（动力机械及工程专业论文）基于can总线的纯电动轿车动力总成控制器的开发研究.pdf

摘要 摘要 随着石油能源的日趋紧张以及大气环境的日益恶化，人们迫切需要一种新 型“清洁”的交通工具。电动汽车能有效地利用能源，并且能源来源广泛，使 用期间具有振动小、噪声低、零排放以及非石油能源等优点，是最有可能代替 以石油为能源的传统燃油汽车之一。 尽管电动汽车有许多优势，但电动汽车自诞生以来虽然有1 0 0 多年的历史， 时至今日仍难以产业化，除了动力电池的原因外，系统控制和管理技术是另一 个重要因素。本文作者围绕国家十五“8 6 3 ”x l 纯电动轿车的开发目标，侧重 参与了x l 纯电动轿车动力总成控制系统的部分研发工作，其中包括c a n 总线 系统、动力总成控制器硬件开发以及相关开发平台的研制。 提出了x l 纯电动轿车动力系统分布式控制方案，通过对c a n 总线通信原 理的深入分析，建立了基于c a n 总线的控制网络结构模型，首次开发出一套具 有独立知识产权的电动汽车c a n 应用层协议。 首次开发了基于3 2 位单片机的动力总成控制器，采用了模型化的设计思想 以及完善的电磁兼容措旋，所开发的动力总成控制器通过了国家法规要求的电 磁兼容、高低温和抗振动测试。 、 为了动力总成控制器和整车调试的需要，开发了基于c a n 总线的硬件在环 仿真、监控及标定系统，成为调试过程中的重要开发手段和工具，有效提高了 开发工作效率。 台架和道路试验表明：动力总成控制器及c a n 总线系统可靠实现了整车驱 动力矩控制、能量优化管理、回馈制动控制、总线网络管理及系统故障诊断等 功能，满足了纯电动轿车整车控制和管理的需要，有效改善了整车动力性、经 济性、驾驶性和可靠性。 关键词：电动汽车、动力总成控制器、c a n 总线、电磁兼容性、硬件在环 摘要 a bs t r a c t d u et op e t r o l e u ms h o r t a g ea n da i rp o l l u t i o n ，i ti su r g e n tt of i n dak i n do f “c l e a n v e h i c l e e l e c t r i cv e h i c l ea v a i l a b l ym a k e su s eo fe n e r g ys o u r c e st h a tc a nb eg a i n e d w i d e l yb e c a u s eo f r i oe m i s s i o n ，l o wn o i s e ，s m a l lv i b r a t i o na n dn on e e df o rp e t r o l e u m d u r i n g u s e p e r i o d a l t h o u g he l e c t r i c v e h i c l eh a sm a n ya d v a n t a g e s ，i th a sh a r d l yb r o u g h ta b o u t i n d u s t r i a l i z a t i o ns i n c et h ee l e c t r i cv e h i c l ea p p e a r e d10 0y e a r sa g o s y s t e mc o n t r o la n d m a n a g et e c h n o l o g ya r e a l s o i m p o r t a n tf a c t o r s b e s i d e sp o w e rb a r e r y t h ea u t h o r p a r t i c i p a t e di ns o m et a s k so fd e v e l o p i n gt h ep o w e r t r a i nc o n t r o ls y s t e mf o rx lp u r e e l e c t r i cv e h i c l e ，w h i c hi n c l u d et h ed e v e l o p m e n to fc a nb u ss y s t e m ，t h ep o w e r t r a l n c o n t r o l l e r sh a r d w a r ea n dr e l a t i v ed e v e l o p m e n tt o o l s t h ed i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mo fx l p u r ee l e c t r i cv e h i c l ei sb r o u g h tf o r w a r di n t h i st h e s i s a n dt h ec o n t r o ls y s t e mn e t w o r km o d e lb a s e do nc a nb u si sd e s i g n e d a f t e r d e e p l ya n a l y z i n gc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l e o fc a nb u