纯电动汽车电控系统关键技术研究

1 纯电动汽车电子控制关键技术研究 中国第一汽车集团公司技术中心2010 10 15 2 目录 3 1 课题目的与意义 研究背景 纯电动汽车可最大幅度减低燃油消耗和改善排放 是近期节能与新能源汽车发展战略的主流 整车电子控制系统 VCU 是电动汽车动力系统集成的核心部件 是体现整车企业自主知识产权和产品水平的核心技术 技术成熟度及产品水平直接影响整车的动力性 安全性及经济性 是纯电动汽车产业化成功与否的关键技术 是促进节能与新能源汽车创新体系和产业链形成的不可或缺的关键环节 具有重要的战略意义 VCU关键技术研究和产品开发有助于推动电动汽车产业化进程 符合国家节能减排发展战略 有利于突破外国公司的技术垄断 尽快掌握纯电动汽车的关键技术 有助于推进一汽集团新能源汽车开发进程 增强企业自主开发和自主创新能力 1 课题目的与意义 目的意义 丰田 日产 通用和福特等整车企业 德尔福 大陆 博世集团等汽车电子零部件巨头 都在进行整车控制器研发和生产 部分汽车设计公司 如奥地利AVL 德国FEV 英国RICARDO等 也为整车厂提供整车控制器技术方案 控制器核心软件基本是由整车厂研发 硬件和底层驱动软件一般选择汽车零部件厂商提供 国外VCU技术趋于成熟 控制策略成熟度高 整车节能效果良好 控制器产品也通过市场检验证实了其可靠性 控制器产品日趋标准化 AUTOSAR 汽车开放系统架构 已成为控制器开发的一个趋势 国内整车控制器主要是以高校为依托进行研究 现阶段各企业和高校初步掌握了整车控制器的软 硬件开发能力 产品功能较为完备 基本满足电动汽车需求 已经应用到样车及小批量产品 存在问题 各厂家技术积累有限 水平参差不齐 控制器基础硬件水平与国外存在一定差距等因素 控制器产品技术水平和产业化能力与国外相比仍有较大差距 表现在 1 整车控制器软件多数停留在功能实现 上层软件诊断功能 整车安全控制策略 监控功能均有待优化和提高 2 应用软件方面开发与应用工具体系薄弱 3 控制器硬件设计制造能力有待提高 4 控制器接口和网络通讯协议尚未标准化 不利于整车控制器产品的产业化发展 发展动态开展以面向产业化应用为主的工程化 标准化和可靠性等方面的研究工作 提高整车控制策略的技术成熟度 整车控制器产品的技术水平及其产业化能力 在动力系统集成和控制系统开发方面突破国外技术垄断 形成具有自主知识产权的产品核心竞争能力 专利 不完全统计 国内28 国外13 纯电动汽车 控制系统 控制器 能量管理 国外 1 课题目的与意义 研究现状 6 目录 7 2 主要研究内容 重点研究整车控制系统的核心控制算法与应用软件的开发方法 研究制定以提高动力系统能量利用效率并兼顾行驶平顺性为目的的整车驱动与制动控制策略和控制算法 确定满足整车行驶工况的安全控制策略及故障诊断和容错控制算法 构建基于CAN通讯协议的纯电动汽车整车控制系统结构体系 建立控制系统快速控制原型开发与测试标定技术平台 内容包括 整车控制系统结构与CAN网络设计从车辆行驶的角度明确细化整车驱动 制动及能量管理 故障诊断等各项控制性能要求 提出一汽纯电动汽车整车控制系统结构与CAN网络设计方案 纯电动平台CAN通讯协议的开发 基于整车电子电器架构 根据控制流 诊断流 网络管理的需求 建立通讯协议体系 保障整车电控系统协调工作的顺利实现 研究制定基于GPRS GSM和蓝牙无线技术的远程监控协议 整车控制系统控制策略制定与控制算法研究整车驱动控制策略与算法研究开发整车制动能量回馈控制算法研究开发整车运行状态安全控制与故障诊断技术研究 8 