技术笔记-整车控制系统

电动车动力总成控制系统方案电动车动力总成控制系统方案 1 基本情况 2 2 整车电气系统 4 3 动力总成控制系统 5 3 1 整车控制系统 7 3 2 动力电池 9 3 3 电池管理系统 10 3 4 驱动电机 10 3 5 电机控制器 11 3 6 DC DC 14 3 7 组合仪表 14 3 8 高压箱 14 3 9 充电设备 15 3 10 高压用电设备 15 3 11 低压用电设备 15 4 电动车控制策略设计 15 4 1 车辆启动关闭控制策略 15 4 2 动力电池安全启动控制策略 17 4 3 电机驱动控制策略 17 4 3 1 加速踏板信号处理 19 4 3 2 制动踏板信号优先原则 20 4 4 制动能量回馈控制策略 21 21 4 5 故障诊断与安全控制策略 22 4 6 通信管理 22 5 纯电动车测试方案 23 5 1 台架 仿真系统测试 23 5 2 实车路试 23 1 基本情况基本情况 该车型的基本参数如下 表 1 1 电动车车身基本参数 类别名称参数 长 X 宽 X 高 mm x x 轴距 mm 整备质量 kg 00 满载质量 kg 00 轮胎型号 滚动半径 m 主减速比 整车的性能指标如下 表 1 2 电动车性能指标 项目名称参数 驱动方式 最高车速 km h 最大爬坡度 匀速 20km h 0 100km h 加速时间 s 60km h 匀速纯电动续驶里程 km 最大续驶里程 km NEDC 工况能耗 kWh 100km 2 整车电气系统整车电气系统 车辆上的电气系统 可分为低压电气系统和高压电气系统 简称电气系统 整个电 气系统是动力总成控制系统的物理基础 是动力总成控制系统得以工作进而驱动车辆 行驶的基本条件 1 低压电气系统 电源为车载蓄电池 电压为 12V 为所有低压用电设备供电 2 高压电气系统 由动力电池供电 电压级别为 350V 在驾驶员操作台前的方 向盘边上 设置一红色的显著的电源开关 当车辆在必要时按动该红色开关切 断车辆上的所有电源 3 电气系统使用标准的车用线束进行连接 是电气系统得以正常工作的绝对保证 4 合理分配继电器的数量 3 动力总成控制系统动力总成控制系统 电动车动力总成控制系统如下图 220V单向充电口 电电池池箱箱加加热热 除除霜霜 空空调调 高高压压用用电电设设备备 电电机机 控控制制器器 高压直流电 CAN总总线线 高高压压箱箱 组合仪表 低低压压用用电电设设备备 低低压压12V 蓄蓄电电池池 BMS 动动力力电电池池 AC DC DC DC 其其他他信信号号 整整车车控控制制系系统统 AD I0 入入 I0 出出 制制动动踏踏板板 加加速速踏踏板板 KEY信信号号 档档位位信信号号 手手刹刹信信号号 纯纯电电 中中程程 远远程程模模式式 其其他他信信号号 12V车车载载电电压压 减减速速器器 差差速速器器 车轮 车轮 交交流流电电 交交流流 电电机机 图 3 1 电动车动力总成控制系统框图 图 3 1 电动车动力总成控制系统主要由整车控制系统 电机及其电机控制器 动力 电池和电池管理系统 电池热管理系统 AC DC 充电机 DC DC 空调 组合仪表等 组成 3 1 整车控制系统整车控制系统 整车控制系统是电动车动力总成控制系统的控制核心 是一级控制单元 它通过识 别驾驶员的操作意图 档位信号 加速踏板 制动踏板信号 控制动力电池输出高压 驱动电机转动 同时通过驱动车用组合仪表显示车辆当前的设备或系统信息如车速 电机转速 电机温度 电池电压 电池电流等 整车控制系统通过 CAN 总线与各动力子系统进行信息交互 并发出控制指令来驱 动各子系统进行工作 整车控制系统负责维护 CAN 总线通信系统 当检测判断出某个系统不工作时会通 过组合仪表或声控提示驾驶员 及时采取安全措施 负责车辆的故障诊断和处理 以保证车辆安全和能量的高效利用 整车控制系统的功能宗旨就是 