整车控制器之欧阳美创编.docx

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整车控制器之欧阳美创编

整车控制器（VMS，vehiclemanagementSystem），即动力总成控制器。

是整个汽车的核心控制部件，它采集加速踏板信号、制动踏板信号及其他部件信号，并做出相应判断后，控制下层的各部件控制器的动作，驱动汽整车控制器通过采集司机驾驶信号和车辆状态，通过CAN总线对网络信息进行管理，调度，分析和运算，针对车型的不同配置，进行相应的能量管理，实现整车驱动控制、能量优化控制、制动回馈控制和网络管理等功能。

时间：

2021.01.01

创作：

欧阳美

介绍  

纯电动汽车整车控制器（VehicleController）是纯电动汽车整车控制系统的核心部件，它对汽车的正常行驶，再生能量回收，网络管理，故障诊断与处理，车辆的状态与监视等功能起着关键的作用。

与各部件控制器的动态控制相比，整车控制器属于管理协调型控制。

体系结构

　整个车辆系统采用一体化集成控制与分布式处理的车辆控制系统的体系结构，各部件都有独立的控制器，整车控制器对整个系统进行能量管理及各部件的协调控制。

为满足系统数据交换量大，实时性、可靠性要求高的特点，整个分布式控制系统之间采用CAN总线进行通讯。

整车控制器主要由控制器主芯片，Flash存储器和RAM存储器及相关电路组成，控制器主芯片的输出与Flash存储器和RAM存储器的输入相连。

组成

 　　控制器硬件包括微处理器、CAN通信模块、BDM调试模块、串口通信模块、电源及保护电路模块等。

微处理器选用了Motorola公司专门为汽车电子开发的MCgS12，它具有运算速度快和内部资源与接口丰富的特点，适合实现整车复杂的控制策略和算法。

CAN通信模块符合CAN2.0B技术规范，采用了光电隔离、电源隔离等多项抗干扰设计;BDM调试模块用于实时对控制程序进行调试、修改;串口通信模块用于对控制系统的诊断和标定; 电源模块进行了二级滤波的冗余设计，保证控制器在车载12V系统供电情况下正常工作，并具短路保护功能。

　　CAN，全称为“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域网，是一种国际标准的，高性价的现场总线，在自动控制领域具有重要作用。

CAN是一种多主方式的串行通讯总线，具有较高的实时性能，因此，广泛应用于汽车工业、航空工业、工业控制、安全防护等领域。

　　决策层控制单元是车辆智能化的关键,其收集车辆运行过程中的信息,并根据智能算法的决策向物理器件层控制单元发送命令;动力源控制单元负责调节动力源系统部件以满足决策层控制单元的命令要求;驱动/制动控制单元则调节双向变量电机和能耗制动系统实现车辆的各种工况,如驱动控制、防抱制动等。

功能需求

 　整车控制器在汽车行驶过程中执行多项任务，具体功能包括：

（1）接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向各个部件控制器发送控制指令，使车辆按驾驶期望行驶。

（2）与电机、DC/DC、蓄电池组等进行可靠通讯，通过CAN总线（以及关键信息的模拟量）进行状态的采集输入及控制指令量的输出。

　　（3）接收处理各个零部件信息，结合能源管理单元提供当前的能源状况信息。

　　（4）系统故障的判断和存储，动态检测系统信息，记录出现的故障。

　　（5）对整车具有保护功能，视故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以关掉发电机及切断母线高压系统。

　　（6）协调管理车上其他电器设备。

工作模式

 　　一共有9个工作模式：

停车状态、充电状态、启动状态（也可以称为自检状态）、运行状态、车辆前进/后退状态、回馈制动状态、机械制动状态、一般故障状态、重大故障状态。

每个状态的具体含义如下：

  整车控制器系统

　　1、停车状态：

纯电动客车处于停车状态，此时系统的主继电器断电，系统中各个节点停止运行。

　　2、充电状态：

当纯电动客车在停车状态下，插上充电插头或者按下充电按钮时，整车控制器控制组合仪表显示电池充电状态，并对电池工作状态进行实时监测；电池ECU进入充电程序，并强制切断动力电机继电器的回路电源。

