（动力机械及工程专业论文）纯电动汽车整车控制器研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：电动汽车被认为是未来缓解汽车能源短缺与环境污染两大问题最有效 的方案之一。纯电动汽车将会是未来电动汽车发展的方向。随着对纯电动汽车研 究的不断深入，其结构也趋于多样化，其中轮毂电机驱动纯电动汽车备受关注。 本文以轮毂电机四轮独立驱动纯电动汽车为研究对象，针对实验样车，设计 开发了纯电动汽车的整车控制器。总结分析纯电动汽车三种结构特点，确定轮毂 电机四驱的结构方案，设计控制系统的结构。分析总结整车控制器输入输出信号的 类型、功能以及控制器的工作原理，提出整车控制器设计的要求，对整车控制器 的功能进行定义，确定整车控制器的设计方案。对纯电动汽车的行驶工况进行分 析和描述，建立了各个工况下的控制策略。针对实验样车，利用m a t l a b s i m u l i n k 工具建立四轮差速模型，通过模拟仿真验证采用的差速算法的可行性。围绕所选 的整车控制器芯片m c 9 s 1 2 x d p 5 1 2 ，考虑硬件电路的电磁兼容性和抗干扰能力， 采用p r o t l 9 9 s e 软件完成整车控制器硬件设计。采用分层、模块化的设计思想，完 成控制器软件架构和控制器软件主程序控制流程的设计，并最终完成整车控制器 各个功能模块程序的设计开发。采用软硬件结合的方法，对整车控制器的各个电 路模块进行检测调试。利用信号发生器、直流电源以及电路板上外加的电路元件， 模拟纯电动汽车整车控制器的所有输入信号，在不上车试验的情况下，对所设计 的软件进行调试，完成整车控制器的软件调试工作。本文搭建了整车控制器的试 验平台，针对试验样车，设计了整车控制器的试验方案和试验方法。通过实验验 证了所设计的整车控制器可以实现空载情况下对纯电动汽车基本行驶控制功能。 关键词：纯电动汽车；整车控制器；控制策略；差速控制； 分类号： 请输入分类号( 1 2 ) ，以分号分隔。】 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ee l e c t r i cv e h i c l ei sc o n s i d e r e dt h a ti ti s 也em o s te f f e c t i v em e t h o di n t h ef u t u r et oa l l e v i a t et h ev e h i c l ee n e r g ys h o r t a g ea n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n p u r e e l e c t r i cv e h i c l e sw i l ib et h ed i r e c t i o no ff u t u r ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cv e h i c l e s w i m t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fp u r ee l e c t r i c v e h i c l e ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r e a t t e n t i o nt op u r ee l e c t r i cv e h i c l e sb yw h e e lm o t o rd r i v e i nt h i sa r t i c l e ，ap u r ee l e c t r i cc a rb yf o u rw h e e lm o t o r sd r i v ei s r e s e a r c h e d ，t h e v e h i c l ec o n t r o l l e ro fi ti sd e s i g n e da n dd e v e l o p m e n t e d t h r e es t r u c t u r a lf e a t u r e so f p u r e e l e c t r i cv e h i c l e sa r es u m m a r i e da n d a n a l y s i s e d ，t h e s t r u c t u r a ls c h e m e w h i c hi s w h e e l m o t o rd r i v ei sd e t e r m i n e d t h et y p ea n df u n c t i o no ft h em p u ta n do u t p u ts i g n a l s o ft h ev e h i c l ec o n t r o l l e ra r ea n a l y z e da n ds u m m a r i e d ，p u tf o r w a r dt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so ft h ev e h i c l ec o n t r o l l e rd e s i g n t h ef u n c t i o no ft h ev e h i c l ec o n t r o l l e ri s d e f