结果快捷、准确。(4) 整车驱动控制采用PLC控制应该可以实现性能指标的要求。PLC作为车辆驱动控制单元的微处理器，具有可靠性高，抗干扰能力强，控制系统的设计、安装、调试和维修方便等优点。电动汽车是一个复杂的开发项目， 控制系统采用的硬件和软件也各不相同如用DSP、单片机等，各种系统的控制效果有待于实践的检验 。在本系统的设计过程中，利用 PLC控制电动汽车的先例很少， 因而，借鉴的因素较少，控制系统的质量有待进一步试验和改进 。但基于PLC的十分完善的技术，通过整合，定会给电动汽车控制器的开发带来有用的效果。参 考 文 献1 陈清泉，孙逢春，祝嘉光.现代电动汽车技术M.北京:北京理工大学出版社，2002.11.2 C.C.Chan. 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