保证汽车安全行驶和能量的高效利用 后续的所有 控制策略就是围绕该功能宗旨进行设计与优化 整车控制系统输入的信号有数字信号 模拟信号和通过 CAN 总线通讯获得的各种 数据 经过处理 然后再输出各种指令 整车控制系统的 IO 输入信号有 表 3 1 输入 IO 信号 序号IO 信号名称功能备注 1ACC所有低压设备上电 2ON开动力电池高压信号 3 KEY 信号 START启动电机转动信号 4D 档车辆前进信号 5N 档空档信号 6 档位信号 R 档倒车信号 7手刹信号防止溜车现象可能不接该信号 8纯电驱动信号 9 10 模式控制 信号 11空调工作信号 正常 故障 12 13除霜机工作信号 正常 故障 14真空泵工作信号 正常 故障 15热管理系统工作信号 正常 故障 16 其它信号 暖风机工作信号 正常 故障 AD 信号有如下 表 3 2 输入 AD 信号 序号AD 名称功能备注 1加速踏板采集加速踏板开度 2制动踏板采集制动踏板开度 3车载 12V 电压值采集电压值 需要标校 输出 IO 信号 表 3 3 输出 IO 信号 序号输出 IO 信号功能备注 1延时继电器开关控制延时继电器开关当动力电池高压开启后 关闭 该延时继电器 各辅助高压用 电设备才能启动 2空调开关切断空调供应电源 CAN 总线接口 表 3 4 CAN 总线接口 序号CAN 总线接口备注 1与 BMS 通讯 2与电机控制器通讯 3与组合仪表通讯 实际连接中还有如 DC DC 等 视具体设备位置 介入方便性而定 PWM 信号 表 3 5 PWM 输出信号 序号 1根据不同需要改变占空比使用 或改变频率使用 3 2 动力电池动力电池 表 3 6 动力电池基本参数 类别名称参数值备注 电池类型 单体电压 V 单体容量 Ah 放电深度 工作电压 V 电池容量 A h 总能量 kWh 可用能量 kWh 其它正常放电 0 C 一般放电 C 极限放电 C 串 箱 总共 箱 对于控制策略中 实时母线电 流 SOC 值是输入变量 3 3 电池管理系统电池管理系统 电池管理系统 BMS CAN 协议另见协议接口 BMS 采用低压 12V 供电工作 整个 BMS 的基本工作步骤 BMS 上电自检 然后周期性通过 CAN 总线发出 BMS 的状态参数如母线电压 母线电流 SOC 值 单体最高低电压 单体最高低温度 系 统各故障类型状态 接收 CAN 总线控制命令开高压或关闭高压 BMS 有若干个系统状态 上电 初始化 待命 预充电 使能 错误 高压关闭 等 为保证一定安全性 BMS 在下高压后 必须关闭 BMS 后 再重新开高压 BMS 有一套完善的安全保护措施 当故障等级达到一定级别时 自行切断高压输 出等 3 4 驱动电机驱动电机 电机使用永磁同步电机 参数如下 表 3 7 驱动电机基本参数 序号类别参数值 1额定电压 V 2额定功率 kW 3峰值功率 kW 4额定转速 rpm 5最高转速 rpm 6额定扭矩 N m 7峰值扭矩 N m 3 5 电机控制器电机控制器 电机控制器使用电机匹配的控制器 使用 CAN 总线接口与外部系统进行通信 下表为电机控制器的一些基本参数 表 3 8 驱动电机基本参数 序号类别参数值 1型号 2额定电压 V 3工作电压范围 V 4额定容量 kVA 5最大容量 kVA 6控制电源额定电压DC12V 7控制电源电压范围DC V DC V 8控制器防护等级IP55 9绝缘电阻 20M 3 6 DC DC DC DC 的主要功能是把高压变换成低压后给车载 12V 蓄电池充电 DC DC 设备使 用 CAN 总线协议发送出当前状态参数 3 7 组合仪表组合仪表 组合仪表的显示方式采取传统指针式仪表和 LCD 液晶屏数据显示 组合仪表通过 CAN 总线接口接收待显示的参数数据 主要显示当前车辆的基本信息内容有 1 车辆的基本信息 如车速 2 电机及其控制参数 电机转速 电机温度 当前状态 3 BMS 参数 