i n e d ，t h ed e s i g no ft h ev e h i c l ec o n t r o l l e ri sd e t e r m i n e d a n a l y s i sa n dd e s c r i b e st h e p u r ee l e c t r i cv e h i c l ed r i v i n gc o n d i t i o n s ，e s t a b l i s h e sc o n t r o ls t r a t e g yo fe a c hc o n d i t i o n m a t l a b s i m u l i n kt o o l sa r eu s e dt oe s t a b l i s h ed i f f e r e n t i a lm o d e lf o rt h ee x p e r i m e n t a l p r o t o t y p ev e h i c l e s i m u l a t i o ni su s e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fd i f f e r e n t i a la l g o r i t h m a r o u n dt h ev e h i c l ec o n t r o l l e rc h i pm c 9 s12 x d p 512 ，c o n s i d e r e dt h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t ya n da n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t yo ft h eh a r d w a r ec i r c u i t ，t h ev e h i c l ec o n t r o l l e r h a r d w a r ei s d e s i g n e dt h r o u g hp r o t l 9 9 s es o t h a r e t h em a i nc o n t r o lf l o wa n d a r c h i t e c t u r eo ft h ec o n t r o l l e rs o f t w a r eh a sb e e nd e s i g n e db yh i e r a r c h i c a la n dm o d u l a r d e s i g nc o n c e p t a n dt h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e so ft h ev e h i c l ec o n t r o l l e rp r o g r a m a r ec o m p l e t e d u s e dh a r d w a r ea n ds o t h a r ec o m b i n a t i o n ，t h ev e h i c l ec o n t r o l l e rc i r c u i t m o d u l ea r et e s t e da n dd e b u g g e d a l lm p u ts i g n a l so f p u r ee l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o l l e ra r e a n a l o gb ys i g n a lg e n e r a t o r , t h ed cp o w e rs u p p l ya n dp l u sc o m p o n e n t so nt h ec i r c u i t b o a r d u s e dt h i sm e t h o d ，t h es o f t w a r eo fv e h i c l ec o n t r o l l e ri sd e b u g g e d t h ev e h i c l e c o n t r o l l e rt e s tp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ，a n dp i l o tp r o g r a m sa n dt e s tm e t h o d sf o rv e h i c l e c o n t r o l l e ra r ed e s i g n e d b ye x p e r i m e n t s ，i ti sp r o v e dt h a tt h ev e h i c l ec o n t r o l l e rc a n a c h i e v et h eb a s i cc r u i s ec o n t r o lf e a t u r ei nn o 1 0 a dc a s eo fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e s k e y w o r d s ：p u r e e l e c t r i cv e h i c l e s ；v e h i c l ec o n t r o l l e r ；c o n t r o ls t r a t e g y ； d i 虢r e n t i a 】c o n t r 0 1 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师张欣教授的悉心指导下完成的，张欣教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，并且张欣教在生活上给予 我非常多的关心和帮助，在此衷心感谢两年来张欣老师对我的关心和指导。 