纯电动汽车电子控制关键技术研究课件

1純電動汽車電子控制關鍵技術研究

21.課題目的與意義—研究背景

純電動汽車可最大幅度減低燃油消耗和改善排放；是近期節能與新能源汽車發展戰略的主流。整車電子控制系統（VCU）是電動汽車動力系統集成的核心部件，是體現整車企業自主知識產權和產品水準的核心技術；技術成熟度及產品水準直接影響整車的動力性、安全性及經濟性，是純電動汽車產業化成功與否的關鍵技術；是促進節能與新能源汽車創新體系和產業鏈形成的不可或缺的關鍵環節，具有重要的戰略意義。VCU關鍵技術研究和產品開發有助於推動電動汽車產業化進程，符合國家節能減排發展戰略；有利於突破外國公司的技術壟斷，儘快掌握純電動汽車的關鍵技術；有助於推進一汽集團新能源汽車開發進程，增強企業自主開發和自主創新能力。1.課題目的與意義—目的意義豐田、日產、通用和福特等整車企業，德爾福、大陸、博世集團等汽車電子零部件巨頭，都在進行整車控制器研發和生產。部分汽車設計公司，如奧地利AVL、德國FEV、英國RICARDO等，也為整車廠提供整車控制器技術方案；控制器核心軟體基本是由整車廠研發，硬體和底層驅動軟體一般選擇汽車零部件廠商提供；國外VCU技術趨於成熟，控制策略成熟度高，整車節能效果良好，控制器產品也通過市場檢驗證實了其可靠性；控制器產品日趨標準化，AUTOSAR（汽車開放系統架構）已成為控制器開發的一個趨勢。國內整車控制器主要是以高校為依託進行研究；現階段各企業和高校初步掌握了整車控制器的軟、硬體開發能力；產品功能較為完備，基本滿足電動汽車需求，已經應用到樣車及小批量產品。存在問題：各廠家技術積累有限，水準參差不齊，控制器基礎硬體水準與國外存在一定差距等因素，控制器產品技術水準和產業化能力與國外相比仍有較大差距。表現在（1）整車控制器軟體多數停留在功能實現，上層軟體診斷功能、整車安全控制策略、監控功能均有待優化和提高；（2）應用軟體方面開發與應用工具體系薄弱；（3）控制器硬體設計製造能力有待提高；（4）控制器介面和網路通訊協議尚未標準化。不利於整車控制器產品的產業化發展。發展動態開展以面向產業化應用為主的工程化、標準化和可靠性等方面的研究工作；提高整車控制策略的技術成熟度、整車控制器產品的技術水準及其產業化能力；在動力系統集成和控制系統開發方面突破國外技術壟斷，形成具有自主知識產權的產品核心競爭能力。專利（不完全統計）：國內28，國外13---純電動汽車，控制系統（控制器），能量管理國外：1.課題目的與意義—研究現狀5目錄課題研究目標與技術指標3

主要研究內容2

課題的目的和意義1專案組織與管理5

課題研究技術路線462.主要研究內容重點研究整車控制系統的核心控制演算法與應用軟體的開發方法，研究制定以提高動力系統能量利用效率並兼顧行駛平順性為目的的整車驅動與制動控制策略和控制演算法，確定滿足整車行駛工況的安全控制策略及故障診斷和容錯控制演算法，構建基於CAN通訊協議的純電動汽車整車控制系統結構體系，建立控制系統快速控制原型開發與測試標定技術平臺。內容包括：整車控制系統結構與CAN網路設計從車輛行駛的角度明確細化整車驅動、制動及能量管理、故障診斷等各項控制性能要求，提出一汽純電動汽車整車控制系統結構與CAN網路設計方案；純電動平臺CAN通訊協議的開發：基於整車電子電器架構，根據控制流、診斷流、網路管理的需求，建立通訊協議體系，保障整車電控系統協調工作的順利實現；研究制定基於GPRS、GSM和藍牙無線技術的遠程監控協議；整車控制系統控制策略制定與控制演算法研究整車驅動控制策略與演算法研究開發整車制動能量回饋控制演算法研究開發整車運行狀態安全控制與故障診斷技術研究7VCU快速控制原型開發與控制演算法標定在AUTOSAR架構下借助V型開發流程，應用OSEK高可靠性嵌入式控制系統及32位高性能CPU軟硬體原型技術，進行整車控制器快速控制原型開發；結合整車行駛迴圈工況，進行整車控制演算法與控制參數的線上標定和優化；研究開發基於CCP(CANCalibrationProtocol)協議的整車控制系統匹配標定和監控軟體，對整車控制系統性能、動力系統能量利用效率以及整車經濟性等指標進行評行評估與驗證；整車VCU產品開發基於汽車計算平臺，整合控制演算法、標定監控、故障診斷、網路管理、檔下載模組於一體，形成完整的汽車級用戶產品。VCU臺架測試、裝車調試及整車性能驗證完善動力系統試驗臺架，進行整車控制系統測試平臺的調試，對主要控制參數進行標定和優化，完善系統控制策略和控制演算法。整車VCU裝車調試，

