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I 純電動汽車整車控制器設計 摘要 ： 當今世界由于環(huán)境問題和能源問題日益突出，使用電動汽車已經(jīng)成為了趨勢，電動車行業(yè)輪轂電機的使用已經(jīng)非常廣泛，但是電動汽車控制器的研發(fā)和使用尚未完善，本課題設計內就是以輪轂電機為動力的電動汽車整車控制器。 本課題對純電動汽車控制系統(tǒng)分析和研究，對整車控制器輸入輸出信號的類型和功能來明確整車控制器的設計要求及控制器的設計要求 本課題首先選定片為純電動汽車控制器 ,使用軟件 純電動汽車的整車控制器的硬件進行設計。然后結合分層設計思路 和模塊化設計思路，對純電動汽車的整車控制器的軟件架構、軟件主程序進行構思設計，實現(xiàn)了純電動汽車整車控制器各模塊的功能和作用。 關鍵詞： 純電動； 轂電機；控制器 of to of a of is of is is a as of of of of of as to of of of of of 錄 摘要 ........................................................................................................................................... I ................................................................................................................................... 錄 ...................................................................................................................................... 緒論 ..................................................................................................................................... 1 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 ......................................................................................................... 1 電動汽車關鍵技術 ........................................................................................................... 2 電動汽車的電子控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 ........................................................................... 5 文的主要工作內容 ........................................................................................................... 9 2 純電動汽車 控制系統(tǒng)的方案設計 ...................................................................................... 10 電動汽車行駛工況分析 ................................................................................................ 10 工況控制策略研究 ........................................................................................................ 10 電動汽車結構特點分析 ................................................................................................ 12 電動汽車控制系統(tǒng)總體設計 ......................................................................................... 14 電動汽車控制器設計方案 ............................................................................................. 16 3 純電動汽車整車控制器硬件設計 ........................................................................ 