刘建华老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向刘建华老师表示衷心的谢意。 陈宏伟老师和张良老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此对他们表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，靳彪师兄、侯效森师兄、许建师兄、郑世卓 师姐以及王鹏、曾凯、陈立超等同学对我论文中的控制器硬件设计工作给予了热 情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和挚友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 斗k 。 绪论 1 1 纯电动汽车发展现状 1 绪论 众所周知，能源问题已不再是某个国家的问题，它已成为一个世界性的问题。 对于汽车行业来说，2 0 世纪7 0 年代的石油危机使人们认识到自然资源的有限性与 合理利用自然资源、促进国民经济可持续发展的迫切性。而伴随能源问题的出现， 环境问题也日趋严重。由于传统的发动机动力主要来自石燃料，并且排放的尾气 中含有大量的有害气体，因此汽车及发动机的发展正承受着来自上述两方面的巨 大挑战。据统计2 0 1 0 年我国汽车保有量为7 0 0 0 万辆，低于日本的7 5 0 0 万辆汽车 保有量，相当于美国2 8 5 亿辆汽车保有量的四分之一。由此可见我国汽车发展的 空间非常大。汽车保有量的不断攀升，虽然给人类带来经济的繁荣，但同时也给 城市带来了大气污染和汽车能源的压力。面对如此严峻的形式，电动汽车的研究 与开发引起了世界各国的关注。电动汽车与传统汽车相比，具有以下优点【l j ： 1 电动汽车与传统汽车相比，其最大的优点是能量利用率高，噪声低，对环 境污少。电动汽车的能源是由蓄电池提供的，而蓄电池的电能是由电网提供的。 电能可由太阳能、风能、核能、水能、潮汐能等新型能源提供，所以电动汽车不 依赖于石油能源，减少了石油的消耗。 2 电动汽车的量转换率高，同时具有更快更精确的转矩控制能力。电动汽车 能量利用效率大大超过传统汽车。电动汽车在运动中停车时不消耗能量，在制动 时可回收制动能量，给蓄电池充电再次利用，从而提高了电动车辆的能量利用率。 3 电动汽车的结构比传统车辆简单，机械传动部件少，减少机械谁损失，并 且驾驶员在操作时更加方便。由于少了很多机械传动设备，使其维修很方便，节 省了开支。 电动汽车除了在能源、环保和节能方面显示出优越性和具有强大的竞争力外， 在车辆性能方面也显示出了巨大的优势。电动汽车的转矩响应迅速、加速快，比 燃油汽车高出2 个数量级，电机可分散配置，通过线控技术直接控制车轮转速， 易实现四轮独立驱动和四轮转向【2 】。随着网络技术、信息技术和线控技术的广泛应 用，智能交通系统( i t s ) 的实现也会变得非常简单。 电动汽车是2 0 世纪最伟大的2 0 项工程技术成就中前两项技术的融合，即“电 气化 和“汽车”的融合产物【3 】。1 8 3 1 年世界上就有了第一辆电动汽车，其构想 与研制均早于传统燃油车，但由于性能不如燃油车，使其研究与开发工作一度停 滞；2 0 世纪7 0 年代的能源危机和石油短缺，又使电动汽车获得了生机，到了2 0 北京交通大学硕士论文 世纪8 0 年代，随着人们对于空气污染和温室效应的关注，对电动汽车的研究热情 进入了空前高涨期；从2 0 世纪9 0 年代初起，世界各大汽车集团公司如f o r d 、g m 、 t o y o t a 和h o n d a 等，都在电动汽车上投入了较大的资金，并研制出多种电动汽车 及电动汽车概念车，如f o r d 的t h i n kc i t y ，g m 的e v l ，t o y o t a 的m w 4 、p r i u s 和f c e v ，h o n d a 的e vp l u s 、i n s i g h t 和f c x v 3 等【45 。国内随着国家十五计划 “8 6 3 ”电动汽车重大科技专项的正式启动，全国各地对电动汽车研制和开发更加 重视。 一般而言，电动汽车可分为3 类，分别是纯电动汽车、混合动力电动汽车和 燃料电池汽车。目前，这三种电动汽车都处于不同的发展阶段，面临着不同的困 难和挑战。业内人士认为，混合动力电动汽车是传统汽车和纯电动汽车之间的一 个过渡，未来的汽车发展趋势必将是纯电动汽车。纯电动汽车又称为蓄电池电动 汽车，它具有高效、节能、低噪声、零排放等显著优点，在节能和环保方面具有 不可比拟的优势，因此它是解决传统汽车所带来的环境污染、能源短缺等方面问 题的有效办法。 纯电动汽车起源于美国，发展于日本，并随着纯电动汽车研究热潮的不断高 涨，迅速在世界范围内普及。德国和法国的纯电动汽车技术水平也得到迅速发展【6 】。 就目前而言，日本对纯电动汽车的研究和开发处于国际领先水平。国内纯电动汽 车的发展与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如茶的进行 着。