电动汽车分时租赁控制系统的研究

2019-02-21曹正策

通信电源技术 2019年1期

曹正策，谭威，马浩

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉 430070）

0 引言

汽车便利人们出行的同时，耗费了大量资源，加剧了环境污染。电动汽车的发展为解决环境污染、资源短缺等问题提供了新的方向。近年来，政府颁布的大量补贴政策和节能减排的发展战略，推动了电动汽车行业的迅猛发展，但充电速度慢、续航里程短等技术难题延缓了电动车取代传统燃油车的进程[1-3]。以租代售的车辆使用模式兼顾了私家车与公共车辆的优点，满足了用户以较低的费用使用电动车以进行短距离的市内出行[4]，对推动汽车产业转型升级、改善城市交通拥堵和环境污染具有十分积极的意义。

1 分时租赁系统方案

电动汽车分时租赁系统充分利用车联网技术，在车辆上安装一套车载终端，内置GPS、GSM以及蓝牙（BT）通信模块，用户通过手机APP完成实名注册后，即可在自助租赁站点租用车辆并对车辆进行指令控制。分时租赁控制系统主要包括手机APP、云端服务器平台以及分时租赁车载终端三部分[5]，整体构架如图1所示。

图1 控制系统方案构架

车载终端与车辆预留的OBD接口相连，采集汽车CAN数据，主要包括车辆点熄火状态、车速、车门状态、挡位、电池剩余电量（SOC）、总里程、蓄电池电压、充电状态、故障信息以及定位信息[6]。车载终端对采集的CAN数据进行解析处理后，将其上传至服务器平台，然后PC端可通过互联网访问平台监控车辆运行的各项数据。同时，服务器平台需要将重要的车辆数据转发至用户手机APP，用户通过手机APP界面可以更加直观地掌握车辆的运行状态，保证用车的安全。本文以分时租赁控制系统的软件设计内容为主，手机APP和服务器平台仅简述其功能。

2 分时租赁控制系统方案设计

分时租赁控制系统的主要作用是实现对车辆各部分电控单元的稳定控制。分时租赁车载终端通过汽车CAN总线与车辆各电子控制单元的控制电路相连，通过GSM或蓝牙通信技术接收来自手机APP和服务器平台发送的指令信息[7]，从而控制汽车相应的电控单元来控制车辆。

2.1 系统控制功能

分时租赁控制系统需要实现寻车、车门开关锁、点熄火、示宽灯开关和车窗自动升起等主要控制功能[8]。表1为分时租赁控制系统控制功能表。

2.2 系统控制策略

用户使用手机APP通过GPRS网络将控制指令发送到服务器平台，服务器平台将控制指令转发至分时租赁车载终端。车载终端对当前车辆状态进行判断，若满足条件则执行相应指令，并将执行结果反馈到服务器平台和手机APP，如图2所示。

表1 控制系统控制功能表

图2 控制指令数据流

（1）当车辆蓄电池电量充足时，寻车指令和点火指令不受条件限制；用户使用手机APP下单后，在手机端输入寻车指令，该车辆保持3 s的寻车状态，即左右转向灯闪烁3次并鸣笛3声。

（2）车辆在高速行驶的过程中开锁可能导致车门误开，引发交通事故。但是，驾驶人员在紧急情况下又需要打开车门，所以为车门解锁制定了两种控制策略：一是车辆熄火，二是车辆车速小于5 km/h。这两个条件满足其一，即可通过手机APP实现开锁，如图3所示。

图3 开锁控制策略图

（3）车辆在两种状态下可以实现车门关锁：一是用户使用手机APP输入关锁指令，车辆车门锁关闭；二是熄火状态下，保持关门状态的时间在20 s以上，车辆自动关锁。要实现车门关锁，所有车门必须处于关闭状态，如图4所示。

（4）车辆熄火需要同时满足车辆挡位处于N挡且车速为0 km/h两个条件。车辆熄火的控制策略如图5所示。

（5）车窗自动升起需要车辆处于熄火状态且车门锁处于关闭状态。自动升窗的控制策略如图6所示。

3 CAN总线通信协议设计

3.1 CAN总线应用层协议定义

应用层协议是对数据帧中仲裁场的标识符位和数据场进行定义。为了以后适配其他车型车辆，本文参照SAE J1939应用层协议为服务器平台制定了统一的CAN总线通信协议。