19 車控制器 型設計 .............................................................................................. 19 小系統(tǒng)設計 .................................................................................................................... 19 電電路 ......................................................................................................................... 19 鐘電路 ......................................................................................................................... 20 號處理電路 ..................................................................................................................... 21 關信號處理電路 .......................................................................................................... 21 板信號處理電路 .......................................................................................................... 21 訊接口電路 .................................................................................................................. 22 4 純電動汽車整車控制器軟件開發(fā) ...................................................................................... 25 制器軟件架構總體設計 ................................................................................................. 25 制器底層軟件開發(fā) ......................................................................................................... 27 初始化子程序 .................................................................................................................. 27 號采集處理子程序 ..................................................................................................... 28 訊接口子程序 ................................................................................................................ 31 參 考 文 獻 ....................................................................................................................... 33 致 謝 ....................................................................................................................................... 34 1 1 緒論 電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀 大家都知道，當今世界能源問題和環(huán)保問題的日益突出，隨之而來的就是新能源的開發(fā)和利用，新能源中電能幾乎是最清潔的燃料，因為它在使用過程中幾乎沒有污染，現(xiàn)在人們的正常生活離不開汽車，燃油汽車的如果能夠被取締，那么將大大的有利于能源的節(jié)約和環(huán)境的保護，因為純電動汽車 [1]的出現(xiàn)時必然的。純電動汽車比普通燃油汽車有優(yōu)點如下： 1） 純電動汽車有高的利用能量率 ，“零”污染。 2） 電動汽車有著更加合理的能量回收裝置，在制動時， 電能可以回收到蓄電池中，不會有燃油汽車那種怠速時仍然消耗能量的缺陷。 3） 電動汽車沒有燃油汽車復雜的的發(fā)動機，離合器等動力傳輸機構，設計簡化，操作簡單。 4） 電動汽車的轉矩輸出更加迅速快捷，所以起步快，動力性能好。 5） 電動汽車的結構簡單，多線束、多電路，更容易實現(xiàn)轉向操作和四驅布置。 