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一、新能源電動(dòng)汽車整車電子控制系統(tǒng)

電動(dòng)汽車整車電子控制系統(tǒng)由動(dòng)力系統(tǒng)、底盤電子控制系統(tǒng)、汽車安全控制系統(tǒng)、汽車信息電子控制系統(tǒng)組成，這四大系統(tǒng)完成了電動(dòng)汽車的使命。下面將分別介紹每個(gè)系統(tǒng)的功能及作用。

二、電動(dòng)汽車整車電子控制系統(tǒng)

電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)各零部件的工作都是由整車控制器統(tǒng)一協(xié)調(diào)。對(duì)純電動(dòng)汽車而言，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)能量回收的最大功率都受到電池放電／充電能力的制約。對(duì)混合燃料電池轎車和燃料電池客車而言，由于其具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的動(dòng)力源，增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制的靈活性，使汽車可以在多種模式下工作，適應(yīng)不同工況下的需求，獲得比傳統(tǒng)汽車更好的燃料電池性能，降低了有害物的排放，減小對(duì)環(huán)境的污染和危害，從而達(dá)到環(huán)保和節(jié)能的雙重標(biāo)準(zhǔn)。

首先要針對(duì)給定的車輛和參數(shù)的條件，選擇合適的動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型，完成動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配和優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，建立整車控制系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)汽車工作模式的切換和多個(gè)動(dòng)力源／能量源之間的功率／能量流的在線優(yōu)化控制。整車控制系統(tǒng)由整車控制器、通信系統(tǒng)、零部件控制器以及駕駛員操縱系統(tǒng)構(gòu)成，其主要功能是根據(jù)駕駛員的操作和當(dāng)前的整車和零部件工作狀況，在保證安全和動(dòng)力性的前提下，選擇盡可能優(yōu)化的I作模式和能量分配比例，以達(dá)到最佳的燃料經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo)。

1．整車控制系統(tǒng)及功能分析

(1)控制對(duì)象：電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括幾種不同的能量和儲(chǔ)能元件（燃料電池，內(nèi)燃機(jī)或其他熱機(jī)，動(dòng)力電池或超級(jí)電容），在實(shí)際工作過(guò)程中包括了化學(xué)能、電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化。電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)能流圖如圖8-1所示。

(2)整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的部件都有自己的控制器，為分布式分層控制提供了基礎(chǔ)。分布式分層控制可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的拓?fù)?/span>分離和功能分離。拓?fù)浞蛛x使得物理結(jié)構(gòu)上各個(gè)子系統(tǒng)控制系統(tǒng)分布在不同位置上，從而減少了電磁干擾，功能分離使得各個(gè)子部件完成相對(duì)獨(dú)立的功能，從而可以減少子部件的相互影響，并提高了容錯(cuò)能力。

電動(dòng)汽車分層結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)如圖8-2所示。最底層是執(zhí)行層，由部件控制器和一些執(zhí)行單元組成，其任務(wù)是正確執(zhí)行中間層發(fā)送的指令，這些指令通過(guò)CAN總線進(jìn)行交互，并且有一定的自適應(yīng)和極限保護(hù)功能；中間層是協(xié)調(diào)層，也就是整車控制器(VMS)，它的主要任務(wù)是一方面根據(jù)駕駛員的各種操作和汽車當(dāng)前的狀態(tài)解釋駕駛員的意圖，另一方面根據(jù)執(zhí)行層的當(dāng)前狀態(tài)，做出最優(yōu)的協(xié)調(diào)控制；最高層是組織層，由駕駛員或者制動(dòng)駕駛儀來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛控制的閉環(huán)。

(3)整車控制系統(tǒng)對(duì)車輛性能的影響主要有三個(gè)方面：

①動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性：整車控制器決定發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的輸出，直接關(guān)系到汽車動(dòng)力性能，影響駕駛員的操縱感覺(jué)；燃料電池轎車和客車有兩個(gè)或兩個(gè)以上的能量來(lái)源，在汽車實(shí)際行使過(guò)程中，整車控制器實(shí)施控制能量源之間的能量分配，從而實(shí)現(xiàn)整車臺(tái)旨量的優(yōu)化，獲得較高的經(jīng)濟(jì)性。