　　3、启动状态：

在整车控制器确认拔掉充电插头时，拨动汽车钥匙位置，这时系统中各个节点进入自检状态。

　　4、运行状态：

拨动汽车钥匙到指定位置，整车控制器向电机ECU发送准备开车指令；整车控制器收到就绪指令后，闭合主继电器，进入行车程序。

同时，电池ECU进入电池管理程序。

　　5、车辆前进、后退状态：

整车控制器通过对当前车辆功率的要求和蓄电池当前的状态计算并向电机控制器发出信号，动力电机控制器接收到方向信号和驱动转矩给定值信号后，控制动力电机进入运转状态，并根据方向信号确定动力电机的转向，以及根据驱动转矩给定值信号确定动力电机输出转矩的大小，控制电机的输出功率以实现动力性目标。

　　6、回馈制动状态：

当加速踏板回零而且制动踏板处于回馈制动区时，整车控制器发送符合回馈制动要求的负扭矩给电机ECU；电机ECU进入发电程序，电池ECU进入电池回馈管理程序。

　　7、机械制动状态：

制动踏板离开回馈制动区，电机ECU停止发电程序，整车控制器进入机械制动程序，电池ECU停止回馈。

　　8、一般故障状态：

ECU检测到一般故障，整车控制器报警（报警灯闪烁、通过CAN总线发送相关的报警信息，通知其他的节点），整个系统降级运行。

　　9、重大故障状态：

ECU报警（紧急情况采用紧急呼叫指令通知其他节点），必要时切断主继电器电源，系统停车。

特点

 　　*强大智能的微处理器

　　*高速低损耗同步整流PWM调制

　　*严格的电流限制和转矩控制[1]

　　*低电磁干扰，抗干扰、抗震动性能强

　　*故障指示灯指示各种故障,方便用户检测和维护

　　*设有电池保护功能：

当电池电压较低时会及时进行报警并进行电流衰减，过低时停止输出以保护电池

　　*美观并能快速散热的铝制带散热刺外壳

　　*镀了多层金属的铜制连接器，插拔式接头，防锈导电性能强

　　*设有过温保护功能：

当温度过高或过低时会自动进行电流衰减，以保护控制器和电池

　　*倒车时速度限制为全速的一半，以确保安全

　　*设有油门、刹车信号传感器开路检测及保护

　　*油门保护：

当打开钥匙时将检测油门信号，如果信号较高将不输出以保证安全

　　*电流倍增：

在绝大多情况下电机电流远大于电池电流

　　*安装简易：

使用一个2线0-5K油门电位器即可工作

　　*连接计算机串口可以对控制器进行配置，控制器配置程序可运行所有的Windows版本之上

规格

 　　*工作频率：

16.6KHz

　　*待机电流：

小于15mA

　　*标准踏板输入：

0-5K电阻±10%（也可用其它方式）

　　*全功率工作温度范围：

-30°C至90°C，100°C关机（控制器环境温度）

　　*1分钟工作电流：

200A/300A/400A/500A/600A

　　*3分钟工作电流：

150A/220A/300A/360A/420A

　　*连续工作电流：

120A/160A/200A/250A/300A

　　*主继电器驱动能力：

3A峰值及1A保持驱动

　　*电流指示表或喇叭输出：

200mA

　　多能源动力总成控制器的软件系统分为以下5个主要模块:

（1）系统初始化模块,主要完成CAN、定时器、系统状态参数的初始化工作,系统初始化是启动HCU正常运行的前提;

（2）CAN通迅模块,完成总线上各信息的接收,作为HCU制定控制策略的输入条件,同时将HCU的功率分配和系统控制策略发送到CAN总线上。

其它控制器接收到HCU控制信息后执行控制目标;

　　（3）定时器模块,按照通讯协议定时启动CAN信息的发送,同时给系统提供时间参量,用于总线故障监测模块中故障判断的时间参考,和在控制算法中的积分运算的时间基准;

　　（4）总线故障监测模块,按照通讯协议定时启动CAN信息的发送,同时负责定时检查线上各模块的通讯状况,一旦总线上同时由节点不能正常参与总线通讯则向系统发出报警信息;

　　（5）控制算法模块,控制算法模块负责制动整车的控制策略,它是整个HCU控制程序的核心。

控制算法模块主要包括系统工作模式判断、当前状态下的ISG功率需求分析、系统故障诊断,基于故障的ISG能量衰减控制和系统输出预备。

主要功能

 　　主要功能包括：

驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN网络的维护和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等。