s a p p l i c a t i o n l e v e l p r o t o c o lo f c a nb u si sf i r s t l yd e v e l o p e df o rx l p u r ee l e c t r i cv e h i c l e t h e p o w e r t r a i nc o n t r o l l e ra c c o r d i n gt oa d o p t i n gt h ep r i n c i p l eo fm o d u l a r i z a t i o n a n dp e r f e c te m c d e s i g nb a s e do n3 2 一b i tm i c r o c o n t r o l l e ri sd e s i g n e d i ts u c c e s s f u l l y p a s s e dt h r o u g h t h et e s t so f e m c ，h i g ha n dl o w t e m p e r a t u r e ，v i b r a t i o n i no r d e rt om e e tf o rt h en e e do f d e b u g g i n g t h ep o w e r t r a i nc o n t r o l l e ra n d v e h i c l e ， ah a r d w a r e - - i n t h e - l o o p s i m u l a t i n ga n dm o n i t o r i n gs y s t e ma r ed e v e l o p e db a s e do n c a n b u s ，w h i c hi m p r o v e dt h ed e v e l o p i n ge f f i c i e n c y n l ef i n a lb e n c ht e s t sa n dr o a d e x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h ec o n t r o l s y s t e m s u c c e s s f u l l y r e a l i z e dt h ef u n c t i o n so f d r i v i n gc o n t r o l ，e n e r g yo p t i m i z a t i o n ， r e g e n e r a t i o nb r a k i n gc o n t r o l ，b u sn e t w o r k sm a n a g e m e n ta n df a u l t sd i a g n o s t i c a t i o n ， a n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ed r i v ea b i l i t y , e f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fm ex l p u r e e l e c t r i cv e h i c l e s k e y w o r d s ：e l e c t r i c v e h i c l e s ，t h ep o w e r t r a i nc o n t r o l l e r , c a nb u s ，e ! e c t r o u m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y , h a r d w a r e i n t h e ，l o o p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨注盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 筒筒 焯签字日期：洲年月，) 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：7 裔雄懈 导师签名 本警 签字日期：m 年f 月l 。日 签字日期：护l l 年f月j 2 ，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 目前全球性的石油危机是2 1 世纪人类面临的重要问题，而在我国这一问题 显得更加严重。2 0 0 2 年，中国轿车产销量因超过4 0 的增长而被称为“中国轿 车元年”。但由此造成的原油进口却不能不让人感到担忧。统计资料显示，中国 从1 9 9 4 年已开始成为石油纯进口国。2 0 0 0 年进口石油7 0 0 0 万吨，成品油3 0 0 0 万吨，进口石油价格达2 5 亿美元，2 0 0 i 年进口石油大约8 0 0 0 万吨。预计2 0 0 5 年后将超过1 亿吨，相当于科威特一年的总产量。显然，汽车的大量使用带来 了能源消耗许多负面影响。进一步使用传统内燃机技术发展汽车工业将会给我 国的能源问题造成巨大的压力。 据国家统计局最新统计，截至2 0 0 2 年底，我国私人汽车达9 8 9 万辆。