从“十五”、“十一五”，到现在的“十二五”，国家从维护我国能源安全、 改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高 度考虑，设立“电动汽车重大科技专项 ，通过组织企业、高等院校和科研机构， 集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关。国内主要 汽车制造商对纯电动汽车的开发和研制也投入了相当的人力和物力，并取得了一 定的成果【7 j 。北京奥运会期间，奇瑞、长安、东风、一汽、京华及福田等汽车生产 企业联合清华大学、北京理工大学等单位，向社会提供了自主研发的5 5 辆纯电动 锂电池汽车、2 5 辆混合动力客车、7 5 辆混合动力轿车、2 0 辆燃料电池轿车，以及 4 0 0 辆纯电动场地车等各种新能源汽车为奥运会服务。奥运会后，科技部连续3 年 在国内1 0 个以上有条件的大中城市开展千辆级混合动力汽车、纯电动汽车和燃料 电池汽车、以及提供基础设施的大规模示范，2 0 1 0 年底节能与新能源汽车达到1 万辆【89 1 。2 0 1 1 年上海车展，国内很多汽车企业展示了自主研发的纯电动汽车。长 安奔奔m i n i 纯电动车采用锂电池，最高车速1 2 0 k m h ，充电6 小时，续航里程达 1 5 0 公里；比亚迪e 6 采用磷酸铁电池，最高车速1 4 0 k m h ，标准充电6 小时，续 航里程3 0 0 公里；江淮同悦纯电动车采用磷酸铁锂电池，标准充电8 小时，6 0 k m h 等工况下续驶里程1 5 0 k i n ；奇瑞瑞麟m 1 e v 采用高性能锂电池，最高车速1 2 0 k m h ， 2 绪论 标准充电时间6 8 小时，续驶里程可达1 2 0 多公里。长城腾翼c 2 0e v 纯电动车搭 载高效率锂离子电池，续驶里程1 5 0 k i n ：力帆6 2 0e v 纯电动车最高车速1 2 0 k m h ， 单次充电续驶里程1 6 0 k i n 。可以说，国内各研究单位及汽车企业对电动汽车的研 究开发，已处于百家争鸣的态势。 1 2 纯电动汽车关键技术 纯电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车，信息技术等多种高新技 术的集成，是典型的高新技术产品，其最终目标是实现智能化、数字化和轻量化。 纯电动汽车关键技术的研究是发展纯电动汽车的重点。纯电动汽车的关键技术主 要有： 1 动力电池技术 动力电池为纯电动汽车提供能量，是纯电动汽车的动力源泉，也是制约纯电 动汽车发展的关键因素。纯电动汽车使用动力电池的主要性能指标有比能量( e ) 、 比功率( p ) 、能量密度( e d ) 、循环寿命( l ) 和成本( c ) 等。纯电动汽车能与传统汽车 相竞争，必须要研究开发出比功率大、比能量高、使用寿命长的高效动力电池。 到目前为止，纯电动汽车上使用的动力点出电池经过了3 代的发展，并取得了突 破性的进展。第1 代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池( v r l a ) ，由于其比能 量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大批量生产的纯电动汽车用 电池。第2 代是碱性电池，主要有镍氢( n i m h ) 、镍镉叫j c d ) 、钠硫( n a s ) 、锂离 子( l i i o n ) 和锌空气( z n a i r ) 等多种动力电池，其比功率和比能量都比铅酸电池高， 因此此类动力电池在纯电动汽车上使用，可以大大提高纯电动汽车的动力性能和 续驶里程，但是此类电池价格却比铅酸电池要高出许多，并且锂离子电池等对环 境的安全条件要求比较高。第3 代是以燃料电池为代表的动力电池，例如氢燃料 电池等。燃料电池可以直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能 量和比功率都比前两代电池高，并且可以反应过程进行控制，能量转化过程可以 连续进行，因此是理想的汽车用动力电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技 术还有待突破【1 0 i 。 2 电机及其驱动控制技术 对纯电动汽车而言，电动机与驱动系统是电动汽车的动力输出部件，它直接 决定了纯电动汽车的动力性。要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有 调速范围宽、启动转矩大、转速高、质量小、体积小、效率高且有动态制动强和 能量回馈等特性【1 11 2 】。目前，纯电动汽车上应用的电动机主要有4 类，分别是直流 电动机( d c m ) 、永磁无刷电动机( p m b l m ) 、感应电动机( i m ) 和开关磁阻电动机 北京交通大学硕士论文 ( s r m ) 。目前，由感应电动机驱动的纯电动汽车大都采用矢量控制和直接转矩控 制。由于直接转矩控制方法直接、结构简单、控制性能优良，并且动态响应迅速， 因此非常适合纯电动汽车的控制。美国以及欧洲研制的纯电动汽车多采用此类电 动机。永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系统( b l d c m ) 和由 正弦波驱动的无刷直流电动机系统( p m s m ) ，它们都具有较高的功率密度，其控制 方式与感应电动机基本相同，因此在纯电动汽车上得到了广泛的应用。