新能源汽车低速行驶模拟提示系统设计

韩 勇，陈子明，张引引

（中航爱维客汽车有限公司，江苏 南通 226017）

新能源汽车低速行驶模拟提示系统设计

韩 勇，陈子明，张引引

（中航爱维客汽车有限公司，江苏 南通 226017）

针对纯电动汽车、插电式混合动力汽车在起步或车速小于20 km/h时驱动电机声音较小，在城市及人流密集的区域，极容易对行人或者其它车辆造成事故的情况，设计一种低速模拟提示系统，可以根据车辆的行驶状况模拟其行驶声音，从而主动地提醒行人及其它车辆注意避让，为新能源汽车行驶安全提供参考。

纯电动汽车；插电式混合动力汽车；起步；模拟提示系统；事故

随着中国新能源汽车工业的高速发展，越来越多的新能源汽车将投放市场。纯电动及插电式混合动力汽车在起步时都是利用驱动电机提供动力来源，声音较小，起步速度较快，在城市及人流密集的区域，极容易引发对车外行人及其它车辆的安全事故。

鉴于目前在商用客车上尚未有满足上述要求的产品可供使用，针对以上情况，本文提出设计一种低速行驶模拟提示器，当车辆在起步且车速低于20 km/h行驶时，可以根据车辆的行驶状况模拟其行驶声音，以提示车内乘客注意及车外行人、车辆主动避让，防止人员伤害及车辆碰撞等安全事故发生，确保新能源汽车的运行安全。外人员发出适当的提示性声响［2］。

GB 7258《机动车运行安全技术条件》（送审稿）12.13.2条规定：纯电动汽车、插电式混合动力汽车在车辆起步且车速低于20 km/h时，应能给车身人员发出适当的提示声响［3］。

1 国内外法规要求

2010年2月，联合国欧洲经济委员会（UNECE）世界车辆法规协调论坛（WP29）设立了安静道路车辆（QRTV）的非正式工作组，该工作组的主要职责为研究安静车辆提示音技术的可行性以及全球化协调的必要性，并起草了车辆提示音的全球技术法规（GTR）［1］。

2012年，全国汽车标准化技术委员会启动车辆低速提示音标准的制定工作。GB/T 28382—2012《纯电动乘用车技术条件》4.4“安全条件”规定：车辆在设计时应考虑车辆起动、车速低于20 km/h时，能够给车

2 设计思路

由于目前电动汽车仪表板的安装空间有限，增加电气设备需要考虑占用仪表板空间较小、便于安装的要求，低速行驶模拟提示器的操作面板采用标准翘板开关结构，主机部分按隐藏式安装方式进行设计。

为了提醒车外行人或车辆，需要在车外安装一个扬声器。同时，为了便于驾驶员感知提示音的变化，可在隐藏式主机内附带一个小喇叭。车外提示扬声器安装于车厢外，需要具备防水性能，其防护等级按IP67的要求设计。

车辆行驶可能在医院、学校或夜间等需要安静的环境，此时，需要将提示音调低或关闭。因此，需要设计音量调节或静音功能。

3 设计要求

根据有关政策法规和国家标准的要求，结合新能源汽车的设计环境，低速模拟提示器应满足以下设计要求。

1）提示器的有效工作车速＞0 km/h且≤20 km/h；对于20 km/h以上的车速，若需要提示器工作，其发出的声压级不应超过其在20 km/h车速下的提示音。

2）提示器发出的声音应至少包含2个160～5 000 Hz范围内的1/3倍频带，且至少有一个1/3倍频带在1 600 Hz以下。

3）当车辆以5～20 km/h范围内的某一车速行驶时，提示器所发出的声音中至少有一个声音的频率会随车速而变化。

4）提示器所发出的声音应避免采用如救护车、消防车的报警音等有特定含义的声音。推荐采用类似于传统内燃机车辆的声音类型。

5）提示器预留有音量调节开关、系统指示灯。

6）提示音的声压原则上不能超过传统车的噪音。参考GB1495—2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》对车外加速行驶的噪声限值［4］和GB16170—1996《汽车定置噪声限值》对匀速行驶的限值［5］，将提示音声压设置为70～80 dBA（100 cm）。

7）防护等级参考GB/T 10485的要求，应符合IPX5［6］。

4 系统设计

4.1 供电电源特性

根据QC/T413—2002《汽车电器设备基本技术条件》要求，12 V及24 V标称电压的车用电器设备工作电压范围见表1［7］，可根据需要，标称电压12 V或24 V均可。