VCU快速控制原型开发与控制算法标定在AUTOSAR架构下借助V型开发流程 应用OSEK高可靠性嵌入式控制系统及32位高性能CPU软硬件原型技术 进行整车控制器快速控制原型开发 结合整车行驶循环工况 进行整车控制算法与控制参数的在线标定和优化 研究开发基于CCP CANCalibrationProtocol 协议的整车控制系统匹配标定和监控软件 对整车控制系统性能 动力系统能量利用效率以及整车经济性等指标进行评行评估与验证 整车VCU产品开发基于汽车计算平台 整合控制算法 标定监控 故障诊断 网络管理 文件下载模块于一体 形成完整的汽车级用户产品 VCU台架测试 装车调试及整车性能验证完善动力系统试验台架 进行整车控制系统测试平台的调试 对主要控制参数进行标定和优化 完善系统控制策略和控制算法 整车VCU装车调试 对整车控制系统CAN网络性能 整车的动力性能 经济性能等进行比较全面的试验 2 主要研究内容 9 目录 10 研究目标深入掌握纯电动汽车整车控制系统核心控制算法与应用软件开发技术 建立整车控制系统关键技术研究 产品开发与性能验证技术平台 形成纯电动汽车电控系统开发 软硬件设计与参数优化 性能测试和评价相结合的产品研发技术流程 研制开发满足纯电动汽车使用需要的高容错 高可靠性 低成本的整车控制器产品 制定整车控制器技术规范等基础性标准 提高整车控制器的通用性与可移植性 为系统掌握纯电动汽车控制系统核心技术 形成完善的VCU产品自主开发能力并满足产业化发展需要提供技术支持 预期成果VCU产品可以形成工程化 标准化与系列化的生产和配套能力 VCU产品满足标准化大批量生产工艺设计 实现批量生产并配套纯电动汽车完成大规模示范 制订出纯电动汽车整车控制器企业技术规范等基础性标准 3 研究目标与技术指标 研究目标 11 VCU控制系统功能具有踏板扭矩解析功能 具有驱动 制动能量回收控制功能 具有能量管理 动态协调功能 具有安全保护与网络通信功能 VCU软硬件技术指标 3 研究目标与技术指标 技术指标 12 目录 根据整车技术规格和性能指标 结合目标市场定位 确定动力系统技术平台的技术规范 技术要求和性能指标 通过仿真分析和参数匹配 分解对电机 电池 变速器等主要总成的技术要求 确定动力系统技术平台各部件的技术规格 a 根据既定运行工况和所要达到的整车动力性 燃油经济性等性能指标 确定驱动电机功率需求 动力电池的类型 容量 比功率和比能量等 b 根据电动汽车电压等级 输出通断等电气系统方案 确定接触器 熔断器等关键器件的电器参数 并设计整车的电气安全检测系统 在选定车型的基础上 确定动力系统技术平台总体方案 13 4 课题研究技术路线 动力系统设计 14 汽车驱动控制 整车控制器功能 整车控制器需根据司机的驾驶要求 车辆状态 道路及环境状况 经分析和处理 向电机控制器发出指令 满足驾驶工况要求 制动能量回馈控制 整车控制器根据制动踏板和加速踏板信息 车辆行驶状态信息 蓄电池荷电状态信息 计算制动减速度 向电机控制器发出指令当满足制动回馈条件时 将能量反充给动力电池组 整车能量管理与优化 整车控制器通过CAN总线与电池管理系统连接共同承担整车的能量管理 以提高能量的利用率 在电池管理系统的协助下完成参数监测 信息通讯 充放电控制 热管理 故障诊断等功能 同时针对具体行驶情况实现安全行驶和能量的合理分配 整车网络化管理 车辆状态的监示和故障诊断及保护 总线所连接的各个子系统控制器实时将各自控制对象的信息发布至CAN总线 由整车控制器通过综合数字仪表显示出来 整车控制器能对故障信息及时处理并做出相应的安全保护处理 