p m s m 类 电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动 汽车的驱动系统，有极好的应用前景。目前，由日本研制的电动汽车主要采用这 种电动机。另外开关磁阻电动机( s r m ) 具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内 高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。实际应用 发现s r m 存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，应用受到了限制。 随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。模糊控制、神经 网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结 合应用于电动汽车的电动机控制系统。 3 能量管理技术 纯电动汽车要获得良好的动力特性，必须装备比能量高、使用寿命长、比功 率大的动力电池作为动力源。然而，性能再好的动力电池，其储存的能量也是有 限的。因此，要对动力电池的有限的能量进行合理的分配，提高整车的能量利用 率和续驶里程。这就必须对动力电池进行系统管理。能量管理系统是纯电动汽车 的智能核心。一辆设计优良的纯电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、 选择适当的动力电池外，还应该有一套协调纯电动汽车各个功能部件工作的能量 管理系统，它的作用是检测单个电池或电池组的工作状态，并根据各种传感信息， 包括制动力、加减速命令、行驶路况、动力电池工况、环境温度等，以及空调等 用电设备工作状况，合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据电池组的 使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命【l 引。 4 整车网络通讯技术 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。作为汽车电子的重要组成部分，汽 车网络技术也成为国内外汽车电子厂商的关注热点。通讯网络促使汽车进入络化、 数字化的时代，生产商不断把这些技术融入到诸如电子刹车和驾驶系统及新兴的 混合驱动等领域的创新。现在我们可以看见，很多汽车的控制系统、驾驶系统、 信息系统、传感执行系统、娱乐系统、g p s 都通过如c a n 总线联系在一起，使汽 车成为一个智能平台【1 4 1 。纯电动汽车整车结构基本上式电气连接，各个控制单元 通过车载网络进行数据交换和控制。随着车载网络技术的不断发展，纯电动汽车 被认为是未来实现智能交通最有潜力的方式。 4 绪论 5 整车控制器 纯电动汽车的整车控制器( v e h i c l ec o n t r o l l e r ) 是纯电动汽车整车控制系统的核 心部件，它对汽车的正常行驶，安全性，再生能量回馈，网络管理，故障诊断与 处理，车辆的状态的监视等功能起着关键的作用【1 5 1 。整车控制器的e c u 是整车控 制器的核心部件，也是衡量整车控制系统性能及功能等级的主要部件。整车空控 制器e c u 通过相应的控制软件程序来对采集到的信息进行判断、分析和计算，并 最终生成控制指令，发送给纯电动汽车的其他控制单元，控制整车的各个部件进 行协调工作，使车辆可以安全平稳行驶。因此，整车控制器的性能好坏直接影响 到整个纯电动汽车控制系统的控制效果。无论纯电动汽车的其他总成性能如何完 好，如果整车控制器出现了问题，车辆就将无法正常行驶，无法实现能量回馈， 甚至出现安全事故。因而开发出功能完备的整车控制器是纯电动汽车车控制系统 产品化过程中必不可少的工作任务。 1 3 纯电动汽车电子控制系统国内外研究现状 1 国外研究现状 世界各个国家在纯电动汽车研究方面，日本最具代表性，其纯电动汽车技术 处于国际领先水平。图1 1 【1 6 1 为日本丰田公司纯电动汽车控制系统的结构示意图。 如图所示，该纯电动汽车是后轮驱动，左后轮和右后轮分别由两个轮毂电机驱动， 整车控制器采集驾驶员的操作信号和汽车传感器发送的信号。驾驶员的操作信号 包括：加速踏板信号、制动踏板信号、档位信号和方向盘转角信号等；汽车传感 器信号包括：纵向加速信号、横向加速信号、横摆角速度信号和4 个车轮的转速 信号等。整车控制器采集这些信号，进行分析计算，向两个轮毂电机控制器发送 控制指令，间接控制两个后轮的转速，实现整车的行驶控制。 图1 2 t 1 7 1 为日立公司纯电动汽车控制系统结构示意图。如图所示，该纯电动汽 车为四轮驱动机构，前轮由低速永磁同步电机通过差速器驱动，后轮由高速感应 电机通过差速器驱动。整车控制器根据纯电动汽车的不同行驶工况，选择使用不 同的电机驱动纯电动汽车行驶，例如，当车辆处于起步或者爬坡时，采用永磁同 步电机驱动前轮行驶，当车辆高速行驶时，有感应电机驱动后轮行驶；另外还可 以按照一定的扭矩比例分配，联合使用两个电机同时驱动纯电动汽车行驶。因此， 这种控制系统的纯电动汽车对整车控制器性能要求非常高。 图1 3 【1 8 】为日产公司纯电动汽车控制系统结构示意图。