未来 2 0 年，中国汽车保有量，尤其是私家车的保有量可能会增长5 倍，目前，汽车 的主要动力源还是以石油为主，汽车已经成为大气污染的主要来源。特别对于 汽车密集、交通拥挤的大城市而言，汽车的频繁起停和内燃机的怠速、急加减 速运行造成了尾气排放严重和油耗高。目前世界上空气污染最严重的l o 个城市 中有7 个在中国。按照国家环保中心预测，2 0 1 0 年汽车尾气排放量将占空气污 染源的6 4 。进入2 1 世纪，随着经济对可持续发展的追求和人们对生活环境提 出越来越高的要求，为了降低汽车的燃油消耗，减少有害的排放生成物，各国 相继出台了更严格的排放法规，汽车工作者对传统内燃机汽车采取了复杂的技 术改造，例如：代用燃料、添加剂、催化净化器、多气门结构、稀燃、分层燃 烧、电控喷射等，这些技术的应用大大降低了汽车的尾气污染和燃油消耗。但 是传统的内燃机车由于其固有的燃烧和排放特性，对燃油消耗和排放的解决有 一定的局限性。同时复杂的技术改造直接的后果是使得传统汽车的造价不断上 升，利润空间越来越小，长此以往，不利于汽车工业的发展，也不利于汽车的 普及。因此需要寻找一个新型的“清洁”车型来逐渐取代传统的内燃机车。而 电动汽车以电能为能源，通过电动机将电能转化为机械能，是零污染汽车，是 作为解决能源和环境问题的重要途径之。 据测定，汽车每消耗1 万升石油燃料，将排放2 2 3 吨的二氧化碳，每燃烧 l 公斤汽油，将排出3 0 8 公斤的二氧化碳。汽车保有量的急剧上升，成为了c 0 ， 和温室效应气体排放的主要排放者。带来了全球性的气候变暖和温室效应。目 前主要从4 方面着手应对已经出现这个挑战：建立汽车燃油消耗标准，提高燃 第一章绪论 油效能：使用清洁能源或替代能源，最终实现零排放；引进、发展汽车新技术， 开发混合燃料汽车及电动汽车：大力发展城市公共交通运输系统等a 同时，噪声污染也是传统的燃油汽车的另外一种污染，从有关资料得知城 市8 0 的污染噪声来自汽车造成的，同时，一般轿车车外加速行驶噪声中，发动 机噪声约占5 5 ：大中型汽车车外加速噪声中，发动机噪声约占6 5 。汽车的噪 音、振动大小决定于发动机本身和行驶条件。传统汽车和纯电动汽车相比，虽 然因汽车行驶而引起的噪音和振动无显著的区别，但电机比内燃机的噪声要小 得多，特别在大功率下显得更明显。 发展电动汽车可以提高能源的利用率。有人把从原油到汽车的能量利用率做 一个比较 2 1 ，就不难看出电动汽车的能量利用率高出传统的燃油车，如图卜1 所示。如果再加上汽车在市内的频繁起动、低速行驶、等待红灯的时间，其最 1 0 0 原油提炼 及垲。 电力传输i 蓄电池 i ； i 动汽车i ( 燃油) 原油 原油提炼 加油站 1 3 原油 ( 汽油) 8 3 1 0 0 8 7 图1 - 1 电动汽车和传统燃油车辆能力转换效率的比较 终的效率不过1 2 。而电动汽车就可以避免以上的情况，其无机器的空转损失， 电池的8 0 以上的能量可由电机转化为汽车的动力。另外电动汽车可以回收制动 时的能量。 电动汽车可以利用 多种能源。因为电动汽 车直接通过市电充电， 可利用煤炭、天然气、 核能、水能、太阳能、 风能、潮汐等多种能源 转化而来，如图1 - 2 所 示。当然石油也可以转 化为电能。可以不受石图1 ，2电动汽车能源的多样化 第一章绪论 油枯竭的影响。是可持续发展框架下交通运输变革的必然趋势之一。 随着世界各国环保及节能意识的增强，各国竞相研制的电动汽车、生态汽 车，必将成为2 1 世纪汽车工业的重要发展趋势。 1 2 国内外的电动汽车的发展概况 由于技术的推动和政府对汽车排放越来越苛刻的要求，各大汽车公司投入 了大量的人力、物力和财力用于电动汽车开发，不断推出自己的新产品a 在美 国、日本、欧洲等发达国家，电动汽车已开始进入实用化阶段。 美国是全世界对污染限制最严格的国家，也是最早研制成电动汽车的国家。 1 8 7 3 年试制成功第一台电动汽车。荚国政府以能源部为中心，对电动汽车的研 制进行了连续的逐年递增投人资会。美国e p r i ( 电力能源研究所) 推行了实用电 动汽车普及活动。1 9 9 1 年美国3 大汽车公司签订协议，合作研究电动汽车用先 进电池，合作开发高性能电动汽车电池。其中，通用公司1 9 9 7 年开发的具有最 先进的动力系统的1 9 9 7 双座9 7 1 。该车为前轮驱动，采用一台1 0 2 k w 的三相感 应电机，装备由2 6 个阀控铅酸电池组成的电池组。电池组可以6 6 k i t 的非车载 感应充电器或1 2 k w 的车载感应充电器进行充电。该车的电机在转速为0 7 0 0 0 转输出恒转矩1 6 4 0 n m ，在转速为7 0 0 0 1 4 0 0 0 转输出恒功率1 0 2 k w ，使得g v l 可以获得1 2 8 k m h ( 电子限速) 的最高车速和o 9 6 k m h 加速小于9 s 的性能。 1 3 本于1 9 7 6 年成立了“r 本电动汽车协会”。日本政府制订了鼓励电动汽 车开发与应用的相关政策。1 9 7 1 年在通产省领导下制订了一个时间为6 0 年，总 经费5 7 亿日元的研究计划。经过2 0 多年的研究，特别是近l o 年的努力，日本 电动汽车已经取得很大的发展。1 9 7 8 年为了促进电动汽车的推广，日本电动汽 车协会制订了“电动汽车试用制度”，协会将每年给予试用者以试用费。