自從 1883 年 10 月 1 日，科爾?本茨制造了世界上第一臺汽車起，一直有許多人構思著純電動汽車的研發(fā)和制造，但是由于當時燃油車所需的燃料簡單、廉價而且使用方便，所以很快地大量推廣和使用。上世紀末，由于工業(yè)發(fā)展消耗了大量的不 可再生能源，溫室效應嚴重，生態(tài)破壞日益嚴重，純電動汽車又被許多人所重視。20 世紀初，許多大的汽車企業(yè)使用許多的經(jīng)費來研究和制造純電動汽車，如福特投入生產(chǎn) 用投資研發(fā)的 、豐田創(chuàng)新設計的 田研發(fā)生產(chǎn)的的 些公司不但付出了巨大的資金來研發(fā)純電動汽車而且完整研發(fā)一輛純電動汽車需要消耗了很多的時間，有時候即使時間和資金全部投入了，并不一定能見到回報。但是為了把握汽車向純電動方向發(fā)展的趨勢和引領世界的潮流，更為關鍵的是為節(jié)能和 環(huán)保作了巨大貢獻，這些都是值得的。 電動汽車包括純電動、混合動力電動（傳統(tǒng)轉為純電動的中間產(chǎn)物）和燃料電池三個分支，顯而易見，由于純電動汽車具有高的效率、零排放、低的噪聲、節(jié)能等先天的優(yōu)勢，純電動是趨勢和潮流，純電動汽車將是未來占領汽車市場的主力軍。 業(yè)內人士認為純電動汽車的研發(fā)過程最早是在美國等發(fā)達國家，研發(fā)過程在日 2 本、中國等國家不斷延伸和擴張。美、德、法由于開始較前，因而純電動汽車技術比較先進。相比而言，我國純電動汽車研發(fā)起步較晚，所以我國制定了許多積極的政策和制度去讓人們研究開發(fā)，現(xiàn)在我國的純電動汽車 的研發(fā)在國內各大汽車企業(yè)如火如荼地進行，例如比亞迪 [2]投資研發(fā)的秦、比亞迪唐、比亞迪宋等純電動汽車，最值得關注的是比亞迪 經(jīng)在國內許多大城市里充當了出租車的角色，據(jù)官方統(tǒng)計顯示，比亞迪 續(xù)航里程可以達到 400 多公里，最大速度可達 140Km/h,可見比亞迪公司研發(fā)的純電動汽車已經(jīng)達到了全球的靠前面的水平。我國自主研發(fā)的純電動汽車雖然沒有發(fā)達國家的續(xù)航遠、速度快、穩(wěn)定性能高，但是我國國內的各大汽車研發(fā)機構的的研發(fā)勁頭十足，國內純電動汽車已經(jīng)形成了百家爭鳴、百花齊放的良好發(fā)展狀態(tài)。 術 純電動汽車是一個包括了機械、計算機、能源、電子等很多的先進科學技術的集合產(chǎn)品，要想實現(xiàn)純電動汽車環(huán)保、節(jié)能、續(xù)航遠、速度高而且穩(wěn)定性能好，需要我們攻克如動力電池技術、動力電機技術以及整車控制器等許多的先進技術堡壘。 1） 動力電池技術 純電動汽車要想在未來激烈的汽車行業(yè)中興起，必須要有較大的比功率和比能量而且長得使用壽命的高效動力電池。回顧純電動汽車的動力電池的發(fā)展，可以按照其更新歷程分為三步：一代鉛酸汽車動力電池，二代堿性汽車動力電池和三代燃料動力電池 [3]。 第一代鉛酸動力 電池的表能量高，放電率高，最重要的是生產(chǎn)成本低，價格便宜，所以可以在市面上大量流通和使用，特別，市面上銷量最好的動力電池是閥控鉛酸（ 第二代堿性動力電池的性能比鉛酸電池更好，有著更大的比能量 (E)和比功率(P)，最重要的是能量密度 (遠超過了鉛酸動力電池，堿性電池主要包括以下幾類：鎳氫 (鎳 (鈉硫 (), 離子 (鋅空氣 (總的來說，堿性電池各個方面的性能都優(yōu)于鉛酸電池，堿性電池在電動自行車和電池汽車上的使用都大大地增加 了車的動力性能和車的續(xù)航里程，但是由于它的造價成本高，使用環(huán)境要求比較苛刻，所以并沒有鉛酸電池使用廣泛，但是只要技術有突破 3 時，成本降低的堿性電池的銷量絕對可以超過鉛酸性的。 第三代燃料電池是目前為止，世界上最先進的電池，只有在美國等少數(shù)發(fā)達國家有使用，燃料電池直接將燃燒產(chǎn)生的化學熱能轉化為熱能，實現(xiàn)了最快速的能量的轉化使用，燃料電池的比能量和比功率都遠遠超過了鉛酸電池和堿性電池，燃料電池的轉化效率也遠遠高出了鉛酸電池和堿性電池，它的優(yōu)點不僅僅于此，燃料電池還可以實現(xiàn)化學反應的能力轉化的過程控制，這 在電池技術中具有突破性的里程碑的意義，此項動力電池技術應用到電動汽車上，可以實現(xiàn)在需要電時燃料電池工作產(chǎn)生電量，在不需要電量時，燃料電池停止化學反應，燃料停止燃燒，減少不必要的能源浪費。總體來說，燃料電池的各個方面性能都是最優(yōu)的，但是優(yōu)于目前的燃料電池的技術不夠完善，研發(fā)仍然在攻堅階段，并且制造成本極高，并沒有得到大量推廣和使用。 2) 電機及其驅動控制技術 電機和驅動控制技術的先進與否直接決定了純電動汽車的動力的優(yōu)與差，一般情況下，考察一個他的動力性能的優(yōu)差通常從以下幾個方面入手：啟動轉矩、調速范圍 、最高轉速、傳動效率、制動能量回收率和加速最大轉矩等。一套性能優(yōu)良的電機以及其驅動控制系統(tǒng)往往擁有如下性能：大的啟動轉矩、體小量小、大的調速范圍、高的轉速、強的動態(tài)制動、高的效率以及能量的回饋等。市面上常見的驅動電機的類型：直流、永磁無刷、感應和開關磁阻，下面我們分別介紹它們的工作特性。 