整车控制器作为信息控制中心 负责组织信息传输 网络状态监控 网络节点管理 信息优先权的动态分配等功能 4 课题研究技术路线 VCU功能 15 整车控制系统结构框图 4 课题研究技术路线 VCU结构 用以实现整车控制系统的功能 CAN总线使得汽车各控制单元能够共享信息和资源 达到简化布线 减少传感器数量 避免控制功能重复 提高系统可靠性和维护性 降低成本 更好地匹配和协调各个控制系统的目的 需要CAN连接通信的系统有电机及其管理系统 电池及其管理系统 整车控制器 车载显示系统和电动附件等 16 CAN网络结构原理 4 课题研究技术路线 CAN网络体系 通过采集输入信息 分析驾驶员的操控意图 根据当前车辆状况和操控意图分析结果 给出电机 电池的执行指令 达到对整车启动 行驶等工况的平稳操控 驱动模型数学函数 Fdrive f Acc Dacc Bpp Motor speed Motor temp Speed V I SOC 式中 Acc 加速踏板的位置 Dacc 加速踏板的加速度 Bpp 制动缸内的压力 Motor speed 电机转速 Motor temp 电机温度 Speed 车速 V I 电池的电压和电流 SOC 电池荷电状态 关键技术 电机驱动模式切换动态协调控制技术 电动汽车牵引力控制技术 4 课题研究技术路线 控制策略与算法 电机驱动模式转换动态协调控制在对路面驱动阻力进行识别的基础上 通过对制动踏板 电机转速 保持转速时的电机负荷率以及转矩的协调控制 改善EV从电爬行启车及巡航控制状态到加速踏板开度决定的转矩控制转换过程中 电机从转速控制模式转换到转矩控制模式时的扭矩冲击 电动汽车牵引力控制通过对驱动轮与从动轮转速对比 判别车轮打滑状态 结合路面峰值附着系数的辨识结果 降低电机负荷 对驱动轮减速 保证驱动轮附着性能最佳 4 课题研究技术路线 控制策略与算法 牵引力控制中电机最优负荷率控制相关参量 电动汽车路面峰值附着系数识别理论在各种条件下实时识别汽车行驶路面附着特性 打滑状态及对应的最佳滑移率 为EV汽车实现低成本高性能的制动防抱死 牵引力控制及电子稳定控制系统提供新的解决方案 对提高EV综合性能及增强其相对于传统汽车的竞争力 加速EV的市场普及率具有重要意义 专利 用于车辆牵引力控制系统的车轮最佳滑转率实时识别方法200710055467 6靳立强王庆年轮速获取 ABS控制器通过CAN协议发送电动汽车路面驱动阻力识别算法研究及其在电机协调控制中的应用专利 无 4 课题研究技术路线 控制策略与算法 VCU根据制动踏板和加速踏板信息 结合车辆行驶状态 电机 电池的有效负荷 计算制动减速度 当满足制动回馈条件时 将能量回馈给动力电池 4 课题研究技术路线 控制策略与算法 目标 采用串联式制动能量回馈系统 通过协调回馈制动与摩擦制动 在正常制动情况下实现串联回馈制动策略 可以在有效回收制动能量的同时保证制动感觉 在车轮抱死或有抱死趋势时 实现摩擦制动与电机回馈制动的联合防抱死控制策略 简化现有电动汽车制动系统的复杂程度 提高控制的一体化程度 能够在保证制动安全的同时对制动能量进行有效回收 关键技术 电动汽车复式制动控制技术及其实现方法作用 通过对驱动轮与从动轮转速对比 判别车轮打滑状态 结合路面峰值附着系数的辨识结果 降低电机负荷 对驱动轮减速 保证驱动轮附着性能最佳 4 课题研究技术路线 控制策略与算法 制定以提高制动能量回馈并兼顾整车行驶平顺性的控制系统控制策略 建立包括摩擦制动器 电机再生制动 轮胎和转向系统在内的基于多体结构的复式制动系统非线性动力学模型与仿真方法 