本田公 司自8 0 年代末就开始了电动汽车的研究开发，丰网公司自1 9 9 2 年开始重视电 动车的研究。在2 0 世纪9 0 年代末，丰田研制出一种蓄电池电动车r a v 4e v 。 该车的动力装置是一台免维护的功率为5 0 k w 、转矩为1 9 0 n 的永磁电动机，由 2 8 8 v 镍氢电池为其提供电能。该电池组由2 4 个1 2 v 组件构成，装在车的地板 下面。充一次电需5 6 h ，最高车速为1 2 7 k m h 。 欧洲各国成立了欧洲电动汽车协会，并得到欧洲经济委员会的支持和资助。 英国和法国对电动汽车是应用在先的国家。英、法在大力研究先进电动汽车的 同时积极开发推广应用限定范围的电动汽车。目前已有约十几万辆电动汽车在 英国运行。英国和荚国合作，研制成“爱国号”复合电动赛车。由英国赛车工 业公司与美国克来斯勒公司合作研制的这种电动赛车，曾在1 9 9 5 年世界赛车大 会上亮相。 第一章绪论 印度在电动汽车的商业化过程中也起到了积极的作用，其生产的r e v a e v ， 为双车门、溜背式后行李仓门电动汽车，它是印度2 0 0 1 年所推出、首次大批量 生产的电动汽车。该车采用他励直流电机( 7 0 n m ，最大功率1 3 k w ) 和一个4 8 v 的管状铅酸电池组驱动，利用车载充电器( 2 2 0 v ，2 2 k w ) 可以在3 h 内充电8 0 ， 在6 h 内充电1 0 0 。r e v a 车重6 5 0 k g ，最高车速6 5 k m h ，续驶里程为8 0 k m 。该 车最具有诱惑力的是它令人难以罱信的低价格和运行成本，其售价为5 0 0 0 美元， 每公里的运行费用不足1 荚分。 国内电动汽车的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但当时的研究开发都是零散 和小规模的，投入也很少。但到了“九五”期间，国家科委( 现为科技部) 把电动 汽车列入“8 6 3 ”国家重大产业工程项目。其内容包括电动概念车的研制；电动 改装车的研制：电动汽车应用示范区的建立和有关电动汽车的政策、法规、标 准、运行机制以及关键技术的研究。2 0 0 1 年1 1 月2 5 日，国家又正式宣布启动 “十五”期间“8 6 3 计划”电动汽车专项，电动汽车再度成为我国业内外人土关 注的焦点。 在国家科技攻关、“8 6 3 ”等计划的支持下，各有关部门和地方政府，组 织产、学、研联合攻关。目前，已经取得一批重大成果并正在推动成果转化及 产业化。郑州市电动车辆研究所研制成的z d 一1 型电动轿车已试运行4 0 0 0 k m ， 最高车速达到7 1 7 k m h ，一次充电行驶里程1 1 7 k m ( 4 0 k m h ) ，充电时间6 h ( 8 5 放电深度) 。由郑州市电动车辆研究所和中国国际航空公司共同研制成的d q 4 5 电动牵引车的最高车速为4 5 k m h ，一次充电续行1 0 0 k m ，牵引质量8 0 t 。一辆由 我国独立研制开发的z c 7 0 5 0 a 型全电动轿车正常行驶时速为7 0 公里，续驶距 离为2 2 0 公里，百公里电耗1 5 千瓦时，爬坡能力为1 8 度，最高时速可达8 0 公 里，最高续驶距离为2 7 3 公里，已能够满足城市交通以及短距离交通的要求。 天津汽车研究所承担的“电动汽车总体设计研究”专题也于1 9 9 6 年4 月2 6 日 在机械部汽车司主持召开的鉴定验收会议上通过验收。所研制的3 辆微型电动 汽车分别装有板式铅酸、管式铅酸和镍镉电池，经测试最高车速大于7 0 k m h ， 一次充电续行里程大于9 6 4 k m ( 4 0 k m h ) 爬坡能力大于2 0 ，加速噪声比原华 利厢式车低1 3 d b 。湖北东风电动汽车开发应用组织东风汽车公司、武汉理工大 学、中船7 1 2 所等单位，开发了配备盘式永磁无刷直流电机、i g b t 控制系统、 改进的全密封免维护铅酸电池的电动轿车样车，其电机功率2 0 k w ，最高车速 9 0 k m h ，续行里程为1 3 0 k m ，爬坡度1 5 。 尽管当前世界各个国家和汽车公司均在加紧研发电动汽车技术并有长足进 展，但总体而言，在电动汽车的关键技术上没有得到较大的发展，特别在整车 的能源管理方面，基本上处于空白。科技部在“十五”国家8 6 3 计划中特别设 第一章绪论 立电动汽车重大专项，从国家汽车产业发展战略的高度出发，选择新一代电动 汽车作为我国汽车科技创新的主攻方向，组织企业、高等院校和科研机构，集 中各方面的力量联合攻关，决心在“十五”期f 白j ，在电动汽车关键技术取得重 大突破。主要的内容包括：电动汽车的总体设计，先进的电池技术，电动机及 控制驱动系统，整车监控与管理系统、使用环境与配套技术等。 电动汽车的基本特点是能自携电能，像普通内燃汽车一样沿般道路行驶， 动力性、经济性、安全性和可靠性等达到或接近普通内燃汽车，续驶里程满足 一般运行要求。同时电动汽车具有无排气污染、低噪声、易维修、可利用低谷 电以节能等优点，被认为是未来理想的交通运输工具。电动汽车的技术内容包 括： 驱动电池技术：镍氢电池，镍镉电池，铅酸电池，钠硫电池，锂离子电 池、燃料电池等，应具有比功率和比能量高，能满足动力性和续驶里程 的要求：充电时间短、充电动循环多，以方便使用和保证寿命。