如图所示，该纯电动汽 车为机动电机驱动模式，并且具有多个控制单元，整车控制器通过采集踏板信号 车速信号，以及和器它控制器进行数据交换，对所有信息进行综合处理，再将控 北京交通大学硕士论文 制指令发送给其他各个控制单元，控制车辆行驶状态。此类纯电动车整车控制器 需要处理大量数据信息，因此对整车控制器m c u 性能要求比较高。 图1 1 丰田公司一控制系统示意图 f i g u r e1 - 1t o y o t a c o n t r o ls y s t e ms c h e m a t i c 图1 - 2 日立公司一控制系统示意图 f i g u r e1 - 2h i t a c h i - c o n t r o ls y s t e ms c h e m a t i c 6 绪论 图1 - 3 日产公司一控制系统示意图 f i g u r e1 - 3n i s s a n c o n t r o ls y s t e ms c h e m a t i c 专利号为5 7 3 4 2 3 8 的美国专利是一种电动汽车控制系统【1 9 1 ，如图1 _ 4 所示， 该控制系统包括动力驱动控制、能量管理、控制检测、制动控制和故障诊断功能。 整车控制器采集传感器输入及开关系统的信号和f b 输入信号，对信号进行分析 处理，控制驱动系统和单元输出系统实现车辆的正常行驶。 传感器输入及开关系绕 系统驱动输出 麓转轴的数量 加速蹒扳 的开度 制动开关 澍摩 军逐 液压制动力 动力总成集 动力输入电压成控制器 电流 动力驱动控制 装置 卜、 管理控涮装置 矿 制动控制装置 控制单元输出系统 l 动力驱动控制 装置 图l - 4 美国专利5 7 3 4 2 3 8 控制系统示意图 f i g u r e1 - 4u s p a t e n t5 7 3 4 2 3 8c o n t r o ls y s t e ms c h e m a t i c 综合所述，国外纯电动汽车的控制系统比较复杂，整个系统具有多个控制器， 7 雾一 北京交通大学硕士论文 并且车辆结构形式多样，有集中电机驱动模式、多电机驱动模式和轮毂电机驱动 模式，驱动方式也多样化，纯电动汽车可以实现前驱、后驱和四驱等多种模式。 整车控制器用于机构复杂的四轮驱动或轮毂电机驱动纯电动汽车，协调控制两个 或两个以上电机同步工作，这对整车控制器的性能要求非常高。 2 国内研究现状 国内的纯电动汽车发展迅速，涌现了很多纯电动汽车研究机构和制造公司。 天津清源电动车辆有限责任公司和一汽天津夏利股份有限公司牵头，中国汽车技 术研究中心、天津大学、天津和平海湾公司和天津蓝天高科公司等十几个单位共 同参与合作开发出x l z 0 0 0 型纯电动轿车【2 0 1 ，其控制系统结构如图1 5 所示。该电 动汽车采用集中电机驱动方式，利用c a n 通讯总线连接各个控制节点。整车控制 器对采集到的模拟量、开关量以及其他控制单元反馈的数据进行综合处理，判断 车辆行驶工况，控制电机以及其他部件协调工作，保证纯电动汽车的正常行驶。 集中电机驱动纯电动汽车技术已经比较成熟，国内各汽车厂商推出自主研发的此 类纯电动汽车。例如长安奔奔m i n i 纯电动车、比亚迪e 6 纯电动车、江淮同悦纯 电动车、奇瑞瑞麟m 1 一e v 、长城腾翼c 2 0e v 纯电动车、力帆6 2 0e v 纯电动等。 图1 5x l 2 0 0 0 型电动汽车控制系统 f i g u r e1 - 5x l 2 0 0 0e l e c t r i cv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m 由于多电机驱动和轮毂电机驱动模式具有集中电机无法比拟的优点，国内各 8 绪论 汽车企业、研究单位以及高效纷纷进行轮毂电机驱动纯电动汽车的研究。高校中， 对轮毂电机驱动纯电动汽车研究较为深入的有同济大学 2 0 2 1 1 、浙江大学陋2 3 1 、武汉 理工大学 2 5 砣s l 等高校，并取得了一定成果。但是，就目前而言，市场上还没有一 款成熟的轮毂电机驱动纯电动轿车。这方面均处于研发阶段，部分高校研制的轮 毂电机纯电动汽车一般都是试验样车，结构和性能上和实际车辆有一定差距。 总结国内外对纯电动汽车控制研究，对于集中电机驱动纯电动汽车的，一般 会将整车控制器与电机控制器集成到一起，整车控制器直接控制电动机；对于多 电机驱动的纯电动汽车的控制系统，整个系统中除整车控制器外，会有多个电机 控制器，整车控制器通过网络总线向电机控制器发送控制指令，来间接控制电机。 目前，集中电机驱动纯电动汽车技术已经非常成熟，国内外均有成熟的产品；多 电机驱动纯电动汽车控制系统结构复杂，国外的对此类纯电动汽车的研究和技术 已经比较成熟，但还在深入研究中，和国外相比，国内的技术水平还有一定差距。 在纯电动汽车控制系统中，整车控制器是整个系统的核心。总结国内外纯电 动汽车整车控制器的原理，整车控制器应该具有以下功能： ( 1 ) 对汽车行驶功能的控制：整车控制器通过对驾驶员驾驶意图的识别和当 前车辆状态的分析，在满足车辆安全性的基础上，对蓄电池放电电流和电机输出 转矩进行控制，使得车辆各个部件能够协调的运行。 ( 2 ) 制动能量回收控制：纯电动车以电动机作为驱动转矩的输出机构。电机 具有回馈制动的性能，此时电机作为发电机，利用制动能量发电，将此能量存储 在储能装置中。制动能量回收功能可以有效提高车辆能量利用率，延长续驶里程。 ( 3 ) 能量优化控制和管理：为了使电动汽车能够有最大的续驶里程，必须对 能量进行优化管理，以提高能量的利用率。 ( 4 ) 车辆状态的监测和显示：整车控制器应该对车辆的状态进行实时检测，。 来确定车辆状态及其各子系统状态信息，驱动显示仪表，将状态信息和故障诊断 信息经过显示仪表显示出来。 ( 5 ) 故障诊断和处理：对整车控制系统进行实时监控，进行故障报警和诊断。 根据故障内容，及时进行相应安全保护处理。 1 4 课题来源及意义 纯电动汽车被认为是本世纪解决汽车面临的石油能源危机和环境污染问题的 有效方案之一。世界各个国家的汽车研究单位以及高校纷纷关注纯电动汽车的研 究和开发。政府投入大量资金，并制定相关政策，旨在推动纯电动汽车关键技术 的突破和纯电动汽车的普及推广。国家十五计划成立电动汽车重大科技专项和“三 9 北京交通大学硕士论文 横三纵”的研发部局，并一直延续发展到现在的十二五计划。 十二五“8 6 3 ”计 划提出“下一代纯电驱动汽车整车电子控制系统研发的课题方向，并将纯电动 汽车作为我国汽车产品转型方向。 本课题来源于导师承担的国家“8 6 3 ”项目：下一代纯电驱动汽车整车控制 系统关键技术。课题组将研究分析国内外纯电动汽车整车控制系统结构，提出下 一代纯电动汽车的控制系统结构方案，并在此基础之上，设计研究适用于下一代 纯电动汽车控制的整车控制器以及车载网络。 1 5 本文的主要工作内容 本文将以课题组项目为依托，分析研究国i 内j b 纯电动汽车整车控制系统结构， 以轮毂电机四轮独立驱纯电动汽车为研究对象，研究设计适用于此类纯电动汽车 的整车控制器，并进行试验验证。具体工作内容如下： 1 分析纯电动汽车的结构结构特点，设计纯电动汽车控制系统的结构，对整 车结构的主要部件进行选型。总结整车控制器输入输出信号的类型和功能 以及控制器的工作原理，确定整车控制器的设计方案； 2 对纯电动汽车的行驶工况进行分析和描述，建立各个工况下的控制策略， 利用m a t l a b s i m u l i n k 工具建立样车的四轮差速模型，验证针对实验样车采 用的四轮差速算法的可行性； 3 完成整车控制器m c u 的选型，并围绕所选芯片完成整车控制器的硬件电 路的设计工作。在此基础之上，利用p r o d 9 9 s e 软件进行整车控制器硬件 p c b 板的设计工作，完成整车控制器硬件开发。 4 从提高整个软件系统可靠性的角度出发，完成控制器软件架构和软件主程 序控制流程的设计。并利用c 语言在c o d e w a r r i o r v 5 1 环境下编写整车控 制器的各个功能模块软件程序。 5 利用实验室现有设备工具对电路模块进行初步检测调试，并采用软硬件结 合的方法，编写简单控制程序对电路模块做进一步的调试，完成整车控制 器硬件调试工作；利用信号发生器、直流电源以及电路板上外加的部分电 路元件，模拟纯电动汽车整车控制器的所有输入信号，在不上车试验的情 况下，对所设计的软件进行仿真调试，完成整车控制器软件调试工作。 6 搭建整车控制器的试验平台，针对试验样车设计整车控制器的试验方案和 试验方法，完成对所设计的整车控制器控制功能的试验验证工作，并对实 验结果进行分析总结。 l o 纯电动汽车控制系统的方案设计 2 纯电动汽车控制系统的方案设计 本章将对纯电动汽车的结构特点进行分析，并在此基础之上，进行纯电动汽 车的整体结构设计、控制系统结构设计和整车控制器的方案设计。 2 1 纯电动汽车结构特点分析 纯电动汽车仅依靠电力作为驱动力，由电动机将动力电池组的电力转化为机 械力传给车轮驱动汽车行驶。通常纯电动车结构主要包括：电机及其驱动控制系 统、电池组及其管理系统、整车控制单元、充电装置、逆变器( d c d c 或d c a c ) 、 机械传动机构( 包括差速器、变速器等) 、车载网络系统、仪表显示系统等。 目前，纯电动汽车的结构根据电动机的不同布置，可以分为三类：集中电机 驱动模式、多电机驱动模式、轮毂电机驱动模式。 集中电机驱动模式是目前纯电动汽车最常用，技术也最成熟的驱动方式。此 类纯电动汽车的结构也最接近传统燃油汽车。图2 - 1 为集中电机驱动纯电动汽车的 结构示意图。如图所示，整车的驱动力仅由一个单独的电机提供，电机的驱动力 通过主减速器、变速箱和差速器传递给车轮，驱动车辆行驶。整车控制器通过采 集分析档位、踏板等信号，控制电机的转速或扭矩来控制车辆的行驶。此类纯电 动汽车可以简单的理解为用电动机替代内燃机、电池组替代燃油箱，另外根据不 同类型的驱动电机加装d c d c 转换器或d c a c 逆变器和电机控制器等，其他的 变速器、差速器等机械传动装置与传统燃油汽车基本没有差异。不同之处只是加 速踏板不再表征节气门的开度，而是表征纯电动车驱动电机的转速、或扭矩等。 多电机驱动模式是在纯电动汽车中采用多个电机来分别驱动车轮。多电机驱 动模式可以采用相同的电机，也可以采用不同类型的电机，驱动方式也多样化。 图2 2 为两电机独立驱动纯电动汽车的结构示意图。如图所示，该纯电动汽车在驱 动轮的旁边分别布置了一个电机，电机类型相同，两个电机分别驱动两个后轮。 和集中电机驱动纯电动汽车对比，多电机驱动纯电动汽车去掉了变速箱以及差速 器等机械装置，而只采用主减速器连接电机与车轮，通过控制电机的转速和转矩 来直接控制汽车的行驶状态。去掉变速箱和差速器等机械装置，在一定程度上简 化了纯电动汽车的结构，并且减小了由传动机构所带来的机械损失。采用多个电 机驱动的方式可以降低单个电机的功率，提高整车的功率。电机的无极调速可以 使纯电动汽车的加减速变的更加平滑，驾驶舒适感大大提高。由于该结构中没有 北京交通大学硕士论文 机械差速装置，整车控制器就必须对车辆进行差速控制，以实现车辆的转向行驶。 