②安全性：燃料電池轎車和客車上包括氫氣瓶、動(dòng)力電池等能量?jī)?chǔ)存單元和動(dòng)力總線，電動(dòng)機(jī)及其控制器等強(qiáng)電環(huán)節(jié)，除了原有的車輛安全性問(wèn)題（如制動(dòng)和操作穩(wěn)定性）之外，還增加了高壓電安全和氫安全等新的安全隱患。整車控制器必須從整車的角度及時(shí)檢測(cè)各部件的工作狀態(tài)，并對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)進(jìn)行及時(shí)處理，以保證成員和車輛的安全。

③駕駛舒適性及整車的協(xié)調(diào)控制：采用整車控制器管理汽車上的各部件工作，可以整合汽車上各項(xiàng)功能，如自動(dòng)巡航、ABS、自動(dòng)換檔等，實(shí)現(xiàn)信息共享和全局控制，改善駕駛舒適性。整車控制器根據(jù)駕駛員操作信號(hào)進(jìn)行駕駛意圖解釋，根據(jù)各介部件和整車工作的狀態(tài)進(jìn)行整車安全管理和能量分配決策，通過(guò)CAN總線向部件ECU發(fā)送命令，并通過(guò)硬件資源驅(qū)動(dòng)整車安全操作和儀表顯示。

2．整車控制器

(1)整車控制器功能：整車控制器是控制系統(tǒng)的核心，承擔(dān)了數(shù)據(jù)交換、安全管理和能量分配的任務(wù)。根據(jù)重要程度和實(shí)現(xiàn)次序，其功能劃分如下。

①數(shù)據(jù)交互管理：整車控制器要實(shí)時(shí)采集駕駛員的操作信息和其他各個(gè)部件的工作狀態(tài)信息，這是實(shí)現(xiàn)整車控制器其他功能的基礎(chǔ)和前提。該層接受CAN總線的信息，對(duì)直接饋人整車控制器的物理層進(jìn)行采樣處理，并且通過(guò)CAN發(fā)送控制命令，通過(guò)I/O.D7A、PWM提供對(duì)顯示單元、繼電器等的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

②安全故障管理層：實(shí)車運(yùn)行中，任何部件都可能產(chǎn)生差錯(cuò)，從而可能導(dǎo)致器件損壞甚至危及車輛安全。控制器要能對(duì)汽車各種可能的故障進(jìn)行分析處理，這是保證汽車行駛安全的必備條件。對(duì)車輛而言，故障可能出現(xiàn)在任何地方，但對(duì)整車控制器而言，故障只體現(xiàn)在第一層中繼承的數(shù)據(jù)中。對(duì)繼承的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷將是該層的主要工作之一。在檢測(cè)出錯(cuò)誤后，該層會(huì)做出相應(yīng)的處理，在保證車輛足夠安全的條件下，給各部件提供可使用的工作范圍，以便盡可能地滿足駕駛員的駕駛意圖。

③駕駐員意圖層：駕駛員的所有與驅(qū)動(dòng)駕駛相關(guān)的操作信號(hào)都直接進(jìn)入整車控制器，整車控制器對(duì)采集的駕駛員操作信息進(jìn)行正確的分析處理，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和車輛的需求功率來(lái)實(shí)現(xiàn)駕駛員的意圖。

④能量流管理層：該層的主要工作是在多個(gè)能量源之間進(jìn)行需求功率分配，這是提高燃料電池汽車經(jīng)濟(jì)性的必要途徑。要實(shí)現(xiàn)整車控制器的上述功能，必須設(shè)計(jì)合理的硬件和軟件，整車控制器功能劃分如圖8-3所示。

(2)整車控制器硬件：現(xiàn)有的動(dòng)力總成控制器一般為采用高性能單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)，有Cygnal公司的C8051F020單片機(jī)，Intel的80C196, TI的TMIS320LF2407數(shù)字信號(hào)處理器，Freescale的MC68376系列單片機(jī)等方案，此外，支持Simulink自動(dòng)代碼生成的微處理器有Freescale公司的HC\’12. MPC0555，Infineon公司的C166; TI公司的DSPC2000.C6000等。