9 0 年 代以来，国外将重点放在关键的电池技术研究上，美国三大汽车公司投 资2 6 亿美元，进行合作研究，美国电池制造商联合进行的u s a b c 项目 也把目标指向电动汽车用的电池。近年来镍氢、锂、燃料等类电池被相 对看好，投入大量资金进行研究，铅酸、镍镉等传统电池的改进工作也 在进行。也取得了重大的成果。而在我国，我国在车用电池的攻关上也 取得了群体性突破。在锂电池的攻关方面，我们已将每安时控制在l 美 元。中国雷天绿色电动源深圳有限公司成功地研究开发出大功率、低成 本的锂离子动力电池，顺利通过了国家电池权威检测机构的检测，l l 项指标全部合格，填补了国内空白。我国还研制出锌一空气电池和电容 电池，前者变充电为换料，简化了更换程序，后者是物理电池，效能比 化学电池高，是种寿命长、充电快而简单的超级电池。 电机及其驱动系统控制与集成技术：2 0 世纪6 0 8 0 年代初，电动汽车 大多采用直流串励有刷电机。由于有电刷的限制，转速不能太高，因而 电机重而大，效率较低，故障率高。8 0 年代后期和9 0 年代，由于电子 技术的飞速进步，滑差控制、矢量控制、直接转矩控制等交流电机的调 控技术日趋成熟，交流电机驱动系统在电动汽车中已成为主流。交流电 机驱动系统有交流异步电机驱动系统和交流同步电机( 或称稀土永磁无 刷电机) 驱动系统两种。近年来，开关磁阻电机驱动系统开始在电动汽 车中应用。开关磁阻式电机具有效率高、动态响应好、高启动转矩和低 启动功率等特点，但在降低噪声和转短波动、电机模型和控制技术等方 面还需进一步探索。目前电动汽车所用的电动机总体上向大功率、高转 第一章绪论 速、高效率和小型化方向发展。国外已研制出功率密度越过1 k w k g ，额 定点的效率大于9 0 的小型电动机，电机满足低速大扭矩和高速恒功率 的牵引控制要求。其控制器也能实现较高的效率。而我国在电机与电控 系统方面，华中科技大学开发的全数字化开关磁阻电机、中船7 1 2 所开 发的永磁无刷电机、中国科学院北京三环通用电气公司开发出电动汽车 专用的7 5 k w 轮毂电机、哈工大开发的e v 9 6 1 6 8 k w 多态轮毂电机， 都是我国电动汽车驱动电机技术的重大突破。 电池监视与管理系统技术。 - 充电系统技术。 电动汽车整车布置及匹配技术。 整车监控与管理系统。例如：在制动时电动机可以作为发电机，把机械 能转化为电能，由此可次充电续驶晕程增加1 5 2 0 以上。制动回馈 是一个复杂的机电耦合过程。尤其在急刹车时，制动功率很大。辆车 重1 5 0 0 k g 以l o o k m h 速度运行的汽车，若以0 6 9 减速度制动，其制动 功率可达2 5 0 k w 。由于存在满量电池的过充及急速充电等问题，使电动 机和蓄电池的工作条件变得很复杂，因此必须限制回馈功率。出于安全 考虑，必须结合机械制动系统。因此在制动回馈过程中，电机必须与制 动力和功率、车辆状态、司机制动需求、电池状态相匹配。这就要求各 子系统之间必须实现很好地协同控制。因此需要整车的能量管理系统对 能量进行管理。 国家科委、计委在“八五”和“九五”期间组织了电动汽车的攻关课题， 国内大型汽车企业、高等院校、研究单位对电动汽车的研究也持积极的态度， 通过改装电动汽车，进行了多轮试制。取得了一定的成果，在整车技术、电机 电控和动力电池等方面形成了一定的技术积累，在一些关键技术上具有自主的 知识产权，但整体水平较低，尤其在先进的能量管理系统以及整车综合管理控 制系统方面，与发达国家相比，有一定的差距。 1 _ 3 电动汽车的关键技术 电动汽车自诞生以来，自今有1 0 0 多年的历史了，以致科学发展到今天、 有成了全世界汽车工业的研究的热点，时至今日仍难以产业化，是因为电动汽 车的关键技术尚未有突破性的进展。 电动汽车的关键技术包括电机及其控制技术，电池及其管理技术，整车优 化控制技术等，涉及汽车、电力、电子、通讯和化学等多个领域。 由于电动汽车的车载能量有限，其续驶里程远远达不到燃油车的水平，在 第一章绪沦 动力电池未实现质的、飞跃性的发展之前，就必须充分地利用有限的车载能量。 能量管理系统( 动力总成控制系统) 的目的就是要最大限度地利用有限地车载 能量，增加续驶里程。能量管理系统采集从各个子系统输入的信息，来实现以 下的基本功能： 优化系统的能量分配； 预测电动汽车电源的剩余能量和还能继续行驶的里程数； 提供最佳的驾驶模式和驱动力矩： 再生制动时，合理地调整再生能量； 诊断系统地故障，并能做故障处理； 能实时显示电动车辆的运行状态。 管理系统如同电动汽车地大脑，同时具有功能多、灵活性好、适应性强的 特点，它能智能地利用有限地车载能量，延长一次充电的续驶里程。因此发展 电动汽车的关键技术首先应该有强大的能量管理及控制系统。 1 4 分布式控制系统和c a n 总线技术应用 控制系统的发展，就模式与形态而言，经历了独立单元控制，集中控制， 分布式控制等几个阶段。 在独立控制阶段，各控制单元之间是孤立的，不存在信息交换，由人工来 协调各个控制单元的工作。 在集中控制网络模型中中央控制器承担网络通讯处理，采集数据的接受、 数据处理计算。产生控制指令并下传等控制系统中的绝大部分的工作，传感器 只负责采集现场数据并根据指令上传给中央处理器，执行器则根据指令执行动 作。在集中控制系统中，中央处理器处理所有的网络通讯，通讯量大，容易产 生瓶颈，因而对控制器要求较高。