电动轮汽车整车控制系统及控制策略研究

2014-10-15王伟

机电信息 2014年18期

王伟

（上海燃料电池汽车动力系统有限公司，上海201804）

1 整车结构

电动轮汽车净重325．25kg，可乘坐2人，采用锂电池作为动力源，置于车座后方；4个车轮由独立的永磁无刷直流轮毂电机驱动，每个电机额定功率1kW，额定电压48V；4个电机控制器分别放置在电动轮附近的悬架上，额定电压48V。整车管理系统（Vehicle Management System）与4个分模块组成转矩分配的CAN网络，按照J1939标准设定5个节点相应单元的发送地址、接收地址、报文编号和优先级，从而完成转速、转矩的闭环控制。同时，电池管理系统（Battery Management System）、CAN仪表也分别作为CAN网络的节点。BMS将电池的电压、电流、电量等工作参数以一定周期发送至VMS，反映在仪表上或控制策略里。电动轮汽车参数如表1所示，电动轮汽车结构如图1所示。

表1 电动轮汽车参数

图1 电动轮汽车结构

2 电控系统结构

整车电控系统主要包括整车管理系统和4个分控制模块，模块之间以CAN网络为通道进行转速、转矩等信息的传递和共享。此外，方向盘转角传感器、油门踏板、制动踏板3路模拟信号，各类开关信号输入，仪表显示输出均由主模块根据驾驶人员的具体操作和电池、电机的状态进行调整控制。

2．1 仪表

采用的仪表为普通机械式，供电12V，显示信息包括电池的电量、电压、电流和电动汽车的行驶速度，以及左转向、右转向、充电连接等各种指示灯，还有电机过热、控制器过热等报警信号。若直接使用主控制模块的I／O控制仪表，不仅线束复杂，而且易受干扰，基于以上考虑，在仪表内加入8位带CAN控制器的单片机，这样利用CAN通信接收VMS发送来的数据，带来了很大方便。

仪表内部8位单片机采用NEC公司产品μPD78F0883，主要资源包括37个I／O口、5个8位／16位定时器、1路CAN控制器等，可以使用8MHz外部晶振，定时器达到微秒级，而且有多路倍频，完全符合应用需求。具体操作时，首先制定通讯协议，按照J1939标准规定此节点在网络中的收发地址、优先级等内容。这样驾驶员对各种开关量的每一次动作都会使VMS输入口发生变化，于是发送的数据产生相应变化。仪表内部节点将收到的数据从I／O口、定时器口输出驱动相应的指示灯，电压、电流等模拟量。

2．2 轮毂电机

轮毂电机动力系统由于电机电制动容量较小，不能满足整车制动效能的要求，通常需要附加机械制动系统。轮毂电机系统中的制动器可以根据结构采用鼓式或者盘式制动器。由于电机电制动容量的存在，往往可以使制动器的设计容量适当减小。大多数轮毂电机系统采用风冷方式进行冷却，也有采用水冷和油冷的方式对电机、制动器等的发热部件进行散热降温，但结构比较复杂。

本电机为低速外转子型，最高转速在510r／min左右，无任何减速装置，电机的外转子与车轮的轮辋固定或者集成在一起，车轮的转速与电机相同。

2．3 电机控制器

本电动轮汽车采用的电机控制器线束主要有6条，不仅包括电机控制器电源输入端、电机控制器输出轮毂电机的三相信号、0～5V的调速信号线、刹车信号线，还包括电流状态输出信号（5A时输出1V左右，10A输出2V左右……25A输出5V左右，信号为0～5V不同占空比的方波信号）、保护指示（堵转保护、防飞车保护、过电流保护时，输出5V；油门踏板复位后退出保护状态，输出0V），以及模拟霍尔信号输出（输出0～5V相同占空比的方波信号，每23个周期信号等于电机转速1r），并且包括倒车地线、倒车信号线（接地时为倒车状态，倒车最大速度为全速的50%，前进时倒车无效，减速停止后进入倒车状态）。

