基于双路CAN总线的电动大客车整车控制器研究

林 程，周 辉，孙逢春，南金瑞

Lin Cheng，Zhou Hui，Sun Fengchun，Nan Jinrui

（北京理工大学 机械与车辆工程学院，北京 100081）

早期电动大客车的控制策略主要是以电机为主、基于速度控制的控制策略[1]。电动大客车是一个整体，各个部件单独运转给客车整车性能的发挥带来了很大影响。整车控制器是汽车尤其是电动汽车控制系统的核心，整车控制策略是汽车控制系统的灵魂，能够在分析驾驶员的驾驶意图、行驶工况以及各部件状态等信息的基础上，协调各部件之间的运转，实现多能源管理和控制、故障诊断及处理和整车状态监视等功能。

1 整车控制器硬件设计1

BK6121是一款以服务北京2008年奥运会为目标的纯电动低地板概念车，能量源为锂离子动力电池，车上装有电机控制器、ABS（Antilock Brake Systern，制动防抱死系统）、蓄电池管理系统、AMT（Automated Mechanical Transmission，自动变速器控制系统）、EPS（Electric Power Steering，电动助力转向控制系统）、车身中央控制器模块、驾驶室显示系统、充电机控制系统、调度控制系统等子系统[2]。如果按照传统方式安装各个系统，不仅给安装带来麻烦，增加维修难度，而且各个部件不能协调工作，导致电动汽车无法发挥整车最佳性能。开发以CAN（Controller Area Network，控制器局域网络）总线为网络拓扑介质的整车控制器，可以通过CAN总线来接收信息及传达指令，将电动大客车连为一个整体，使整车性能达到最优。

1.1 整车CAN网络拓扑结构

电动大客车对整车控制的实时性要求比较高，所以要求信号的传输速度要快，对比各种传输线，具有高传输速率且可以实现数据共享的CAN总线[3]可以满足要求。电动大客车的能量源是锂离子电池，相比内燃机汽车，锂离子电池的单体电压也需要被监测。电动大客车锂离子电池有100多组，需要传输的数据量比内燃机车要多，如果采用单路CAN总线，就容易出现类似交通堵塞的数据堵塞情况，导致整个控制系统瘫痪。通过增加道宽可以解决交通堵塞，同样可以采用相同的办法解决数据传输堵塞的问题。采用 2路CAN总线，其中一路作为主路，与对实时性要求比较高的控制器（电机控制器、AMT、ABS、EPS）相连，它们的优先级相对较高；另一路作为辅路，与对实时性要求比较低的电池管理系统、充电控制系统以及调度控制系统等相连，它们的优先级略低一些，然后将2路CAN总线与整车控制器相连，构成电动大客车整车控制系统，如图1所示。这样可以保证所有数据都能顺畅地在CAN总线上传输，避免了整车控制系统瘫痪。

这个网络不仅结构简单，而且容易维护，与没有采用及采用单路CAN总线的网络结构相比，优势明显。在这个网络结构中，加速踏板和制动踏板的信号不再直接传给电机控制器，而是传给整车控制器，这样整车控制器可以根据从其他的子系统收集到的数据来判断目前汽车的状态，然后根据不同的情况给电机控制器不同的指令，而不是将接收到的加速或制动信号直接传给电机控制器。

1.2 整车控制系统硬件系统的实现

为了保证整车控制器具有好的抗震性和散热性，壳体采用特殊材料制成，内、外部结构经过特殊设计，能够牢固地将板子固定在壳体上以及将壳体固定在汽车上，而且结构紧凑、体积小，如图 2所示。整车控制器硬件核心部分由 UNO-3062和2块板卡构成，其中PCI1710用于采集不能通过CAN总线发送的数据，PCI1680有2个CAN端口，可以通过2路CAN总线采集数据。

2 整车控制策略设计

电动大客车整车控制策略应具有一定的智能性，可以实现自动控制，如图 3所示，整车控制策略实现功能如图4所示。

整车控制策略设计标准如下。

1）在整车控制器的控制下，电动大客车的各个部分相互协调运转。整车控制器根据驾驶员给整车控制器的信号，对车辆状态、动力电池状态以及道路环境等因素进行综合分析后，参照数据库，向CAN总线发送控制命令，各个子控制器根据从CAN总线上得到的命令来控制相应部件的运转，实现对整车的最优控制。

2）提高能源利用效率。在电池能量一定的情况下，延长电动大客车的续驶里程。电池的能量密度低一直是制约电动汽车发展的一个障碍，而且目前突破这一关比较难，因此要增加电动大客车的续驶里程只能靠好的控制策略。

3）当车辆有制动需求时，整车控制器要根据踏板信息（制动踏板和加速踏板）、车辆行驶状态、动力电池状态以及能量回馈系统信息，向电机控制器或制动系统发出制动指令。

4）整车控制系统除了要进行驱动/制动方面的管理控制外，还负责组织各子系统间的信息传输、网络监控、节点管理等功能。

5）对与车辆行驶没有直接关系的空调用电设备进行管理，其目的是提高整车能量的利用效率，尽可能延长续驶里程[4]。

6）实现车辆状态监视和故障诊断保护功能。整车控制器不仅将各个子控制器在CAN总线上发布的信息通过仪表显示出来，而且在汽车出现故障后，使汽车自动进入故障模式行驶，并发出故障警告。图5为电池箱温度异常时的故障诊断流程。