制定摩擦制动和电机再生制动联合作用时汽车制动工作模式切换过程中的具体控制策略 解决影响摩擦制动和电机再生制动联合作用时复式制动系统的结构参数和控制参数的耦合问题 确定整车复式制动过程中制动效能和行驶稳定性的综合控制目标函数 构建整车复式制动系统协调控制的综合控制算法 实现整车再生制动和行驶舒适性的协调控制 电动汽车复式制动模式切换综合控制理论 复式制动控制流程图 目的 提高整车能量利用率 提高一次充电的续驶里程 维护整车的安全性 目标 在没有电池能量限值的条件下 在所有工况下 如何获得最优的动力系统的加速性能 确保可以接受的驾驶感觉 在有电池能量限制的条件下 如何避免 切断 任务 在系统性能限制条件和司机驾驶力矩需求的条件下 计算和调整实际输出的驱动力矩 计算最佳的传动比 管理动力总成的工况模式和过渡工况的平滑 22 工况的控制流程和切换驱动力的能量限制SOC管理 不同电池SOC状态最大的驱动力不同的 限制最大的电池放电电流 来保证电池不会被 切断 电动附件管理电量不足时 关闭空调 在快速启动时 关闭空调 在加速中 关闭空调 工况的控制流程和切换 4 课题研究技术路线 控制策略与算法 研究整车电气系统高压电安全 漏电检测和保护技术 实时检测和诊断高压电系统的工作状态 快速地与整车控制器等交换信息并响应其命令 正确地实施对高压电的控制 确保高压电路运行的可靠性 采取必要的保护装置以减少安全隐患 整车运行状态监控应用软件开发 电气安全检测子系统硬件电路 安全检测子系统主要监测整车电气状态信息 总电压 总电流 正负母线对地电压值 正负母线绝缘电阻值 辅助电压 继电器连接状况 保险丝的通断状态等 整车CAN总线网络拓扑 4 课题研究技术路线 控制策略与算法 整车故障识别与处理 OBD 技术研究与容错控制算法开发内容 研究不同工况下纯电动车动力系统总成 通讯系统和整车的失效模式 研究在各种故障状态下的故障诊断和容错控制 以及相应的安全控制策略和整车跛行回家控制策略 方法 安全检测子系统通过CAN总线输出测得的各部分的状态及数值 输出系统的报警状态和通断状态 这些信息在车载智能仪表上进行显示 通过CAN总线 系统与PC机或其他诊断设备仪表相互通信 以读取各被测部分的状态 并进行参数设定 如设定主电路 辅助电路报警电压 处理电压 设定绝缘电阻报警值 处理值等 4 课题研究技术路线 控制策略与算法 25 整车控制器主程序软件流程图 主控制器软件分为两个层次设计 即驱动层和管理层 仪表显示 继电器组和CAN接口的硬件及其底层的驱动软件可以看作是驱动控制指令的执行系统 管理层则是根据汽车不同运行状态的控制策略发出相应的控制指令 是电控系统中的高层软件控制部分 4 课题研究技术路线 VCU软件设计 主程序包括上电自检 系统初始化 标度变换 故障诊断 工况判断 MAP运算 控制量修正 通信管理 系统初始化 配置MC68376的SIM TPU QSPI AD CTM等模块的有关寄存器 进行系统功能的设置 标度变换 将AD结果进行软件的平均 并根据传感器标定曲线将数字量转换为相应的物理值 故障诊断 根据传感器的输入及其他通过CAN总线通信得到的电机 电池的信息 判断传感器 继电器和电池 电机及整车的故障状态 一方面将故障码存入EEPROM 另一方面向TPU提供故障码参数 用于驱动故障指示灯 工况判断 根据司机操作信息 加速踏板 制动踏板以及电机转速 车速 电池状态 电机状态和运行模式来判断车辆的运行工况 运行工况包括停车 充电 启动 运行 车辆前进 车辆后退 制动回馈等 MAP运算 依据运行工况和工作模式 查找相应的加速踏板特性参数 驱动扭矩参数 