直流電動機 (世界上，目前為止使用最為廣泛，最為流行的電動機，因為它對電池性能要求低，對工作環(huán)境要求低，而且輸出轉矩相對來說還算穩(wěn)定，工作性能較優(yōu)良，所以常常應用在對工作要求不高的地方，純電動汽車上也有使用。 永磁 無刷電動機 (照驅動類型分為無刷直流電動機系統(tǒng) ((無刷直流電動機系統(tǒng)印（ 前者屬于方波驅動，后者屬于正弦波驅動，都具有較高的工作效率和能量密度，因為它的設計體積小，所以整體慣性小，因為它的反應比較迅速，所以很適合與純電動汽車的驅動系統(tǒng)，在純電動汽車上廣泛使用，采用矢量控制和直接轉矩控制，有著很好的發(fā)展前景，西方發(fā)達國家，日本等國家的純電動汽車經(jīng)常使用此類電動機作為純電動汽車的驅動系統(tǒng)。 感應電動機 (發(fā)達國家的純電動汽車驅動系統(tǒng)中也經(jīng)常可見，采用矢量控 4 制和直接轉矩控制 。感應電動機 (結構較前者更為簡單，反應更急迅速，而且控制方便，所以也有著很好的發(fā)展前景。 開關磁阻電動機 (驅動系統(tǒng)電機選擇中一直以來都備受爭議，因為它集許多優(yōu)點和缺點于一身，所以工程師在設計選擇純電動汽車的驅動系統(tǒng)時經(jīng)常很糾結。開關磁阻電動機 (優(yōu)點有反應靈敏，速度范圍寬，控制簡單而且制造成本低，他的綜合優(yōu)點比上述三個都多，但是它的缺點也很多，比較轉轉矩較大時容易產(chǎn)生波動和噪音，低速時轉矩輸出不足。 3) 能量管理技術 能力 回收 系統(tǒng)也是純電動汽車的一個重要系統(tǒng)，它同純電動汽車的動力 電池和電動機一樣直接決定著汽車的動力性能。能量管理系統(tǒng)顧名思義就是負責管理純電動汽車動力電池的系統(tǒng)，他主要功能是合理地分配動力電池的電能，把有限的汽車電量進行最大化的使用，以使汽車的續(xù)航里程達到最大而且使動力輸出最穩(wěn)定。一款純電動汽車，如果有著很好的動力電池并且有著功能完善的電動機系統(tǒng)，可是如果此電動汽車的能量管理系統(tǒng)不完善，就會照成大量的能力浪費，即使動力電池的容量再大也抵不住浪費，技術電動機驅動系統(tǒng)再完善也怕動力電池沒有電量輸入，由此可見能量管理系統(tǒng)技術的先進與否至關重要，良好的能量管理系統(tǒng)的優(yōu)點主要有 以下幾個：可以根據(jù)工作工況發(fā)出最優(yōu)的加速命令和制動命令；可以根據(jù)動力電池剩余電量實時地進行節(jié)能控制；可以根據(jù)純電動汽車用電設備情況和動力電池剩余電量合理分配各部分所使用的電量。 4) 整車網(wǎng)絡通訊技術 總所周知，一輛汽車的高端與否，關鍵是看這個車上的與先進科技有關的電器設備的多與少，汽車先進的電器設備多的汽車一般都屬于中高端型車系，而汽車電器設備的正常工作就設計到了整車的網(wǎng)絡通訊技術。汽車網(wǎng)絡通訊正常是汽車電氣設備正常工作前提和基礎，純電動汽車的整車網(wǎng)絡通訊技術是現(xiàn)代汽車設計技術中領先的科學技術，我 們生活中可見的 統(tǒng)、 統(tǒng)、傳感執(zhí)行系統(tǒng)等都涉及到了整車的網(wǎng)絡通訊技術，因為這些系統(tǒng)與 者 線相連，間接與整車控制器相連，整車網(wǎng)絡通信使得整車各個電器和控制單元進行了實時的信息互動和資源共享。隨著車身電器設備的不斷增加，整車控制網(wǎng)絡會越來越復雜，這就更加需要整車網(wǎng)絡通訊技術的不斷進步和改善，所以說，未來純電動汽車的整車網(wǎng)絡 5 通訊技術的發(fā)展前景也是很大的。 5) 整車控制器 整車控制器 (純電動汽車關鍵核心，整車控制器的功能主要包括確保汽車的轉向、制 動、起步、加速等的正常行駛，確保汽車動力的穩(wěn)定輸出，確保純電動汽車制動時能量的合理回收，除此之外，當汽車出現(xiàn)故障時，還可以對汽車的故障進行智能的分析和處理，確保汽車的安全和平穩(wěn)的行駛，它的主要作用通過對軟件的操控實現(xiàn)衡量整車的功能等級和衡量整車的控制系統(tǒng)，通過向不同的控制單元發(fā)送不同的命令來實現(xiàn)對各個部件的合理的、協(xié)調的工作。純電動汽車的整車控制器的地位非常重要，如果它出了問題，那么純電動汽車將無法安全行駛。 1) 國外研究現(xiàn)狀 前面我們已經(jīng)了解到了電動汽車研發(fā)的必 要性和迫切性，隨著這種發(fā)展趨勢，全球已經(jīng)有很多汽車行業(yè)著手研究和開發(fā)純電動汽車，至于純電動系統(tǒng)的整車控制系統(tǒng)，美國的開發(fā)和研究技術最為先進，日本由于資源匱乏，對純電動的研究投入很大，日本豐田的整車控制器的設計也趨于了世界的先進地位，下面列舉三個日本純電動汽車的整車控制結構示意圖。 圖 1一豐田的整車控制系統(tǒng)的結構示意圖，這個是從日本豐田公司提供的新概念的電動汽車資料，資料顯示，這個純電動汽車的后輪電機都是采用了輪轂，所以是后輪驅動的，此結構設計可以把駕駛室發(fā)出的操作信號和汽車自身傳感器所采集的信號進行整 合分析，然后再將信號輸出給各個部位控制器進行汽車行駛操作控制。 圖 1日立的整車控制結構示意圖，該純電動電動的整車控制器相當智能，可以通過不同的行駛工況，智能識別各類信號，進行自動控制行駛。它的四個車輪兩類不同的電機驅動，這樣就可以實現(xiàn)了純電動汽車的四輪驅動模式，它的前輪使用的是永磁同步電機驅動，它的后輪使用的是感應電機，四輪驅動，兩類電機驅動在整車控制器的接受不同的工況信號的前提下實現(xiàn)了最佳的行駛操作的控制，當然這種設計復雜，雖然高度智能，但是設計和制造的成本高，而且對純電動汽車的整車控制系統(tǒng)要 求嚴格，因此，只有在高端的純電動汽車上才得以使用。 