對整車控制系統CAN網路性能、整車的動力性能、經濟性能等進行比較全面的試驗。2.主要研究內容8目錄課題研究目標與技術指標3

主要研究內容2

課題的目的和意義1專案組織與管理5

課題研究技術路線49研究目標深入掌握純電動汽車整車控制系統核心控制演算法與應用軟體開發技術；建立整車控制系統關鍵技術研究、產品開發與性能驗證技術平臺，形成純電動汽車電控系統開發、軟硬體設計與參數優化、性能測試和評價相結合的產品研發技術流程；研製開發滿足純電動汽車使用需要的高容錯、高可靠性、低成本的整車控制器產品；制定整車控制器技術規範等基礎性標準，提高整車控制器的通用性與可移植性；為系統掌握純電動汽車控制系統核心技術、形成完善的VCU產品自主開發能力並滿足產業化發展需要提供技術支持。預期成果VCU產品可以形成工程化、標準化與系列化的生產和配套能力；

VCU產品滿足標準化大批量生產工藝設計，實現批量生產並配套純電動汽車完成大規模示範；制訂出純電動汽車整車控制器企業技術規範等基礎性標準；3.研究目標與技術指標—研究目標10VCU控制系統功能具有踏板扭矩解析功能；具有驅動、制動能量回收控制功能；具有能量管理、動態協調功能；具有安全保護與網路通信功能。VCU軟硬體技術指標3.研究目標與技術指標—技術指標專案技術指標VCU硬體32位微控制器軟體規範軟體規格推薦符合AUTOSAR、IEC-61508和ISO-26262等標準體系；

網路介面具有CAN匯流排通信介面，支持網關功能，支持CCP（CANCalibrationProtocol）協議的標定。具有GPRS、GSM和藍牙無線技術的遠程監控介面。工作環境儲存環境溫度：-40℃～90℃工作環境溫度：-40℃～(駕駛室內)工作濕度：≤90%，不結露具有過壓，過流及短接和反接保護功能，耐電壓滿足滿足QC/T413要求防護等級滿足GB/T4942要求抗振滿足滿足QC/T413要求平均無故障時間≥6000小時電磁相容性滿足國家相關標準GB/T18655，GB/T17619，GB/T21437.2診斷故障診斷協議符合ISO15765硬體成本成本<1000元/套(按1萬套產量規模)；11目錄課題預期成果與技術指標3

主要研究內容2

課題的目的和意義1專案組織與管理5

課題研究技術路線4根據整車技術規格和性能指標，結合目標市場定位，確定動力系統技術平臺的技術規範（技術要求和性能指標），通過仿真分析和參數匹配，分解對電機、電池、變速器等主要總成的技術要求；確定動力系統技術平臺各部件的技術規格。a）根據既定運行工況和所要達到的整車動力性、燃油經濟性等性能指標，確定驅動電機功率需求、動力電池的類型、容量、比功率和比能量等；b）根據電動汽車電壓等級、輸出通斷等電氣系統方案，確定接觸器、熔斷器等關鍵器件的電器參數，並設計整車的電氣安全檢測系統。在選定車型的基礎上，確定動力系統技術平臺總體方案。12純電動汽車動力系統技術平臺方案設計4.課題研究技術路線—動力系統設計13汽車驅動控制整車控制器功能

整車控制器需根據司機的駕駛要求、車輛狀態、道路及環境狀況，經分析和處理，向電機控制器發出指令，滿足駕駛工況要求。

制動能量回饋控制

整車控制器根據制動踏板和加速踏板資訊、車輛行駛狀態資訊、蓄電池荷電狀態資訊，計算制動減速度，向電機控制器發出指令當滿足制動回饋條件時，將能量反充給動力電池組。整車能量管理與優化