工作电压 工作电流 SOC 各故障状态 5 辅助设备工作状态 3 8 高压箱高压箱 3 9 充电设备充电设备 3 10 高压用电设备高压用电设备 高压用电设备主要有 除霜机 空调 冷却系统 暖风机 为了保证一定的续驶里程和动力电池的使用安全 VMU 在必要时切断对辅助高压 设备的电源输出 3 11 低压用电设备低压用电设备 传统用电部分 如各种闪光灯等 各种 ECU 一般低压用电设备都从车载低压蓄 电池取电 当蓄电池电量不够时 由 DC DC 给低压车载蓄电池充电 4 电动车控制策略设计电动车控制策略设计 4 1 车辆启动关闭控制策略车辆启动关闭控制策略 车辆启动关闭动作 由驾驶员使用车钥匙来完成启动 并配合档位 加速踏板等操 作 传统车钥匙启动开关上有 4 档 LOCK 档 ACC 档 ON 档 START 档 OFF ACC ON ST 图 4 1 车用钥匙开关示意图 钥匙顺时针转动 启动车辆 钥匙逆时针转动 则关闭车辆 使用 ON 档和 START 档 ON 作为给低压设备上电和启动动力电池高压输出控制信 号 START 档作为电机主接触器闭合断开开关信号 根据钥匙的转动 钥匙启动开关依次把 4 档开关信号传送给 VMU 顺序不会改变 当钥匙转回到 LOCK 档时 ACC 档 ON 档 START 档信号的有效输出会同时消失 整个车辆启动控制策略如下流程图 开始 钥匙ON信号有效 N 钥匙ON信号第一次有 效 Y 判断各子系统状态是否 正常 Y 故障提示 N N 置开高压允许有效标志 Y 钥匙START信号有效 Y 置电机主接触器闭合 标志 BMS状态为ENABLE状 态 N Y 延时继电器闭合 第一次无效 置电机主接触器标志断开 延时50ms 置关高压标志 延时200ms 断开延时继电器 Y 休眠状态 N BMS状态为ERROR Y N END N 图 4 2 钥匙工作流程图 当驾驶员转动钥匙到 ACC 位置 整个车辆的低压设备上电自检 整车控制系统检 查所有设备或子系统处于正常工作下 响应钥匙的 ON 信号 否则整车控制系统通过 组合仪表显示故障信息 不响应驾驶员的下一步操作 当钥匙转动 ON 档 整车控制系统判断所有所有设备都正常的情况下 发送开高压 命令给 BMS 此时 BMS 控制动力电池开高压 正确情况下动力电池输出高压 同时 BMS 定时通过 CAN 总线发送出动力电池的状态和参数 当整车控制系统判断钥匙转到 ST 信号 则发动关闭主接触器命令给电机控制器 启动电机工作 最后整车控制系统响应驾驶员的加速踏板 档位信号 自动踏板等来控制电机转动 从而驱动车辆行驶 钥匙动作会牵涉到 VMU 的运行状态 休眠 正常 启动 BMS 开关高压 电机主 接触器的开关 延时继电器的开关 还影响到 VMU 软件中的状态切换问题 所以其中 的逻辑关系必须非常清晰 4 2 动力电池安全启动控制策略动力电池安全启动控制策略 动力电池的高压输出与断开 由 BMS 直接控制 VMU 间接控制 整个工作过程为 VMU 确认 BMS 在正常待命状态时 发送开高压的 CAN 总线报文命令 BMS 于是进入 开高压过程 其间 BMS 状态会从待命状态到预充电状态 开高压成功时会进入使能状 态 开高压成功 整个过程 BMS 定时向 VMU 发送当前状态及其参数 引起预充电失败的问题有多方面 之前碰到的主要问题是当 BMS 在开高压的过程 中 有高压设备已经在启动 导致 BMS 检测到的高压输出值在预定时间内达不到预期 值 从而预充电失败的错误故障 所以在电气设计时 尤其是 VMU 的控制策略中 在 BMS 没有正确进入使能状态前 不允许给辅助高压用电设备供电 以防止预充失败 提高用电安全和设备安全 4 3 电机驱动控制策略电机驱动控制策略 VMU 根据当前的车辆状态 给电机控制器发送出合理的目标转矩 从而驱动 电机转动 车辆状态包括很多因素 但主要是驾驶员的操作意图 电机的当前状态 