图4 车门关锁控制策略图

汽车CAN总线数据中标识符（ID）决定了信息的优先权，根据每个CAN节点的重要性分配各个节点的ID，可以避免多个节点同时传送报文时总线产生访问冲突[9]。信息含义与标识符之间具有一一对应关系，开发者可以清晰明了地知道每个数据帧代表的数据含义，为控制系统模拟测试平台的搭建提供了理论基础。表2为CAN总线协议中部分车辆数据信号的结构。

3.2 CAN总线协议解析

每一数据帧的数据场占64位（bit）即8字节，以表3接收到的车速和总里程为例进行CAN总线协议解析。车速信号的ID是0x0513，0x表示十六进制数字，信号从第8位起始，长度为8 bit即1字节，说明车速信号占用了该数据场整个第2字节，表中第2字节的数据为5A，转换成十进制数为90，即当前车速为90 km/h[10]。总里程信号ID 0x1F90的数据场第6字节和第7字节数据为21 B6，转换成十进制数为8 630，即此时的总里程为8 630 km。

图5 车辆熄火控制策略图

图6 自动升窗控制策略图

表2 CAN总线数据结构

4 分时租赁控制系统测试方案

4.1 搭建模拟测试平台

通过分析电动汽车各电控单元的控制原理，对实车各电控单元控制电路进行简化后融合到一个电路中，即模拟实车控制电路。该模拟测试平台采用12 V电源供电，与实车一致。12个电阻既可以起到分流保护电路的作用，还分别表示实车的各控制对象[11]。在每个电路中串联一颗LED灯，通过灯亮和灯灭可以更加直观地显示控制结果是否成功。图7为模拟电路及其实物图。

图7 模拟电路及其实物图

PCAN可以实现车载终端与PC端之间CAN数据的传输，使用PCAN View软件按照设定的CAN总线通信协议手动输入车辆CAN总线数据，即可模拟车载终端采集车辆CAN数据的过程[12]。通过观察服务器平台上的实时数据与手动输入的CAN数据是否一致，即可判定车载终端的数据采集和上报功能是否正常；使用手机APP绑定车载终端并向其发送控制指令，通过观察模拟电路上的LED灯点亮或熄灭的状态，即可判定控制系统的各项控制指令是否执行成功。图8为搭建的模拟测试平台。

图8 模拟测试平台

4.2 数据上传功能测试

为模拟测试平台和分时租赁车载终端供电，使用PCAN View向车载终端发送十六进制格式的CAN数据模拟用户用车过程中的各项数据，表4为数据上传测试表示例。为了确保数据上传功能的准确性和稳定性，服务器平台上显示的所有数据都需要在模拟测试平台中进行反复验证[13]。此处仅以部分数据说明测试和判定的方法。

表4 数据上传测试表

4.3 指令控制功能测试

为了验证分时租赁系统的各项控制指令能否在设定的控制策略下正常执行，通过PCAN View向车载终端发送CAN数据改变车辆的点熄火状态、车门状态、挡位以及车速信息[14-15]。表5为指令控制功能测试表，表中空白处的数据说明此数据对所需验证的指令没有直接关系，可以为任意值。然后，通过手机APP下发相应指令，观察对应的LED灯点亮、闪烁或者熄灭状态，即可得出测试结果[16-18]。

反复的模拟测试结果表明，该分时租赁控制系统能够准确稳定地进行数据上传，各项控制指令也能够按照设定的控制策略有效执行。

将车载终端与车辆预留的OBD接口相连进行实车测试，驾驶车辆使车辆处于不同的状态，并通过PC端观察服务器平台接收到的实时数据是否与实车仪表显示的数据一致。确保数据上传功能准确稳定后，使用手机APP租用该电动汽车，参照表5中的信息对实车发送控制指令，观察车辆是否执行相应指令，即可验证分时租赁控制系统是否能够对实车进行指令控制。实车测试结果表明，该分时租赁控制系统可以很好地按照设计要求完成数据上传和各项控制功能。