圖 1日產(chǎn)公司的控制系統(tǒng)結構示意圖。這個整車控制系統(tǒng)包括了許多個不 6 同的控制單元，整車控制器通過收集不同的控制信號，進行大量信息的綜合匯總處理，結合各個傳感器接受的行駛狀態(tài)反饋，進行汽車穩(wěn)定安全行駛的控制，由于此類整車控制器比前面兩類收集和處理的信號更為復雜，所以此類控制器對 工作性能要求更高。 圖 1田公司 圖 1立公司 7 圖 1產(chǎn)公司 總之，國外的純電動汽車的發(fā)展 較為先進，整車控制器的類型已經(jīng)很多，技術相對成熟了許多，一個整車控制器可以實現(xiàn)控制不同驅動類型的不同車輪，以及結合各個復雜的工作狀況，實現(xiàn)各個部位的協(xié)調工作，實現(xiàn)純電動汽車在不同工況下的穩(wěn)定的工作。 2) 國內研究現(xiàn)狀 隨著國內工業(yè)的快速發(fā)展，污染日益突出，所以國內也興起了純電動汽車的開發(fā)和研究，相對美國等發(fā)達國家，國內的純電動技術不是很先進，但是相關的研究和開發(fā)發(fā)展迅速，如長安的純電動汽車奔奔 城的純電動汽車騰 如圖是中國一汽和中國汽車技術研發(fā)中心聯(lián)合開發(fā)的 電動汽車，它 的整車控制系統(tǒng)如圖 1示。 此純電動汽車利用了現(xiàn)在流行的 線通訊，選擇集中電機驅動。它的整車控制器可以采集到汽車上的各個控制單元的數(shù)據(jù)信號，能夠準確合理的判斷汽車的行駛工況，進而進行最合理的控制操作，確保了純電動汽車在各個不同的復雜的路面上面安全行駛。 8 圖 1國內純電動汽車的大多采用整車控制器控制的多電機驅動形式，這種設計雖然簡單成本低、易推廣和操作簡單等優(yōu)點，但是使用性能和發(fā)達國家的純電動汽車使用的輪轂電機還是很有差距的，現(xiàn)在我國正在大力研究輪轂電機與純電 動汽車整車控制器的結合使用的研究。 但是不管是國內和國外對純電動汽車的研究，整車控制器都是純電動汽車關鍵技術，歸納整車控制器功能和原理，總結本課題設計整車控制器的要求有以下幾點： 1) 整車控制器首先要滿足安全行駛的控制意圖，因為面對的工況復雜，控制器首先要在識別行駛工況的前提下，接受駕駛員的操作信號，進行合理的控制車輛安全行駛。 2) 整車控制器還要滿足在制動時的能量回收功能，因為純電動汽車的全部能力都來自動力電池，可以說電量是相當寶貴的，一般情況下，在制動過程中都會造成能力的浪費，所以純 電動汽車的整車控制器要能合理識別制動信號，及時切斷動力輸出，和電量的消耗，并且把制動所帶來的化學能及時地轉化為電能進行，方便回收再利用。 3) 整車控制器要實現(xiàn)合理的能力優(yōu)化分配和最佳的管理，因為純電動汽車的 9 電器設備較多，而動力電池是唯一的動力源泉，整車控制器要做到在不影響行駛里程和汽車動力性能的前提下，進行合理的電量分配。 4) 整車控制器要有實時的故障診斷和故障分析能力，因為在行駛使用過程中，難免會產(chǎn)生故障和問題，如果整車控制器不能實時地進行故障診斷和分析，很可能會造成不必要的財產(chǎn)損失，甚至是生命代價， 所以這個功能必不可少。 結合上述對純電動汽車整車控制系以及純電動汽車的輪轂電機驅動控制的分析，確定我們本課題主要研究內容： 1) 通過對純電動汽車的研究以及對整車控制器的工作原理的認識，設計一套整車控制系統(tǒng)滿足以上所列舉的預期功能。 2) 通過對純電動汽車的在不同行駛工況的設定，制定最佳的控制策略的研究設計。 3) 通過對整車控制器的了解和研究，結合本設計所需滿足的功能要求，選擇合理的整車控制器 型，并且完善硬件電路設計工作，最后利于 件板的設計工作。 10 2 純電動汽車 控制系統(tǒng)的方案設計 電動汽車行駛工況分析 因為城市道路的發(fā)展基本是么有太大變化的，所以純電動汽車的形式工況可以說和傳統(tǒng)內燃機汽車一致的，我們就把傳統(tǒng)燃油的汽車的行駛工況應用到純電動汽車上進行分析。類似于傳統(tǒng)燃油汽車，純電動汽車也要有啟動、起步、加速、減速、轉向、制動以及停車這七個過程。 純電動汽車的起歩和燃油汽車不同，因為其沒有離合器和變速器等原件，所以起步不需要那么復雜的操作，只需要輕輕地踏下加速踏板，純電動汽車便輕松起步。 純電動汽車的加速和 傳統(tǒng)燃油汽車也不一樣，不用復雜的換擋過程，只需要加深加速踏板的行程就可以實現(xiàn)加速行駛功能。 純電動汽車的減速也是很簡單的，只需要松開加速踏板，輕輕點一下剎車踏板就可以實現(xiàn)減速功能。 純電動汽車的轉向和傳統(tǒng)燃油汽車的轉向操作幾乎一模一樣，但是內部工作原理不同。司機用適當?shù)牧剞D動方向盤的時候，轉角傳感器將轉角信號傳輸?shù)秸嚳刂破鳎嚳刂破骶C合處理汽車的各類信息后得出控制命令傳輸?shù)剿膫€輪轂電機，實現(xiàn)轉向操作。 在 司機踩下制動踏板，剎車信號傳輸?shù)秸嚳刂破?，整車控制器分析計算得出切斷電源，并且回收電源裝置介入工 作，這樣既能達到剎車效果，又能達到節(jié)能的效果。 工純電動汽車的停車和傳統(tǒng)燃油汽車也是幾乎一致的，因為純電動汽車沒有離合器和變數(shù)器，所以直接松開加速踏板，踩下制動踏板直到汽車停車，然后將檔位開關撥到空擋，最后關閉總開關鑰匙即可。 