整車控制器通過CAN匯流排與電池管理系統連接共同承擔整車的能量管理，以提高能量的利用率。在電池管理系統的協助下完成參數監測、資訊通訊、充放電控制、熱管理、故障診斷等功能，同時針對具體行駛情況實現安全行駛和能量的合理分配。整車網路化管理

車輛狀態的監示和故障診斷及保護

匯流排所連接的各個子系統控制器即時將各自控制對象的資訊發佈至CAN匯流排，由整車控制器通過綜合數字儀錶顯示出來。整車控制器能對故障資訊及時處理並做出相應的安全保護處理。

整車控制器作為資訊控制中心，負責組織資訊傳輸，網路狀態監控，網路節點管理，資訊優先權的動態分配等功能。VCU功能4.課題研究技術路線—VCU功能14整車控制系統結構與原理整車控制系統結構框圖4.課題研究技術路線—VCU結構用以實現整車控制系統的功能。CAN匯流排使得汽車各控制單元能夠共用資訊和資源，達到簡化佈線、減少感測器數量、避免控制功能重複、提高系統可靠性和維護性、降低成本、更好地匹配和協調各個控制系統的目的。需要CAN連接通信的系統有電機及其管理系統、電池及其管理系統、整車控制器、車載顯示系統和電動附件等。15控制系統CAN網路體系CAN網路結構原理4.課題研究技術路線—CAN網路體系整車驅動控制策略與演算法研究通過採集輸入資訊，分析駕駛員的操控意圖，根據當前車輛狀況和操控意圖分析結果，給出電機、電池的執行指令，達到對整車啟動、行駛等工況的平穩操控。驅動模型數學函數：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