制动回馈扭矩参数 并进行线性插值 计算扭矩值 MAP为一个一维的数表 横坐标为转速 纵坐标为扭矩负荷 MAP是根据电机的全工况试验 采用优化算法优化得到的结果 控制量修正 根据电池的电压和电流 温度 电机的温度 过载状态对驱动扭矩进行修正 根据电池的电流作闭环控制 通信管理 解释外设发来的控制指令和数据 向发送缓冲区提供发送的数据 智能仪表驱动 通过TPU通道的PWM波输出驱动智能仪表显示驾驶信息 包括车速 电机转速 电池电压 电流 SOC 故障码 温度 充电指示 26 4 课题研究技术路线 VCU软件设计 驱动策略仿真 加速性能仿真 功率限制仿真 电机的过载管理等 制动控制策略仿真整车性能仿真 应用电动汽车通用仿真软件ADVISOR 对EV进行建模仿真计算 应用Matlab simulink分别对控制策略进行建模 并嵌入到整车模型中进行仿真分析 4 课题研究技术路线 系统建模与仿真 纯电动汽车整车仿真模型 电机过载管理模块 再生制动策略模块 28 4 课题研究技术路线 VCURCP开发 利用图形化的工程软件MATLAB SIMULINK 建立电动客车整车模型及控制模型 调试控制算法 在AUTOSAR架构下借助V型开发流程 应用OSEK高可靠性嵌入式控制系统及32位高性能CPU软硬件原型技术 通过DSPACE和TargetLink代码自动生成工具 进行整车控制器快速控制原型开发及控制器产品代码开发 试验设备AVL测功机Digatron电池测试及模拟系统dSPACE开发系统试验目的对电机 动力电池等主要总成的性能进行比较全面的试验 联合调试电机和电机控制器 电池和电池控制器 动力总成控制器的协同工作策略 并对主要控制参数进行标定和优化 完善系统控制策略和控制算法 29 AVL测功机与电动汽车多能源动力总成实验台 电池测试及模拟系统 4 课题研究技术路线 动力系统试验 搭建如图所示的纯电动整车控制系统开发试验台架 整车负载使用AVL测功机进行模拟 整车控制器通过开关量采集钥匙门及档位信息 判断驾驶员上电请求及行驶需求 同时通过CAN总线收取动力电池 驱动电机 DC DC转换器状态信息 完成整车上电自检及故障诊断 通过模拟量采集驾驶员的加速和制动踏板 解析出驾驶员扭矩需求 通过接受驾驶员充电请求及电池组温度 SOC等状态 实时地完成与充电器的信息交互 确保充电安全顺利进行 30 纯电动汽车整车控制系统开发试验台架 4 课题研究技术路线 VCU台架试验 VCU标定与性能试验 结合整车行驶循环工况 进行整车控制算法与控制参数的在线标定和优化 研究开发基于CCP CANCalibrationProtocol 协议的整车控制系统匹配标定和监控软件 搭建试验台架 对控制系统基本功能进行验证 完善系统控制策略和控制算法 31 继电器驱动 采用NUD3124汽车专用继电器驱动芯片驱动车用12V继电器 PWM驱动 PWM输驱动采用MC33385芯片实现功率驱动 数字12V驱动 数字输出需要提供12V电压 同时设备输入阻抗为10K欧姆 故选用BTS462MOS管实现该功能 1 5 3 2 4 CPU 供电电源 前端输入电路 后端驱动电路 其他电路组成 CPU采用32位MotorolaMPC565处理器 最高工作频率56MHz 系统外扩4MFlash 2M高速SRAM 外部晶振4MHz 采用Infineon公司的TLE6361电源芯片 电源输入范围 直流5 5 60V 电源输出范围 5V 800mA 3 3Vor2 6V 500mA 3 3Vor2 6V 350mA工作温度范围 40 85摄氏度保存温度范围 55 12