以上這些控制器都具有高速高精度、存儲(chǔ)器容量較大的特點(diǎn)，能滿足實(shí)時(shí)控制算法對(duì)計(jì)算能力的需求。同時(shí)還具有豐富的片內(nèi)i70接口、網(wǎng)絡(luò)總線通信接口，為分布式網(wǎng)絡(luò)控制和集中控制提供了可能。為了能在芯片上移植諸如OSEK7VDX之類的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，對(duì)中斷和定時(shí)器等硬件資源也有較為特殊的要求。其中一些控制器在傳統(tǒng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的控制中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，其可靠性也得到充分的驗(yàn)證。這其中以工作頻率為40MHz且具有64位浮點(diǎn)運(yùn)算PoWerPC內(nèi)核的32位RISC構(gòu)架的MPC555處理器運(yùn)算能力最為強(qiáng)大，集成的片內(nèi)RAM和Flash容量較大，片內(nèi)外圍設(shè)備接口最為豐富，Simulink對(duì)其所提供的驅(qū)動(dòng)程序模塊庫(kù)支持也最完善。故選擇其作為VMs控制器的嵌入式硬件平臺(tái)基礎(chǔ)oMPC555模塊示意圖如圖8-4所示。

(3)整車控制器開(kāi)發(fā)：在傳統(tǒng)的控制單元開(kāi)發(fā)流程中，通常采用串行開(kāi)發(fā)模式，即首先根據(jù)應(yīng)用需要，提出系統(tǒng)霈求并進(jìn)行相應(yīng)的功能定義，然后進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，使用匯編語(yǔ)言或c語(yǔ)言進(jìn)行面向硬件的代碼編寫，隨后完成軟硬件和外部接口集成，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定?，F(xiàn)在的開(kāi)發(fā)多采用V模式開(kāi)發(fā)流程（圖8 -5）o軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，為并行開(kāi)發(fā)提供了強(qiáng)有力的工具。例如德國(guó)DSPACE公司開(kāi)發(fā)了基于PowerPC和Matlab7Simulink的實(shí)時(shí)系統(tǒng)仿真，為控制器開(kāi)發(fā)及半實(shí)物仿真提供了很好的軟硬件工作基礎(chǔ)。

第一步，功能定義和離線仿真。首先根據(jù)應(yīng)用需要明確控制器應(yīng)該具有的功能，為硬件設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)；然后借助MATLAB建立整個(gè)控制系統(tǒng)（包括控制器和被控對(duì)象）的仿真模型，并進(jìn)行離線仿真，運(yùn)用軟件仿真的方法設(shè)計(jì)和驗(yàn)證控制策略。

第二步，快速控制器原型和硬件開(kāi)發(fā)。從控制系統(tǒng)的仿真模型中取出控制器模型，并且結(jié)合DSPACE物理接口模塊（A/D.D7A.170.RS232和CAN）來(lái)實(shí)現(xiàn)與被控對(duì)象的物理連接，然后運(yùn)用dSPACE提供編譯工具生成可執(zhí)行程序，并下載到DSPACEo DSPACE此時(shí)作為目標(biāo)控制器的替代物，可以方便地實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)在線調(diào)試和控制邏輯調(diào)節(jié)。在進(jìn)行離線仿真和快速控制其原型的同時(shí)，根據(jù)控制器的功能設(shè)計(jì)，同步完成硬件的功能分析并進(jìn)行相應(yīng)硬件設(shè)計(jì)、制作，并且根據(jù)軟件仿真的結(jié)果對(duì)硬件進(jìn)行完善和修改。

第三步，目標(biāo)代碼生成。前述的快速控制原型基本生成了滿意的控制策略，硬件設(shè)計(jì)也形成了最終物理載體ECU，此時(shí)運(yùn)用DSPACE的輔助工具TargetLink生成目標(biāo)代碼，然后編寫目標(biāo)的底層驅(qū)動(dòng)軟件，兩者集成后生成目標(biāo)代碼下載到ECU中。第四步，硬件在環(huán)仿真。其目的是驗(yàn)證控制器電控單元的功能。在這個(gè)環(huán)節(jié)中，除了電控單元是真實(shí)的部件，部分被控對(duì)象也可以是真實(shí)的零部件，如果將仿真模型中的被控對(duì)象模型生成代碼并下載到DSPACE中，則可用于被控對(duì)象的特性。第五步，調(diào)試相標(biāo)定。把經(jīng)過(guò)硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證鏈接到完全真實(shí)的被控對(duì)象中，進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)和調(diào)試。

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