同时，每个集中控制系统都有自己独特的输 入输出和处理要求，开发和安装费用昂贵，扩展困难，实现和测试的时间长， 系统间难于实现“融合”。 随着控制系统的复杂性的提高，控制对象的相对分散，电动汽车作为一个 复杂的系统，而需要把控制任务分成各个子系统，形成分布式的控制系统，其 带来的优点为： 1 提高了系统的可靠性。通过总线( c a n 总线) 将复杂的控制任务分配到 每个控制单元中，由于控制功能的分散，软件和硬件的复杂性也被降低， 系统具有高的可靠性。 2 降低了系统接线的复杂程度和接线费用，同时降低了信号的干扰和失 真。 第一章绪论 3 提高了效率。彻底的分布式系统，摆脱了集中控制的局限，同时其信息 传递快速，实时处理能力加强，工作效率提高。 4 系统配黄灵活，易于扩充和修改。 5 节省投资。 分布式系统消除了集中控制造成危险集中的缺点，同时也改善了单个控制 器功能单一的局限性。随着技术的发展，分布式系统将越来越多被应用了复杂 的控制系统中。 而在汽车设计中，为进一步减少车身线束，方便故障诊断，满足主要电子 控制单元或系统间大量数据信息实时交换的需要，使汽车各方面性能趋于最佳 状态，基于c a n 总线的分布式网络常被用于数据交换。 c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 即控制器局域网络，最初是由德国的b o s c h 公司为汽车监控、控制系统而设计的。它能有效支持分布式控制和实时控制的 串行通信网络，由于其高性能、高可靠性及独特的设计，越来越受到工业界的 重视，已被应用于汽车、机器人、数控机床、医疗器械、自动化仪表等很多领 域并特别适合基于单片机的分布式控制系统。c a n 已被公认为几种最有前途的现 场总线之一，与一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、 实时性和灵活性。其特点可概括如下： ( 1 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络 上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无须占地址等 接点信息。 ( 2 ) c a n 的节点信息可被设置为不同的发送优先级，满足不同的实时要求。 ( 3 ) c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影 响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网 络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况( 以太网则可能) 。 ( 4 ) c a n 可以点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。 ( 5 ) 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的纠错效果。 ( 6 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其它纠错措施，数据出错率极低。 ( 7 ) c a n 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 ( 8 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭总线的功能，切断它与总 线的联系，以使总线上其他节点的操作不受影响。 ( 9 ) c a n 的直接通信距离最远可达1 0 k m ，通信速率最高可达1 m 。 c a n 总线自诞生以来，由于结构简单、应用灵活方便、可靠性强、价格低廉 等优点和极高的可靠性越来越受到工业界的青睐。根据1 9 9 2 年成立的国际c a n 第一覃绪论 用户的制造商非牟利组织c i a ( c a ni na u t o m a t i o n ) 统计，在1 9 9 8 年销售了 9 7 0 0 万个节点。其中8 0 安装于欧洲( 其中又有8 0 安装于德国) 。c a n 节点的 8 0 应用于车辆，其余应用嵌入式网络和工业控制系统，如工厂控制系统、机器 人控制系统、监控系统、机床控制系统等。c a n 国际标准的制定，更加推动了它 的发展与应用。随着越来越多的汽车制造厂家采用c a n 协议，c a n 逐渐成为通用 标准。目前在汽车的设计领域，c a n 几乎成为一种必须采用的技术手段，尤其在 欧洲，如奔驰、宝马、大众、沃尔沃等。美国汽车厂商也将控制器系统逐渐由 c l a s s2 过渡到c a n 。根据s t r a t e g ya n a l y s i s 市场研究公司公布的一份对为控 制器和汽车网络所作的研究表明：大多数客车都选用基于c a n 的网络，目前c a n 已开始取代基于j 1 8 5 0 的网络。到2 0 0 5 年，c a n 将会占据整个汽车网络协议市 场的6 3 ，在欧洲大约为8 8 。采用c a n 总线网络可大大减少个设备间的连接信 号线束，并提高系统监控水平。另外，在不减少其可靠性的前提下，可以很方 便地增加新的控制单元，拓展网络系统的功能。在软件上通信更加灵活，实现 性更好、纠错能力更强。实践证明，基于c a n 总线的控制系统将有广阔的应用 前景。 