2．4 整车管理系统

整车管理系统采用NEC的32位单片机μPD70337A作为芯片，可以使用8MHz外部晶振，经过倍频后频率最高可达32MHz，运算在微秒级，满足采样要求；具有3个16位计数器，支持多路分频、PWM输出模式，这样可以直接用数字量控制仪表的电压、电流等模拟量；具备16路10位分辨率的A／D转换器；2路CAN通道：CAN0有14组数据缓冲器，每个可传送8字节数据，即完成一帧的收发；CAN1有17组数据缓冲器。VMS与BMS有一帧的接收与4个分模块8帧的接收，可见完全满足要求。

电动轮汽车整车控制系统由整车管理系统和4个分布控制模块组成。主模块与分模块通过CAN通讯完成转速、转矩等信息的处理和传递，从而实现各种控制算法和策略，达到稳定、安全的目的。另外，主模块还包括电源转换、数模转换（A／D）、输入／输出口（I／O）3大部分。诸如油门踏板、制动踏板这样的模拟信号通过A／D转换以一定的采样周期采集到单片机的寄存器中，然后以一定的策略由CAN发送到分模块。类似钥匙、喇叭开关、仪表中的指示灯等开关量，则采用输入／输出口来实现具体的功能。

3 整车电控系统CAN节点布置方案

整车电控系统CAN网络拓扑结构包括VMS和4个控制分模块（图2）。采用主模块中的一路CAN通道挂载4个控制分模块，另一路CAN通道挂载仪表、BMS。然后根据J1939标准在报文的标识符场中设定各个节点发送单元、接收单元的地址、优先级、报文编号。

图2 CAN拓扑结构

在采用J1939应用层协议时，根据实际应用为总线消息编排一个合理的总线仲裁优先顺序，以改善CAN通讯的实时性。在本应用场合，主模块发给分模块的控制命令比分模块的反馈信息具有更高的优先级。此外，中央控制器发往4个车轮控制器的指令必须同步，才能为后续控制提供可靠的前提。

分模块分别控制电动轮汽车的左前轮、右前轮、左后轮和右后轮。主模块发出的CAN消息数据场结构如表2所示。

表2 VMS报文内容

分模块向中央控制器反馈当前状态信息的CAN消息数据场结构如表3所示。

表3 分模块报文内容

仪表中需要显示的电压、电流、电量、里程等模拟量，都是通过内部芯片的8位定时器输出口以脉宽调制方式驱动，具体标定计算在VMS中已经做好，以下是CAN消息数据场结构（表4）。

表4 仪表报文内容

BMS连接着采集模块，可以实时采集计算出电池组的总电压、总电流、荷电总量等信息量，以下是CAN消息数据场结构（表5）。

表5 BMS报文内容

4 整车保护策略

整车保护策略主要是针对电动轮汽车上的核心部件即电机、电机控制器及电池。

电机保护主要包括温度保护、过流保护及欠压保护。市场上采用的某些电机、电机控制器已经加入了温度传感器，并在电机控制器中加入了CAN控制模块，这样就可以由主模块通过CAN通讯实时了解到电机、电机控制器的温度，并根据该电机、电机控制器的实际特性作出保护。例如，若电机、电机控制器的工作温度范围是－20～85℃，则可以设定70℃为限制运行温度。当小于限制温度时，电机全工运行；当大于限制温度时，电流固定在一个门限值。同样，过流保护也可以通过设置阈值来进行。当电流超过此阈值若干秒时，就可以由主模块发出警报信号，并通过踏板复位退出保护状态。欠压保护是指当电机电压低于某一阈值时，电机进入限压运行状态。

电池保护得益于电池管理系统的应用。BMS上有若干采集模块可以采集单体电池的电压、电流、温度，还可以实时计算出电池组的当前总电压、总电流、温度及荷电状态（SOC），并根据单体电池当前的状态发出报警信息，如单体电压过大、放电电流峰值过大、温度过高、节点通信错误等。VMS将接收到的电压、电流、荷电状态、报警信息输出到仪表中显示，使驾驶者可以及时作出反应，从而达到保护的目的。