高压电池的状态 处理过程为如下输入 处理 输出的过程处理图表示 VMS处理电机目标转矩 驾驶员操作意图 加速踏板 制动踏板 档位 动力电池当前状态参数 SOC 母线电流 故障状态 电机系统当前状态参数 电机转速 额定转矩 最高转矩 额定转速 最高转速 故障状态等 车辆当前状态 手刹 设备状态等 图 4 3 电机驱动控制策略输入因子图 电机当前转 速 电池SOC值 查表得当前最 大输出转矩值 电机一级目标转矩 电机驱动转矩负荷系数 加速踏板开 度信号 加速踏板 行程系数 驱动控制 模式 加速踏板踩 下速率 档位 制动踏板信 号 电池工作 电流 电机二级目标转矩 电机三级目标转矩 发送转矩命令 图 4 4 电机驱动控制策略目标转矩计算流程图 图 4 3 表明了 VMU 发送目标转矩值给电机控制器前需要处理的过程 上图中没有画出整车故 障时的处理模式 驱动控制策略 在保证动力性的前提下 如何利用车载能量 动力电池 提高电 动汽车的续驶里程是关键点 一般模式控制策略 动力模式控制策略 经济模式控制 策略 表 4 1 三种控制策略的比较 控制模式优先级进入该模式条件 经济模式高在放电容量和放电功率中找到一个平衡点 C 3 0 5C 区间放电 电机额定转速附近效率最高 S 的常用区间为 30 60 一般模式中条件 S30 不同转速时的最大转矩对应额定转矩 动力模式低S 70 S 加速踏板行程系数 百分数 4 3 1 加速踏板信号处理加速踏板信号处理 加速踏板的总运算公式为 T S x 41 T 驾驶员需求转矩 S 加速踏板行程系数 百分数 额定转矩 L 电机驱动转矩负荷系数 一般控制模式 图 4 5 一般控制模式中 L 与 S 的关系图 一般控制模式的 LS 关系图 L S 则 1 式为 T L x 4 2 一般控制模式采取 L 与 S 的关系 采取线性关系模式即一般控制模式 动力控制模式 图 4 6 动力控制模式中 L 与 S 的关系图 由于 S 与 L 的关系不是线性关系 非线性关系的计算量非常大 所以采取分段线性 逐步逼近的方式 T L x 4 3 为电机的峰值转矩 L 与 S 的关系如下所以 采取实验的方式得到 L 4 4 0 0 40 1 2 40 60 3 4 60 80 5 6 80 100 上式中的 根据实验测试所得 但必须大于 1 0 1 2 3 4 5 6 0 经济控制模式 图 4 7 经济控制模式中 L 与 S 的关系图 经济控制模式中 在式 4 4 中的 k 值 根据实验测得一组数 其中必须小于 1 0 4 3 2 制动踏板信号优先原则制动踏板信号优先原则 制动踏板优先原则 指的是当驾驶员踩下制动踏板时 不管加速踏板在哪个开度上 VMU 优先处理制动踏板信号 由于电机转动有 4 个转动模式 正转 反转 空载 停止 所以当制动踏板踩下时 VMU 应该给电机控制器发送的是停止转动模式 4 4 制动能量回馈控制策略制动能量回馈控制策略 制动能量回馈 能有效提高电动车的续驶里程 其受各种因数影响 驱动电机性能 最大制动力 最高回馈电流 动力电池性能 如瞬态充电电流 整车控制策略和 实际车辆行驶工况 同时也要保证安全制动 传统制动能量回馈策略 只在驾驶员踩下制动踏板后才能启动能量回馈 回馈力矩 的大小和制动踏板制动位置深度成正比关系 但在开关式制动踏板下的制动能量回馈控制策略中 其回馈力矩值的计算则得根据 电机的当前转速计算而得 既将回馈力矩的大小设计车速的函数 以及考虑车辆当前 的运行状况决定是否进入能量制动回馈控制过程 4 5 故障诊断与安全控制策略故障诊断与安全控制策略 基于 CAN 分布式控制系统的故障诊断和容错控制方法 并对典型的故障进行容错 策略的研究 所有的故障状态 VMU 通过组合仪表全部显示出实时信息 提示驾驶员注意 在启动车辆行驶时 当钥匙开关的 ST 信号初次有效前 VMU 首先检测加速踏板 位置 档位信息等情况 只有在加速踏板未踩 档位在 N