在我国，对c a n 总线的应用研究已经起步，清华大学、北京航天航空大学 等单位在c a n 为控制网络方面开展了富有成效的研究。目前国内在整车网络体 系构建、信息接口规范等方面的研究也才刚刚起步，没有形成自己独立的c a n 应用层的协议规范，离发达国家现有的技术水平有一定的差距。 1 5 本课题的任务和意义 在国家十五“8 6 3 ”项目的支持下，天津大学和天津清源汽车有限公司等多 家单位以夏利2 0 0 0 作为平台，丌发x l 纯电动轿车。天津大学承担了x l 纯电动 轿车动力总成控制系统的开发工作。 作者在论文工作期间，主要从事了纯电动轿车动力总成控制器的硬件设计 和部分软件的设计和各控制器之间通讯的c a n 的应用层的协议研究，同时在研 究过程中开发了一套基于c a n 总线的监控、标定和仿真系统。本文主要分为以 下几个方面： 1 确定和构建了x l 纯电动轿车动力系统的整个结构和控制网络拓扑结 构，并开发出一套具有独立知识产权的c a n 应用层协议。 2 采用模块化思想开发一个高性能的控制器。详细地介绍了动力总成控制 器硬件的抗干扰技术和软件的可靠性设计。 3 基于p c 机和c a n 卡，建立了动力总成控制的硬件在环仿真系统。 4 为了能实时动态地显示各控制器的主要内部变量和在线标定控制参数， 第一章绪论 提高调试和标定实验效率，开发了基于c a n 总线的监控和标定系统。 5 通过动力总成控制系统的台架和整车道路试验研究，研究了c a n 协议的 完备性、控制逻辑的正确性、驱动策略的测试和优化。 篁三塞兰兰丝垒塾堑至坌变塞丝型至竺垒塑丝篁皇至篁丝型 第二章x l 纯电动轿车分布式控制系统及网络信息系统模型 基于c a n 总线的分布式控制和管理是纯电动整车控制的有效实施方案。x l 纯电动轿车是以夏利2 0 0 0 轿车为平台，保留原车的传动系统上，去掉内燃机， 新增了动力总成控制器、电机控制器、电池管理系统、电机、电池等组成。本 研究提出了控制系统网络信息模型，并开发了一套行之有效的c a n 应用层协议。 2 1 电动汽车的系统结构及其控制系统网络信息模型 图2 1 为纯电动轿车动力系统的示意图。动力系统有两种方案：5 档手动变 速箱和固定速比方案，前者保留原车的传动系，后者则取消原来的离台器和变 速器结构，使电动车的结构更加简单。采用2 0 k w 的交流感应电机取代了原来的 夏利2 0 0 0 的四缸1 3 l 汽油机( 丰田8 a ) 。电机在3 6 0 0 r m i n 下的扭矩额定扭矩 为5 4 n m ，3 6 0 0 r m i n 以上为等功率区，额定扭矩输出为5 4 n * m ，最大过载能力3 倍，三倍过载能持续时间3 0 s 。由8 4 单只组成的3 3 6 v8 0 a h 的高性能的锂电池 组。整车采用c a n 总线传输信息。 图2 - 1 电动汽车动力系统示意图 图2 - 2 是夏利纯电动轿车动力总成控制系统的体系结构。电机控制器负责 电机的驱动控制，电池管理系统执行电池系统的管理，充电机e c u 负责充电机 的控制。电池管理系统与充电机e c u 通过独立的线路进行信息交换。动力总成 控制器从传感器上获取司机的驾驶操作和车辆的运行状态，通过c a n 总线与其 他控制单元交换信息和传输控制指令，完成对整车力矩的分配；通过驱动继电 器组中的相应继电器，完成车辆能源和安全的管理，同时将电动汽车的必要信 篁三童兰曼些皇垫堡查坌童苎堡型重竺垒塑丝笪皇至堡堡型 息通过综合仪表显示出来。监控和诊断接口为控制系统与外设的通讯接口，提 供r s 2 3 2 和c a n 两种接口形式。 行匹配调试。 整车电气系统主要包括原车 电气系统和新增加的电机电池高 压电系统，控制逻辑的实现主要通 过主继电器、辅继电器、空调继电 器、d c d c 继电器，以及充电开关、 钥匙、空调开关、模式开关等元件 的工作逻辑。如图2 2 所示。 纯电动轿车动力总成控制网 络系统中主要包括：动力总成控制 器器、电机控制器、动力电池组管 外设该接i i l 监控车辆控制系统的运行状态和进 图2 - 2 夏利 魄动轿车动力总成控制系统 理系统和监控终端。它们之间通过c a n 总线交换信息。其主要的优点是：电缆 短，容易布线；总线结构简单，又是无源元件，可靠性高；易于扩充，增加新 节点只需在总线的某点将其接入。其通讯系统的拓扑网络模型如图2 - 3 所示。 电机驱动控制器接受动力总成控制器的控制和扭矩指令并执行，并对电机 状态进行监控；电池管理器对电池的电气参数和热参数测量，完成电量计算和 安全管理；两者都向动力总成控制器发送自身的状态参数。监控终端显示整车 各个系统的状态，并完成匹配标定工作； 动力总成控制器对纯电动轿车动力x 动力系统中的各个环节进行管理、协调和监控，提高纯电动轿车整车能量利用 效率，确保车辆安全性和可靠性。 铕二章x l 纯电动轿车分布式控制系统及网络信息系统模型 制 图2 3 通信网络体系结构 c a n 总线物理接口的定义 c a n 总线具有较强的纠错能力，采用差分收发。数值为两种互补逻辑数值 之一：“显性”或“隐性”。因此它能使用双绞线作为传输介质。在x l 纯电动轿 车c a n 总线上共有4 个节点：动力总成控制器器、电机控制器、电池组管理系 统和监控计算机。c a n 总线具体的物理定义如下： 线型：屏蔽双绞线，信号线的颜色分别为红色和黑色。 