7）实现汽车运行模式的切换。通过软件设计自动模式、手动模式、故障模式等，如图6所示。平时汽车处于自动模式，在自动模式下运行的前提是汽车各个零部件完好无损，一旦汽车出现故障，汽车会切换到故障模式下，同时以报警方式通知驾驶员，驾驶员应该尽快将汽车开到最近的维修站，排除故障。手动模式是为特殊驾驶需求制定的。

早期的控制策略主要是以电机为主的控制策略，是基于速度控制的控制策略[1]，现在的整车控制策略，在保证电动大客车充分发挥其整体性能的同时，又兼顾了汽车的行驶安全性，比以前的控制策略更能体现汽车设计中以人为本的设计思想。

3 整车控制系统软件实现

基于硬件参数，整车控制器采用嵌入式 XPE作为操作系统，软件开发平台是一套组态软件。该软件能以灵活多样的组态方式而不是编程方式进行系统集成，提供了良好的用户开发界面和简洁的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的组态，便可以容易地实现和完成监控层的各项功能[5]。对于整车控制器的开发，该软件最大的好处是可以方便地开发出美观的仪表显示界面，而且容易修改，同时它是基于VC开发的软件，编程功能比较强大，比较容易将整车控制策略应用在电动大客车上。

3.1 整车控制器软件系统实现的功能

1）一级友好界面显示，即主界面，如图7所示。在用钥匙启动汽车后仪表显示屏显示的信息包括动力电池剩余电量、动力电池电压、各个主要部件的故障情况和传统汽车仪表显示的一些信息。

2）二级界面显示，主要包括各个子控制器的工作模式界面和各个部分的故障显示界面，如图8所示。主界面上只显示哪个部分出现故障，发生的具体故障通过二级界面显示，一级界面与二级界面之间的切换通过显示屏下方的按键实现。

3）单体电池电压及温度显示界面、车身电器工作状况显示界面等相对次要，但是在汽车出现故障时可以通过查看界面查找故障信息。图 9为单体电池电压显示界面，这种界面比以前的每查看一箱电池电压需要按一次翻页键的界面更方便，而且所有电池电压可以在一个界面上同时显示，在充电时只需通过界面切换键将界面切换到此界面即可，提高了操作方便性。

4）控制功能，通过采集钥匙开关信号、加速踏板、制动踏板、变速箱挡位等信息及网络上其他控制系统的节点数据、车辆传感器数据、车辆运行状况数据等进行融合处理，将处理结果以控制消息的方式通过总线发布，其他子控制系统根据从总线接收的信息进行相应的操作处理。

5）数据自动采集及保存功能。为了实现该功能，控制器被设置为每50 ms采集数据并保存。考虑到存储空间的有限性，只有一部分数据是每50 ms保存一次，而类似单体电池电压的数据分2种方法保存，一种是每10 min保存一次，另一种是当发现有电池损坏时保存一次。

6）数据历史趋势查询功能。图 10为电机控制器温度在一段时间内的变化情况，可以对某一部件在近几个小时的运行情况有一个比较直观的了解。

图11为车上的各个设备、开发软件、数据库和显示界面之间的关系图。可以看出开发的主要任务是开发显示界面、编写驱动程序，并将设备、数据库和显示界面相连接。

3.2 开发步骤

1）首先根据对主界面的要求利用力控组态软件进行主界面的开发；

2）然后根据需要开发二级界面；

3）在数据库组态里进行变量定义，根据主界面和二级界面的要求在 DBmanager 里面对需要采集数据的点进行定义；

4）定义I/O设备，在力控开发环境的I/O设备列表中选取自定义的PCI1680，进行数据连接，将已经定义好的点与 PCI1680设备的对应连接项一一关联；

5）将一级界面与二级界面里的图形与在DBmanager里定义的变量相连接，如图12所示，并根据变量值的变化设计图形显示变化；

6）编写脚本代码。通过编写程序，利用整车控制器从CAN总线及设备上直接采集数据，实现一些电动车所特有的信息显示，比如SOC的估计；实现对电动客车的控制，包括驱动、制动及故障诊断等，这样整车的优化工作通过软件可以实现。控制策略在车上的应用即把控制策略转变成程序语言，下载到整车控制器的存储器，运用程序实现整车的控制。

4 结 论

电动大客车整车控制器是控制系统的核心，不仅给驾驶员提供汽车运行状态的信息，更重要的是发挥其智能作用，协调各子控制器工作，在大客车某一部分出现故障时，及时作出判断，使汽车自动进入预先设定好的故障模式运行，以保护汽车的其他部件不受损坏。因此，整车控制器的功能完善与否直接影响电动大客车的性能，成为评价电动汽车好坏的一个重要标准。在分析电动大客车整车控制器功能需求后，开发的整车控制器在某些方面已经显示了智能性，体现了整车控制器在电动大客车控制系统中的重要地位。

[1]吕胜利，左曙光.并联混合动力汽车控制策略的综合分析[J].设计研究，2005，10（5）：26-30.

[2]林程，王文伟.HFF6112GK50EV型电动公交客车技术手册[M].北京：北京理工大学出版社，2004.

[3]饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN原理及应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[4]翦权斌，沈保锁，陈弘.基于 CAN总线电动汽车动力主控制器的研制与开发[J].计算机应用，2005，25（2）：481-484.

[5]北京三维力控科技有限公司.力控用户手册[M].北京：北京三维力控科技有限公司，2005.