工況控制策略研究 通過上面論述我們可得出，純電動汽車中起著控制作用的最關鍵部位就是整車控制器，純電動汽車可以在各種工況下，正確地判斷司機的操作，精確地識別各個部位傳感器傳來的信息進行計算分析和處理等，總之實現(xiàn)安全的行駛全靠整車控制器的協(xié)調控制純電動汽車的各個部位所得到。 純電動汽車的啟動工況概括如下：司機打開啟動汽車的鑰匙，汽車的電路全部 11 接通，進入待起步的工作模式，整車控制器發(fā)出控制命檢查各個部位是否有故障，么有故障發(fā)出指令給工作正常的指示燈，若有故障發(fā)出警告命令給儀表盤，總之使各個部位進入最佳的工作狀態(tài)，確?？梢哉Ｆ鸩叫旭偂? 純電動汽車的起步工況概括如下：司機正常起步，輕輕踩下加速踏板，加速踏板將加速信號傳輸?shù)秸嚳刂破?，整車控制器分析計算后發(fā)出命令給輪轂電機，輪轂電機緩緩轉動，起步完成。特別地如果是在半坡起步時，整車控制器可以更加方便地識別到汽車向后的慣性力，然后自動 控制輪轂電機設定一個恒定的向前的平衡力矩，這樣就不會存在像普通燃油汽車一樣有起步熄火，方便起步。 純電動汽車的加速工況概括如下：司機踩下加速踏板，加速踏板信號傳輸?shù)秸嚳刂破鳎嚳刂破魍ㄟ^分析和計算輸出命令給輪轂電機，由于踏板位置隨時可以改變，所以整車控制器會實時地采集信號處理信號發(fā)出命令，來進行最佳的輪轂電機的速度調節(jié)，進行實現(xiàn)加速功能。 純電動汽車的減速工況概括如下：駕駛員在正常行駛過程中，制動踏板信號是未剎車信號，當制動踏板被踩下時，制動信號傳輸?shù)秸嚳刂破鳎嚳刂破鲗l(fā)出制動命令，同時發(fā)出回收能 量指令。 純電動汽車的轉向工況概括如下：司機轉動方向盤轉彎時，方向盤轉角信號傳輸?shù)秸嚳刂破鳎嚳刂破骶C合分析包括車速信號在內的多信號進行分析計算得出轉向指令給輪轂電機，大家都知道汽車轉向時內外側車輪的轉速是不同的，這就需要整車控制器的精確計算功能來實現(xiàn)對四個車輪最精確的速度控制，整車控制器的此項設計是有劃時代意義的，這種設計不但簡化了差速器等機械機構，而且增加了純電動汽車的靈活性，為可以實現(xiàn) 360 度轉向輪的研究和開發(fā)打下了基礎。 純電動汽車的制動工況概括如下：司機踩下制動踏板，制動信號傳輸?shù)秸嚳刂破鳎?整車控制器發(fā)出指令給輪轂電機，輪轂電機處于自由輪動狀態(tài)，機械制動裝置開始起制動，能力回收裝置在整車控制器的控制器下也起了回收能量的作用。 純電動汽車的停車工況概括如下：司機松開加速踏板，同時踏下制動踏板，這些信號傳輸?shù)秸嚳刂破鳎嚳刂破鞣治鲇嬎愫蟀l(fā)出指令給輪轂電機和能量回收裝置，同時機械制動起作用，汽車行駛速度減慢直到停車，汽車的整車控制器控制電機控制器和輪轂電機等部件進入待起步狀態(tài)，司機轉動熄火開關，汽車所有電器設備關閉，停車結束。 12 特別地，純電動汽車當然和燃油汽車一樣具有倒車的功能，純電動汽車 的倒車功能由于整車控制器的設計而簡化了許多，倒車工況概括如下：司機將檔位開關切換到倒車開關位置，倒車開關信號傳輸?shù)秸嚳刂疲嚳刂破靼l(fā)出指令使得汽車的輪轂電機倒轉，實現(xiàn)倒車功能。 電動汽車結構特點分析 純電動汽車，顧名思義就是全部的動力源泉都是來源于動力電池，動力電池將電量輸給動力電機驅動車輛行駛，上面我們介紹了動力電池的種類以及各個種類的特性，下面我們介紹純電動汽車上常見的三種電機驅動類型，即集中電機驅動、多電機驅動和輪轂電機驅動。 純電動汽車中的集中電機驅動模式類似于傳統(tǒng)然后汽車的驅 動模式，只不過動力的輸出是通過電動機，集中驅動模式技術是純電動汽車中最早的出現(xiàn)的技術，因為發(fā)展到現(xiàn)在此技術已經(jīng)趨于完善。圖 2集中電機驅動純電動汽車的結構示意圖，這個示意圖可以看出來，整車的動力全部來自一個電機，電機輸出的轉矩先通過變數(shù)器進行變速處理，變數(shù)器輸出的轉矩傳輸?shù)街鳒p速器進行減少增扭，轉矩然后輸出進入到差速器和半軸，最終傳輸給兩側行駛車輛?？梢钥闯黾须姍C驅動的工作原理只是簡單的換掉了動力輸出源泉，其他部件幾乎不再改變。要說有區(qū)別就只是在踩下加速踏板時的輸出力矩不同而已（一般情況下，電機的輸出 力矩沒有燃油發(fā)動機輸出的力矩大）。 通常使用多個電機同時作為動力源泉。圖 2兩電機獨立驅動純電動汽車的結構示意圖，它的設計去掉了傳統(tǒng)的變速器、離合器和萬向傳動裝置，將驅動電機直接加在了驅動車輪的位置，在每側分別加裝了一個驅動電機來使兩側車輪的動力來源于兩個驅動電機，這種設計不但簡化了單驅動電機的復雜的傳動系統(tǒng)等機械結構、還增加了汽車的動力性能而且多電機驅動模式更大地增加了行駛平順性和加速減速的舒適感，因為電機的轉速的快慢直接由輸出的電壓來決定了，所以不會存在傳統(tǒng)燃油汽車的換檔時產(chǎn)生的頓挫感，總之，多電機 驅動模式是純電動汽車驅動系統(tǒng)技術的一大進步，這個關鍵的技術思路不只在汽車驅動上大大有利，在其他很多地方也大大有益。 13 圖 2中電機驅動純電動汽車的結構示意圖 圖 2電機驅動純電動汽車結構示意圖 純電動汽車中的輪轂電機驅動模式是現(xiàn)在電動自行車和電動摩托車上使用最為流行的的驅動技術。輪轂電機的定義是集驅動電機、驅動車輪和動力傳動機構與一身的集合體，輪轂電機包括內轉子輪轂電機和外轉子輪轂電機，外轉子輪轂電機的轉速偏低，沒有動力傳動裝置，即車輪和電機轉速一致，是直接搭在一起的?？