线定义：红色一c a nh ；黑色一c a nl 。 端子定义：总线上共留有4 个结构相同的3 制端子( 孔式) ，其中： 1 一c a nh ；2 一c a nl ；3 屏蔽层 c a n 总线在车上的布置： 由于在纯电动轿车中电机控制器和电池组分别布置在车的前端和后端，作 为c a n 总线上最远的两个节点，分别在各自的控制器中增加了1 2 0 欧姆的匹配 电阻，以增加数据通信的抗干扰性和可靠性。同时为了避免总线所受的干扰过 大，c a n 总线布置在车的右端，远离左端布置的动力电池组母线。 2 2c a n 总线通信原理 c a n 总线是一种串行数据通信。在c a n 总线通信接口中集成了c a n 协议的物 理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理。c a n 协议的一个最大特 点是废除了传统的地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采用这种方法 第二章x l 纯电动轿车分布式控制系统及网络信息系统模型 的优点是使网络内的节点个数在理论上不受限制，数据的标识符可由1 1 位或2 9 位二进制数组成，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相 同的数据。数据段长度最多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工 作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用总线时间过长，从而保 证了通信的实时性。c a n 协议采用c r c 检验并可提供相应的错误处理功能，保证 了数据通信的可靠性。 i s 0 0 s i 模型将各种协议分为七层，自下而上依次为：物理层、数据链路 层、网络层、传送层、会话层、表达层和应用层。为了使设计透明和执行灵活， c a n 协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的，不过，考虑到 作为工业控制底层网络，其信息传输量较少，实时性要求比较高，因此，c a n 的 模型结构只取了0 s i 底层的物理层、数据链路层和顶层的应用层。其分层结构 和功能如图2 4 所示。 数据链路层 逻辑链路子层( l l c ) 接受滤波 超载通知 恢复管理 媒体访问控制子层( m a c ) 数据封装拆装 帧编码( 填充挥除填充) 媒体访问管理 错误监测 出错标定 应答 串行化，解除串行化 物理层 物理信令( p l s ) 位编码 位定时 同步 物理媒体附属装置( p m a ) 驱动器，接收器特性 媒体相关接h ( m d i ) 连接器 监控器 故障界定 总线故障管理 图2 4c a n 总线的分层结构和功能 第二章x l 纯电动轿车分布式控制系统及网络信息系统模型 物理层协议是网络中最低层协议，定义信号实际传送的方式，其主要描述 了位定时、位编码方式和同步方式。c a n 2 o b 中没有定义物理层的驱动接受功 能，这样使得传输介质和信号在应用中的性能可以得到优化a 数据链路层协议 l l c 子层提供的功能包括：帧接收滤波、超载通告和恢复管理。 1 帧接收滤波：在l l c 子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先前 的帧跃变无关。帧内容由标识符命名。标识符并不能指明帧的目的地， 但描述数据的含义。每个接收器通过帧接收滤波确定此帧与其是否有 关。 2 超载通告：如果接收器内部条件要求延迟下个l l c 数据帧或l l c 远程 帧，则通过l l c 子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，以延迟 下一个数据帧或远程帧。 3 恢复管理：发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧，l l c 子层具有自 动重发送功能。在发送成功完成前，帧发送服务不被用户认可。 m a c 子层可以划分为两个独立工作的两个部分，即发送部分和接受部分。 1 发送部分功能包括： ( 1 ) 发送数据封装：1 ) 接收l l c 帧并接口控制信息：2 ) c r c 循环计算；3 ) 通 过向l l c 帧附加s o f 、r t r 位、保留位、c r c 、a c k 和e o f 构造m a c 帧。 ( 2 ) 发送媒体访问管理：1 ) 确认总线空闲后，开始发送过程( 通过帧间安闻 应答) ；2 ) m a c 帧串行化；插入填充位( 位填充) ；3 ) 在丢失仲裁情况下，退 出仲裁并转入接收方式；4 ) 错误检测( 监控，格式校验) ；5 ) 应答校检；6 ) 确认超载条件：7 ) 构造超载帧并开始发送；构造出错帧并开始发送：8 ) 输 出串行位流至物理层准备发送。 2 接收部分功能包括： ( 1 ) 接收媒体访问管理：1 ) 由物理层接收串行伍流；2 ) 解除串行结构并重新 构筑帧结构：3 ) 检测填充位( 解除位填充) ：4 ) 带误检测( c r c 、格式校验、 填充规则校验) ：5 ) 发送应答：6 ) 构造错误帧并开始发送：7 ) 确认超载条件； 8 ) 重激活超载帧结构并丌始发送。 ( 2 )