：制動缸內的壓力；Motor_speed：

電機轉速；Motor_temp：電機溫度；Speed：車速；V、I：電池的電壓和電流；SOC：電池荷電狀態。關鍵技術：電機驅動模式切換動態協調控制技術；電動汽車牽引力控制技術。4.課題研究技術路線—控制策略與演算法整車驅動控制關鍵技術電機驅動模式轉換動態協調控制在對路面驅動阻力進行識別的基礎上，通過對制動踏板、電機轉速、保持轉速時的電機負荷率以及轉矩的協調控制，改善EV從電爬行啟車及巡航控制狀態到加速踏板開度決定的轉矩控制轉換過程中，電機從轉速控制模式轉換到轉矩控制模式時的扭矩衝擊。電動汽車牽引力控制通過對驅動輪與從動輪轉速對比，判別車輪打滑狀態，結合路面峰值附著係數的辨識結果，降低電機負荷，對驅動輪減速，保證驅動輪附著性能最佳。4.課題研究技術路線—控制策略與演算法牽引力控制中電機最優負荷率控制相關參量創新點1，2電動汽車路面峰值附著係數識別理論在各種條件下即時識別汽車行駛路面附著特性、打滑狀態及對應的最佳滑移率。為EV汽車實現低成本高性能的制動防抱死、牽引力控制及電子穩定控制系統提供新的解決方案，對提高EV綜合性能及增強其相對於傳統汽車的競爭力，加速EV的市場普及率具有重要意義。專利：用於車輛牽引力控制系統的車輪最佳滑轉率即時識別方法200710055467.6靳立強王慶年輪速獲取：ABS控制器通過CAN協議發送電動汽車路面驅動阻力識別演算法研究及其在電機協調控制中的應用專利：無4.課題研究技術路線—控制策略與演算法整車制動能量回饋控制演算法研究VCU根據制動踏板和加速踏板資訊，結合車輛行駛狀態，電機、電池的有效負荷，計算制動減速度，當滿足制動回饋條件時，將能量回饋給動力電池。4.課題研究技術路線—控制策略與演算法目標：採用串聯式制動能量回饋系統，通過協調回饋制動與摩擦制動，在正常制動情況下實現串聯回饋制動策略，可以在有效回收制動能量的同時保證制動感覺；在車輪抱死或有抱死趨勢時，實現摩擦制動與電機回饋制動的聯合防抱死控制策略。簡化現有電動汽車制動系統的複雜程度，提高控制的一體化程度，能夠在保證制動安全的同時對制動能量進行有效回收。關鍵技術：電動汽車複式制動控制技術及其實現方法作用：通過對驅動輪與從動輪轉速對比，判別車輪打滑狀態，結合路面峰值附著係數的辨識結果，降低電機負荷，對驅動輪減速，保證驅動輪附著性能最佳。創新點34.課題研究技術路線—控制策略與演算法制定以提高制動能量回饋並兼顧整車行駛平順性的控制系統控制策略，建立包括摩擦制動器、電機再生制動、輪胎和轉向系統在內的基於多體結構的複式制動系統非線性動力學模型與仿真方法，制定摩擦制動和電機再生制動聯合作用時汽車制動工作模式切換過程中的具體控制策略，解決影響摩擦制動和電機再生制動聯合作用時複式制動系統的結構參數和控制參數的耦合問題，確定整車複式制動過程中制動效能和行駛穩定性的綜合控制目標函數，構建整車複式制動系統協調控制的綜合控制演算法。實現整車再生制動和行駛舒適性的協調控制。電動汽車複式制動模式切換綜合控制理論複式制動控制流程圖目的：提高整車能量利用率，提高一次充電的續駛里程，維護整車的安全性。目標：在沒有電池能量限值的條件下，在所有工況下，如何獲得最優的動力系統的加速性能；確保可以接受的駕駛感覺；在有電池能量限制的條件下，如何避免“切斷”。任務：在系統性能限制條件和司機駕駛力矩需求的條件下，計算和調整實際輸出的驅動力矩；計算最佳的傳動比；管理動力總成的工況模式和過渡工況的平滑。21能量管理與優化控制策略工況的控制流程和切換驅動力的能量限制SOC管理：不同電池SOC狀態最大的驅動力不同的；限制最大的電池放電電流，來保證電池不會被“切斷”。電動附件管理電量不足時，關閉空調；在快速啟動時，關閉空調；在加速中，關閉空調。工況的控制流程和切換4.課題研究技術路線—控制策略與演算法整車運行狀態安全控制技術研究研究整車電氣系統高壓電安全、漏電檢測和保護技術。即時檢測和診斷高壓電系統的工作狀態，快速地與整車控制器等交換資訊並回應其命令，正確地實施對高壓電的控制，確保高壓電路運行的可靠性，採取必要的保護裝置以減少安全隱患；整車運行狀態監控應用軟體開發。電氣安全檢測子系統硬體電路安全檢測子系統主要監測整車電氣狀態資訊：總電壓、總電流、正負母線對地電壓值、正負母線絕緣電阻值、輔助電壓、繼電器連接狀況、保險絲的通斷狀態等。整車CAN匯流排網路拓撲4.課題研究技術路線—控制策略與演算法整車故障診斷技術研究整車故障識別與處理（OBD）技術研究與容錯控制演算法開發內容：研究不同工況下純電動車動力系統總成、通訊系統和整車的失效模式，研究在各種故障狀態下的故障診斷和容錯控制，以及相應的安全控制策略和整車跛行回家控制策略；方法：安全檢測子系統通過CAN匯流排輸出測得的各部分的狀態及數值、輸出系統的報警狀態和通斷狀態，這些資訊在車載智能儀錶上進行顯示。通過CAN匯流排,系統與PC機或其他診斷設備儀錶相互通信,以讀取各被測部分的狀態,並進行參數設定,如設定主電路、輔助電路報警電壓、處理電壓，設定絕緣電阻報警值、處理值等。