因此，多电机驱动的纯电动汽车对整车控制器提出了更高的要求。 卜电气连接卜机械连接卜信号输入 图2 1 集中电机驱动纯电动汽车的结构示意图 f i g u r e2 1t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f p u r ee l e c t r i cv e h i c l e sb yo n em o t o rd r i v e 电气连接卜机械连接卜信号输入 图2 - 2 两电机驱动纯电动汽车结构示意图 f i g u r e2 - 1t h es t r u c t u r ed i a g r a mo f p u r ee l e c t r i cv e h i c l e sb yt w om o t o rd r i v e 轮毂电机驱动模式是将电机本体、车轮轮毂壳体和齿轮传动系统集成，做成 一体。轮毂电机又俗称电动轮，目前在电动自行车和电动摩托车上的应用非常普 遍。轮毂电机分为内转子和外转子两种类型。外转子型采用低速外转子电机，电 机最高转速10 0 0 15 0 0 r m i n 左右，无任何减速装置，车轮的转速与电机相同；内 转予型采用高速内转子电机，固定传动比的减速器，未获得较高的功率密度，电 机最高转速1 0 0 0 0 r m i n 以上，常用传动比1 0 ：1 。轮毂电机在电动汽车上的应用可 1 ， 纯电动汽车控制系统的方案设计 以大大简化汽车的机械传动机构，减轻整车自重，减小其传动和附加损耗，既能 降低成本，又能节能减噪。并且，采用四个轮毂电机独立驱动，可进一步提高车 轮控制的动态响应性，通过微机控制更易实现在传统轿车上较难实施的各种性能 优化措施，从而改善操控性和安全性。以此即可全面提高节能环保型汽车的各项 性能指标和性价比，使其达到普及型商品化要求，对推广电动汽车和节能减排起 到极好效果。图2 3 为轮毂电机驱动纯电动汽车结构示意图。如图所示，整个系统 由轮毂电机、整车控制器、电池组、逆变器、充电器和车载网络等组成。所有部 件之间均为电气连接，没有机械连接。和前两种纯电动汽车的机构进行对比，明 显可以看出轮毂电机驱动纯电动汽车结构更加简化，整个系统没有机械连，没有 由机械连接装置造成的机械损失，这将在很大程度上增大整车的功率输出，提高 整车效率。轮毂电机以及线控技术在纯电动汽车上的应用使得纯电动汽车的整车 结构变的更加紧凑，车身的设计将不再受制于底盘的限制，这将给予车身的设计 创造很大的空间。采用轮毂电机驱动模式的纯电动汽车的所有系统都将布置在底 盘上，被专家称为“滑板模式”。 卜电气连接卜机械连接卜信号输入 图2 3 轮毂电机驱动纯电动汽车结构不葸图 f i g u r e2 - 1t h es t r u c t u r ed i a g r a mo fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e sb yw h e e l m o t o r d r i v e 对比三种不同纯电动汽车的结构，可以明显的看出轮毂电机驱动纯电动汽车 的结构较前两种简化了很多。整个纯电动汽车几乎没有机械连接，基本由电气系 统连接。随着线控技术在汽车上应用的深入研究，轮毂电机驱动纯电动汽车将会 有更高的效率以及优越的驾驶性能。特别是采用四轮独立驱动模式和线控四轮转 向技术，可以大大简化整车的结构，并且有效减小转向半径，甚至可以实现原地 转向，大大增加汽车的转向灵活性。整车的驱动完全采用软件控制，可以达到精 确控制车辆行驶的目的，有效提高车辆的行驶性能。 北京交通人学硕士论文 通过上文对纯电动汽车的结构分析可知，轮毂电机独立驱动的模式将会是未 来纯电动汽车的发展方向。因此，本文以轮毂电机四驱纯电动汽车为研究对象， 试验样车如图2 - 4 所示。该车分别由四个轮毂电机独立驱动四个车轮，轮毂电机分 别由四个电机控制器控制，动力电池为使用较为普遍的铅酸电池，动力电池由四 块1 2 v 单体电池串联组成，额定电压电流为4 8 v 5 0 a 。实验养车最高车速为 6 0 k m h ，轴距1 6 5 m ，轮距1 1 m 。 图2 4 实验样车实物图 f i g u r e2 4m a t e r i a lo b j e c tp i c t u r eo fe x p e r i m e n t a lp r o t o t y p ev e h i c l e 目前，在纯电动汽车上应用的电机一般有直流电机、交流感应电机、丌关磁 阻电机以及永磁无刷电机等。和一般工业对电机的要求相比，由二j ：电动汽车的行 驶工况复杂多变，因此电动汽车对电机的要求相对比较高【2 7 】。本文实验样车的电 机为永磁无刷直流电机。永磁无刷直流电机是一种高性能的电动机。它具有直流 电动机的外特性而没有换向器和电刷组成的机械接触机构。其转子采川永磁体， 没有励磁损耗，发热的的f 乜枢绕组安装在在外面的定子上，容易散热，不需要额 外的冷却系统，闪此，此类电机没有换向火花，没有无线电干扰，使用寿命长， 运行可靠，基本免维护【2 82 9 1 。永磁无刷直流电机具有较高的能量密度和效率，在 纯电动汽车的应用比较广泛，目前在电动自行车和电动摩托巧i 等小型电动交通工 具f 基本均采用此类电机。试验样车采用的轮毂电机的参数如表2 1 所示，电动轮 实物如图2 5 所示。车轮直径0 5 m ，轮毂电机有8 根外接线，其叶j3 根不同颜色 的栅线为三相电源线，5 根细线中，红