偟膩碚f，輪轂電機的 優(yōu)點是很多的，輪轂電機的使用，不但減少了傳統(tǒng)汽車的復雜的動力傳動機械裝置而且還實現(xiàn)了傳遞效率的最大化，不但節(jié)能而且還減少了汽車行駛過程中的來之發(fā)動機等機械機構的噪音，不但做到了加減速度的平穩(wěn)性而且還 14 做到動力不會中斷的可靠駕駛性能。 圖 2轂電機驅動純電動汽車結構示意圖 圖 2輪轂 純電動汽車驅動電機 結構示意圖，和前兩種驅動模式的結構示意圖對比可以清楚地發(fā)現(xiàn)它的結構簡化了，功能卻提升了，無可置疑，輪轂電機就是未來純電動汽車驅動系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。 通過上述 分析，本課題的設計選用輪轂電機來作為純電動汽車（四驅）的驅動電機，選定鉛酸電池（ 4 塊 12V 電池串聯(lián)使用）來作為純電動汽車的動力電池。 控制系統(tǒng)的總體設計除了確定整車控制器外還需要對傳感器和執(zhí)行器進行選定。本課題選擇的傳感器主要包括加速踏板位置、方向盤轉角、制動踏板位置、轉子位置和 3 個檔的開關等。 選定整車控制器芯片為 可以實時地采集 加速踏板、制動踏板、檔位、方向盤轉角和電機的轉子位置等信號，然后對上述各類信號進行分析計算得出結果，不僅如此，他還可 以實時地判斷司機發(fā)出的操作汽車的駕駛信號，通過傳感器可以連續(xù)獲知汽車行駛所處的路況，綜合所有的信號分析得出恰當?shù)牟僮髅睿l(fā)送給執(zhí)行器 。 1) 傳統(tǒng)燃油汽車的油門就是咱們常說的加速踏板，司機踩下加速踏板，加速的電子信號傳到整車控制器，整車控制器發(fā)出加速信號傳輸?shù)焦?jié)氣門位置的執(zhí)行器，節(jié)氣門開度變大，進而實現(xiàn)加速。但是對于純電動汽車，雖然么有節(jié)氣門一說， 15 但是此純電動汽車的加速踏板可以模仿燃油汽車的非接觸式霍爾元件電子油門踏板，它輸出的是方波脈沖信號進入到純電動汽車整車控制器，整車控制器發(fā)出加速信號給電動 機進入實現(xiàn)加速。 2) 傳統(tǒng)燃油汽車的剎車就是咱們常說的制動踏板，司機踩下制動踏板，機械制動裝置直接將制動力矩傳動剎車位置的執(zhí)行機構實現(xiàn)剎車。對于純電動汽車除了有燃油汽車的剎車機械裝置以外，還有制動力信號輸送到整車控制器，整車控制器要發(fā)出相應信號來控制回收能量等功能。 3) 傳統(tǒng)燃油汽車的檔位比較多，但是在純電動汽車方面，由于簡化了動力傳動裝置，沒有了離合器、變速器和萬向傳動裝置等等，所以純電動汽車僅僅設計了前進、后退和空擋三個操作檔位，三個操作檔位按不像傳統(tǒng)燃油汽車使用檔位操作桿，純 電動汽車都是按鈕檔位，按下檔位按鈕，信號傳輸?shù)秸嚳刂破?，整車控制器處理信號之后將相應的前進、后退或者空擋命令傳輸給汽車的輪轂電機等執(zhí)行機構，實現(xiàn)汽車的前進或者倒退等行駛功能。 4) 傳統(tǒng)燃油汽車的測速傳感器一般直接安裝在車輪上，但是對于純電動汽車的測速傳感器來說，由于輪轂電機的結構已經(jīng)高度集成了，內部結構復雜，如果在輪轂電機位置安裝速度傳感器，設計比較困難。幸運的是，輪轂電機自帶了轉子位置傳感器，輪轂電機工作時，輪轂電機轉子的位置可以轉化成方波脈沖信號，這些信號全部傳輸?shù)秸嚳刂破鬟M行計算和分析之 后，就可以得到了輪轂電機的轉速。 5) 傳統(tǒng)燃油汽車的方向盤轉向信號通過轉角傳感器來識別，本設計中的純電動汽車的方向盤轉角信號使用高精度的旋轉式電位器來測量，它可以根據(jù)轉角的不同來輸出不同的電壓信號傳輸?shù)郊冸妱悠嚨恼嚳刂破鳌? 本設計使用 4 個輪轂電機驅動，每個電機控制器的通訊接口為 設計采用一條和整車控制器連接的雙絞線和四條和電機控制器連接的雙絞線，總體的網(wǎng)絡拓撲結構如圖 2示 16 圖 2結構 本設計純電動汽車的整車控制器主要設計的是純電動汽車的驅動控制方面，但是在硬件設計師應該空調，雨刷器等模塊的控制接口，這樣才能提高本論文的實用價值。根據(jù)上述分析，整車控制器要完成各個部位傳感器傳輸來的信號的匯總分析和計算轉化成控制信號，最后通過通過 線把控制命令傳輸?shù)娇刂破?，?課題中的控制器就是選定的四個輪轂電機，并且要有實時的反饋信號來確保整車控制器可以一直安全地控制著汽車的前進或者倒退等正常行駛工作。具體純電動汽車的整 車控制器的開發(fā)工作有三點即硬件設計、驅動控制策略研究和軟件程序開發(fā)，本課題側重前兩點的設計和研發(fā)。 17 表 車控制器輸入輸出信號 通過上述對純電動汽車的整車控制器的輸入輸出信號的分析和研究，整車控制器 有七個方面的要求 ： 1) 整車控制器應該有 8 條以上的數(shù)字信號和模擬信號的互換通道，確保所有的模擬信號都可以轉化為數(shù)字信號，確保 算過程。 2) 整車控制器必須要有許多的采集通道 和輸出通道，確保采集純電動汽車各個部位的信號全部可以傳輸?shù)? 3) 整車控制器應該有 4 條脈沖信號通道來確保輪轂電機里的信號傳輸，確保測試功能的實現(xiàn)。 4) 整車控制器應具備 5V 的電源作用，可以向 電，同時向踏板處傳感器等提供電源； 5) 整車控制器必須有 口、 口和 口。其中 口是確保整車控制和上位機之間信息互換交流； 口是確保整車控制器和 4個輪毅電機之間信息互換交流；留有 口是因為 線是現(xiàn)在最流行的網(wǎng)絡總線，為以后更新 線作預留 的。 