4.課題研究技術路線—控制策略與演算法24軟體總體結構整車控制器主程序軟體流程圖主控制器軟體分為兩個層次設計，即驅動層和管理層。儀錶顯示、繼電器組和CAN介面的硬體及其底層的驅動軟體可以看作是驅動控制指令的執行系統，管理層則是根據汽車不同運行狀態的控制策略發出相應的控制指令，是電控系統中的高層軟體控制部分。4.課題研究技術路線—VCU軟體設計主程序包括上電自檢，系統初始化，標度變換，故障診斷，工況判斷，MAP運算，控制量修正，通信管理。系統初始化：配置MC68376的SIM、TPU、QSPI、AD、CTM等模組的有關寄存器，進行系統功能的設置。標度變換：將AD結果進行軟體的平均，並根據感測器標定曲線將數字量轉換為相應的物理值。故障診斷：根據感測器的輸入及其他通過CAN匯流排通信得到的電機、電池的資訊，判斷感測器、繼電器和電池、電機及整車的故障狀態，一方面將故障碼存入EEPROM,另一方面向TPU提供故障碼參數，用於驅動故障指示燈。工況判斷：根據司機操作資訊，加速踏板，制動踏板以及電機轉速，車速，電池狀態，電機狀態和運行模式來判斷車輛的運行工況。運行工況包括停車、充電、啟動、運行、車輛前進、車輛後退、制動回饋等。MAP運算：依據運行工況和工作模式，查找相應的加速踏板特性參數，驅動扭矩參數，制動回饋扭矩參數，並進行線性插值，計算扭矩值。MAP為一個一維的數表，橫坐標為轉速，縱坐標為扭矩負荷。MAP是根據電機的全工況試驗，採用優化演算法優化得到的結果。控制量修正：根據電池的電壓和電流、溫度，電機的溫度、超載狀態對驅動扭矩進行修正。根據電池的電流作閉環控制。通信管理：解釋外設發來的控制指令和數據，向發送緩衝區提供發送的數據。智能儀錶驅動：通過TPU通道的PWM波輸出驅動智能儀錶顯示駕駛資訊，包括車速，電機轉速、電池電壓、電流、SOC、故障碼、溫度、充電指示。25主程序主要功能模組4.課題研究技術路線—VCU軟體設計驅動策略仿真（加速性能仿真，功率限制仿真，電機的超載管理等）制動控制策略仿真整車性能仿真EV仿真平臺應用電動汽車通用仿真軟體ADVISOR，對EV進行建模仿真計算。應用Matlab/simulink分別對控制策略進行建模，並嵌入到整車模型中進行仿真分析。4.課題研究技術路線—系統建模與仿真純電動汽車整車仿真模型電機超載管理模組再生制動策略模組274.課題研究技術路線—VCURCP開發利用圖形化的工程軟體MATLAB/SIMULINK，建立電動客車整車模型及控制模型，調試控制演算法；在AUTOSAR架構下借助V型開發流程，應用OSEK高可靠性嵌入式控制系統及32位高性能CPU軟硬體原型技術，通過DSPACE和TargetLink代碼自動生成工具，進行整車控制器快速控制原型開發及控制器產品代碼開發。VCU快速控制原型開發實施方案試驗設備AVL測功機Digatron電池測試及模擬系統dSPACE開發系統試驗目的對電機、動力電池等主要總成的性能進行比較全面的試驗；聯合調試電機和電機控制器，電池和電池控制器，動力總成控制器的協同工作策略，並對主要控制參數進行標定和優化，完善系統控制策略和控制演算法。28AVL測功機與電動汽車多能源動力總成實驗臺電池測試及模擬系統4.課題研究技術路線—動力系統試驗搭建如圖所示的純電動整車控制系統開發試驗台架，整車負載使用AVL測功機進行模擬。整車控制器通過開關量採集鑰匙門及檔位資訊，判斷駕駛員上電請求及行駛需求；同時通過CAN總線收取動力電池、驅動電機、DC/DC轉換器狀態資訊，完成整車上電自檢及故障診斷；通過模擬量採集駕駛員的加速和制動踏板，解析出駕駛員扭矩需求；通過接受駕駛員充電請求及電池組溫度、SOC等狀態，即時地完成與充電器的資訊交互，確保充電安全順利進行。29純電動汽車整車控制系統開發試驗台架4.課題研究技術路線—VCU臺架試驗VCU標定與性能試驗結合整車行駛迴圈工況，進行整車控制演算法與控制參數的線上標定和優化；研究開發基於CCP(CANCalibrationProtocol)協議的整車控制系統匹配標定和監控軟體；搭建試驗台架，對控制系統基本功能進行驗證，完善系統控制策略和控制演算法。30繼電器驅動；採用NUD3124汽車專用繼電器驅動晶片驅動車用12V繼電器。PWM驅動；PWM輸驅動採用MC33385晶片實現功率驅動。數字12V驅動；數字輸出需要提供12V電壓，同時設備輸入阻抗為10K歐姆，故選用BTS462MOS管實現該功能。15324CPU供電電源前端輸入電路後端驅動電路其他電路組成

CPU採用32位MotorolaMPC565處理器，最高工作頻率56MHz。系統外擴4MFlash,2M高速SRAM，外部晶振4MHz。採用Infineon公司的TLE6361電源晶片。

電源輸入範圍：直流5.5-60V。電源輸出範圍：5V/800mA;3.3Vor2.6V/500mA；3.3Vor2.6V/350mA