表1 车用电器工作电压范围 V

4.2 温度环境要求

根据QC/T413—2002《汽车电器设备基本技术条件》要求，乘员舱电子设备温度范围应按-40～85℃进行设计［7］。

4.3 系统逻辑框图

低速行驶模拟提示器由控制面板、主机、扬声器和连接线束等组成，其逻辑方框图如图1所示。

图1 提示器逻辑方框图

4.4 分系统设计

1）电源转换电路 根据宽电源、低功耗的设计要求，选用DC-DC直流开关转换芯片，将外部9～36 V宽电压电源转换为稳定的5 V直流电源。该类芯片可选范围宽，考虑到设计成本，选用市场上较常规的XL1509-5.0E1芯片。该芯片最大转换电流达到2 A，工作极限电压45 V，可靠工作电压上限为40 V，自带过流保护，芯片为SOP-8封装，适合本产品的使用［8］。

考虑到汽车电子产品的电源反极性保护要求及本产品的实际工作电流，选用在电源正极串入二极管1N4004方式来实现。同时，在电源芯片输入端与搭铁之间并联一个大功率的TVS，型号为SMBJ36 A，功率600 W，其额定工作电压36 V，钳位电压38～42 V，可有效保护后端的电源芯片不受损坏。

2）输入信号检测电路 ①CAN接口：用于接收车辆的车速、挡位、左右转向信号，采用CAN通信简化设计，便于产品附加功能扩展。总线接口预留共模电感和静电防护二极管，方便应用于比较恶劣环境时进行调整防护。②左、右转向信号采集：对未采用CAN通信的车型，预留左、右转向信号硬线接口，需要满足脉冲式检测或固定电平检测（高低电平均可）。③车速脉冲：对未采用CAN通信的车型，预留车速脉冲检测，脉冲频率最高需检测1 kHz。④倒车信号：对未采用CAN通信的车型，预留倒车信号检测，需要固定电平检测（高低电平均可）。⑤静音按键或旋转编码开关采集：预留静音或音量调节功能，满足医院、学校、夜晚等需要安静的环境要求。⑥系统指示灯：用于指示当前系统是否处于静音状态。

3）单片机 目前，单片机种类繁多，分为通用型、DSP型、混合型及特殊型等几种。根据设计成本和系统要求，单片机采用ST公司生产的新型单片机STM32F103系列产品。该系列芯片主要性能：ARM 32位Cortex-M3内核，运算速度快，满足声音快速响应要求；高达256K的Flash，可储存多种音效；2.0～3.6 V宽电压；多种时钟可选，内部最高72 MHz RC时钟；多种电源管理模式，如等待、活跃停机、停机等；窗口看门狗和独立看门狗 2个定时器；多种通信接口，如UART/SPI/I2C/CAN等。

根据实际需要，选用STM8F103R8。宽温（-40～105℃），256K的FLASH，带12位ADC，1路CAN接口，2路DAC，多个I/O口及外部中断［9］。

4）单片机外围电路 按照芯片推荐的外围电路，用RC复位电路完成芯片的上电复位，并在电阻上反相并联一个泄放二极管，以应对电源的快速波动。

其它如芯片VDD，通过一个电容做内部电源的滤波。

由于采用CAN通信，需要采用外部晶振保证时钟的精度，确保CAN通信正常工作。

程序升级接口预留一个4芯插座，便于在线仿真和软件升级。

5）声音输出 主机喇叭采用中低音喇叭，为提示器声音输出器件，用于驾驶员感知提示器的音量。车外扬声器采用高低音扬声器，保证高频和低频声音均可输出，确保在不同声音频率下车外行人或车辆都能感知。

6）操作面板与指示灯 方案1：按键式操作面板上有2个LED指示灯，绿色为电源指示灯，上电后常亮；红色为静音指示灯，按下静音按键，指示灯点亮，提示驾驶员目前已进入静音状态。如图2所示。

方案2：旋钮式操作面板上有一个电源指示灯，用于观察提示器的工作状态。通过旋钮，可以调节提示器的音量，右旋音量增大，左旋音量减小。如图3所示。

图2 按键式操作面板效果图

图3 旋钮式操作面板效果图

7）结构设计 操作面板外壳按底座和面板组合设计，底座考虑卡槽和两侧的弹片，应能牢固地卡入仪表板上翘板开关底座内。弹片设计为锯齿状，可有效地卡入不同厚度的安装板上。上盖采用透明材质设计，并在正中预留一个静音按键或音量调节旋钮开关位置。如图4所示。