6) 因為純電動汽車的行駛速度可能會很快，所以整車控制器的分析計算能力要 18 快，要滿足實時準確控制各類信號的輸入和輸出的要求。 7) 因為純電動汽車整車控制器在工作的時候環(huán)境狀況不簡單，所以要求整車控制器的工作要有抗磁干擾性、抗劇烈震動的特性等等。 綜上所述，設計對整車控制器結構示意圖如 2示。 圖 2車控制器結構示意圖 19 3 純電動汽車整車控制器硬件設計 上述已經(jīng)對純電動汽車的整車控制器系統(tǒng)進行選型分析，本章主要為純電動汽車的整車控制器選擇 片， 然后針對芯片設計控制器硬件電路。 整車控制器是純電動汽車的核心， 片是整車控制器的關鍵，選定一個恰當?shù)?片可以直接改善純電動汽車的性能。選擇 片的第一要素當然是要符合純電動汽車的功能要求，只有在滿足本課題設計的純電動汽車的功能要求才可以進行進一步的設計和優(yōu)化處理。其次考慮的是使用性能的穩(wěn)定性和市場上汽車使用的廣泛性，使用性能穩(wěn)定的 我們選擇的標準，因為汽車可能會行駛在高速路上，如果汽車的整車控制器出了問題，那么造成的后果將會很嚴重，再者汽車的整車控制器 難免會有故障或者是使用損壞，這就需要我們設計選用一種市場上常見的 片，如果 障可以立刻互換，方便維修。在結構方面，我們盡量選擇結構簡單一點的 片，因為整車控制器的設計空間有限，切不可使用結構復雜的 片。另外，芯片成本以及后續(xù)開發(fā)保護等問題，也需要考慮其中。綜合以上分析最終選擇 片是 芯片（單片機）是卡爾公司生產(chǎn)的 16 位雙核微處理器，各個方面性能和指標大致滿足上述要求，總結 片機優(yōu)點如下： 1) 單片機 上資源豐富，包 括了 32K 的 512 2) 單片機 通訊接口種類多，包括了 6 路 口、 3 路 2 路 口和 5 路 口，方便各部分控制單元和整車控制器的信息和數(shù)據(jù)的交換共享。 3) 單片機 著高精度的 A/D 通道，充分滿足了純電動汽車 A/ 小系統(tǒng)設計 本節(jié)的 最小系統(tǒng)的設計是 圍繞 片 進行其相關電路的設計。 電電路 任何電源電路都會有他的供電電路，因為只有有了供電電路， 單片機才會正常 20 工作。 片匹配選擇的是市場使用最為廣泛的 源轉換芯片， 以把汽車電壓轉化為 片的工作電壓（ 5V）。 電源電路如圖所示， 著正極而另一端 著負極， 750保險絲， 整流二極管， 起著穩(wěn)壓作用的二極管，它們都起著保護電路的作用， L 都是電感，電感 小是 100是電容，他們與 起起著穩(wěn)壓和濾波作用。 檢查電路是否有故障的電源指示燈。 圖 3電源電路 特別地，汽車的電源電路故障排除方法一般是先看電源指示燈是否亮，如果不亮，則說明問題不在電源電路，應該是車身傳輸電線或者是整車控制器的除 其他部分出了故障，如果指示燈亮，則說明電路電路沒有問題，應該只是單純的圖 3鐘電路 鐘電路 單片機 工作性能穩(wěn)定性能如何主要看 晶振頻率，本課題設計單片機 振為 16處單片機的工作性能最為穩(wěn)定。時鐘電路如 3所示。濾波電容有 個，晶振電阻 定 10 歐姆，圖中的 21 示晶振是 16 由于純電動汽車全部采用電控原則，所以信號復雜多變，為此要求設計的輸入和輸出信號必須做到互不干擾，下面詳細介紹開關信號處理電路和 踏板信號處理電路 。 對于純電動汽車的整車控制器來說，開關信號比較多，比如啟動鑰匙開關、充電開關和換擋器都屬于開關信號。本課題設計的開關信號處理電路如圖 3圖可以得出開關信號采用了光電隔離（電源地 信號地 開），這樣可以防止不必要的干擾。 圖 3關信號處理電路 本課題的純電動汽車踏下踏板時，霍爾元件產(chǎn)生方波脈沖信號就是本課題的踏板信號，信號通過 A/D 模塊之后進入整車控制器的 本課題設計的踏板信號處理電路是基于 壓轉換芯片來設計的，所設計的電路如圖 3示， 引腳包括：與 腳連接的 1 引腳（直流電壓輸出端）；與 連的 2 引腳（增益端）；與大地相連的 3 引腳（脈沖信號輸出端）；與大地相連的 4 引腳（電源接地端）；與定時比較正相輸入端連接的 5 引腳；與脈沖信號輸入端 6 引腳；與輸入比較器正相輸入端相連的 7 引腳；與電源 輸入端相連接的 8 引腳。 22 圖 31) 口電路 單片機 構里面有 6 路 口。此文章的內容 口是應用于控制器與上位機的通訊，根據(jù)整車的軟件程序進行查看和調試，可以與車內支持 訊的控制節(jié)點進行通訊，而且 過一對一的模式來確定，所以此文章設計了 2 路 訊接口。 一般 口應用 9 個引腳（ 者 25 個引腳（ D 型接插件。根據(jù)此文章用于與上位機的 通訊，需要三條接口線就滿足目的了，即 送數(shù)據(jù)）、 收數(shù)據(jù)）和 號地，所以采用 9 個引腳的 D 型接插件。以用正負電壓來表達邏輯關系的，與單片機串口的 高低電平表示邏輯關系的不同。因此，目的能夠與單片機的 件連接，只能在 文章采用的 片完成雙向電平轉換。而且只需 5V 電源和若干個電容就能夠提供電平轉換，使用十分的方便。 口電路圖如圖 3示。 電平轉換芯片 16 個引腳，能夠外接兩路 口， 9~12 引腳與單片機的 是用三個引腳， 2、 3 和 5 分別表示 路中的電容 起到 過濾波 的作用 。 23 圖 32) 口電路 此文章的接口電路的能力是 :把整車控制器 發(fā)送信號 過發(fā)送器轉換成通訊網(wǎng)絡中的差分信號，也能可以通過網(wǎng)絡中的差分信號經(jīng)過接收器轉換成整車控制器接收的 號。有的時候，