图4 操作面板结构图

提示器主机按隐藏式安装方式设计，大小为122 mm×83 mm×35 mm，共有横竖4个安装孔，小巧精致，方便安装。同时，内置喇叭采用百叶窗式出音孔，可有效地防止异物颗粒掉入。如图5所示。

图5 提示器主机结构图

外接扬声器采用防水喇叭造型，喇叭口可90°旋转，选择合适的位置和角度安装。如图6所示。

图6 外接扬声器结构图

8）软件流程图 系统软件流程方框图如图7所示。

图7 软件流程方框图

9）开发环境 STM32微处理器基于ARM嵌入式开发环境，可用STM32开发。Keil是德国知名软件公司Keil（现已并入ARM 公司）开发的微控制器软件开发平台，是目前ARM内核单片机开发的主流工具。Keil的开发方案提供了一个集成的开发环境（uVision），目前最高版本是uVision3，其界面友好，易学易用。在调试程序、软件仿真方面，也有很强的功能［10］。

10）固件库 软件编程采用ST公司针对STM32芯片提供的固件库对寄存器和外设进行配置。目前ST公司已有多种标准的固件库可供使用，并提供了固件库使用手册进行详细说明。本产品开发基于STM32固件库使用手册V3.5版本，即《32位基于ARM微控制器STM32F101xx与STM32F103xx固件函数库》（英译文原版为UM0427 Oct.2007 Rev2）［11］。

5 低速行驶模拟提示器工作原理

1）电源模块提供电源，输入电压12 V/24 V系统可选。

2）CAN总线模块可接收车速、转向、倒车等信号，供给中控模块分析。对于未采用CAN总线的车型，可使用脉冲接收模块接收车速、转向、倒车等信号。

3）中控模块通过信号接收模块提供的信息进行分析、计算，合成音频信号；音频信号经信号放大和功率放大后，推动喇叭发出提示音。中控模块合成的提示音随车速变化，灵活改变音频的音调和音量。

4）中控模块通过信号接收模块接收的信息，可识别车辆倒车、转向等信息，实现语音提示。

5）中控模块通过采集操作面板的信息，控制静音或音量调节。

6 结束语

新能源汽车产业发展迅速，国务院对新能源汽车安全问题高度重视。车辆运行安全，也是一个不容忽视的问题。按照以上设计要求设计的低速行驶模拟提示器，通过实车安装测试，满足最初设计要求，可以在车辆起步或低速行驶时模拟其行驶声音，主动提醒行人及其它车辆注意避让，对新能源汽车的运行安全提供了保障。

［1］ 高岳.安静行驶车辆低速提示音标准法规国际状况及发展趋势分析［J］.科技创新与应用，2013（ 19）：44-45.

［2］ GB/T28382，纯电动乘用车技术条件［S］.2012.

［3］ GB 7258，机动车运行安全技术条件［S］.2016.

［4］ GB1495 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法［S］.2002.

［5］ GB16170 汽车定置噪声限值［S］.1996.

［6］ GB/T10485 汽车及挂车外部照明和信号装置基本环境试验［S］.2007.

［7］ QC/T413，汽车电器设备基本技术条件［S］.2002.

［8］ XLSEMI公司.XL1509数据手册［R］.

［9］ ST公司.STM32F10xReference［R］.

［10］ ARM公司.Create Applications with MDK Version 5 for ARM Cortex-M Microcontrollers［R］.

［11］ ST公司.32位基于ARM微控制器STM32F101xx与STM32F103xx固件函数库［R］.

（编辑 杨 景）

Design of Simulating Cue System for Low-speed Driving on New Energy Vehicles

HAN Yong，CHEN Zi-ming，ZHANG Yin-yin
（AVIC Motor Co.，Ltd.，Nantong 226017，China）

Due to the small sound of electric motors when the speed is below 20 km/h，it is easy for pure electric vehicles and plug-in hybrid electric vehicles to cause accidents that involve pedestrians or other vehicles in urban areas and crowded areas.Here a low-speed simulation prompt system is designed for this issue.It can simulate driving sound of these vehicles according to their driving state，so as to actively alert pedestrians and other vehicles.This system will be used as some references for driving safety of new energy vehicles.

pure electric vehicle；plug-in hybrid car；starting；simulation system；accident

U469.72

A

1003-8639（2017）09-0001-04

2016-12-22

韩勇（1988-），男，工程师，主要从事新能源汽车整车电气系统的设计与研发。