某研究机构开发的主控制器照片如图2-9所示。

（1）汽车驱动控制

　　根据司机的驾驶要求、车辆状态等状况，经分析和处理，向电机控制器发出指令，满足驾驶工况要求。

包括启动、前进、倒退、回馈制动、故障检测和处理等工况。

（2）整车能量优化管理

　　通过对电动汽车的电机驱动系统、电池管理系统、传动系统以及其它车载能源动力系统（如空调）的协调和管理，以获得最佳的能量利用率。

[1]

（3）网络管理

　　整车控制器作为信息控制中心，负责组织信息传输，网络状态监控，网络节点管理等功能，网络故障诊断和处理。

（4）回馈制动控制

　　根据制动踏板和加速踏板信息、车辆行驶状态信息、蓄电池状态信息，向电机控制器发出制动指令，在不影响原车制动性能的前提下，回收部分能量。

（5）故障诊断和处理

　　连续监视整车电控系统，进行故障诊断。

存储故障码，供维修时查看。

故障指示灯指示出故障类别和部分故障码。

根据故障内容，及时进行相应安全保护处理。

对于不太严重的故障，能做到“跛行回家”。

（6）车辆状态监测和显示

　　主控制器通过传感器和CAN总线，检测车辆状态及其各子系统状态信息，驱动显示仪表，将状态信息和故障诊断信息经过显示仪表显示出来。

显示内容包括：

车速，里程，电机的转速、温度，电池的电量、电压、电流，故障信息等。

　　在纯电动轿车主控制器功能分析的基础上，选定微控制器作为处理器，并按功能把主控制器分为如下几个模块：

微控制器模块、数据采集模块（模拟和数字量）、功率驱动及保护模块、电源模块、通讯模块（CAN总线和RS－232接口）、仪表驱动和显示模块等。

　　启动钥匙、充电开关、空调开关、车辆模式、档位和制动位置等开关量信号经过防抖、隔离、电平转换和整型处理后，进入SIM的E口和F口由CPU定时读入。

应用

　　能源短缺、石油危机和环境污染愈演愈烈,给人们的生活带来巨大影响,直接关系到国家经济和社会的可持续发展。

因此,世界各国都在积极开发新能源技术。

电动汽车作为一种降低石油消耗、低污染、低噪声的新能源汽车,被认为是解决能源危机和环境恶化的重要途径。

混合动力汽车同时兼顾纯电动汽车和传统内燃机汽车的优势,在满足汽车动力性要求和续驶里程要求的前提下,有效地提高了燃油经济性,降低了排放,被认为是当前节能和减排的有效路径之一。

　　第二章针对我国城市公交车的驾驶循环特点,研制采用串联式结构的混合动力城市客车;根据汽车动力性要求和燃油经济性目标,对动力总成系统的关键部件参数进行匹配;同时研究了整车控制系统的网络结构和工作原理,分析了基于CAN（ControllerAreaNetwork）总线的通信机制和CAN总线节点的交互接口;研究了整车的运行状态逻辑和整车控制系统的工作步骤。

　　第三章以HFF6120GSHEV串联混合动力城市客车为对象,研制了核心控制部件——整车控制器。

从设计目标出发,详细地分析了整车控制器硬件电路的功能需求和性能要求,并根据设计需求,设计和实现了模块化的电路,同时兼顾工程性和系列化的需求,进行了EMC设计和可靠性设计。

　　第四章在所研制的整车控制器硬件电路的基础上,根据整车控制器的功能需求进行软件总体方案设计。

针对飞思卡尔MPC5534主控芯片的系统资源,根据模块化方法设计多种底层驱动软件。

从整车控制器的功能需求出发,设计了整车控制应用程序。

使用Codewarrior软件实现了整车控制器软件,并应用于HFF6120GSHEV串联混合动力城市客车。

　　第五章针对HFF6120GSHEV串联混合动力城市客车的动力总成系统方案,使用AVL公司的整车仿真软件cruise对其动力性指标进行仿真,验证动力总成系统方案的可行性。

同时,使用cruise软件对混合动力城市客车的能量分配控制策略和能量回收策略进行仿真,分析了能量分配控制策略和能量回收策略对整车燃油经济性和动力性的影响,给这两种控制策略的优化设计提供了参考,并预估了HFF6120GSHEV串联混合动力城市客车的燃油经济性指标。

整车控制器　　第六章对HFF6120GSHEV串联混合动力城市客车进行了实验室测试、试验场路试和公交路况路试等多项测试,测试结果表明,整车的动力性和燃油经济性满足设计目标。

对自主研发的整车控制器进行了全面的测试,包括功能、性能和长期工作的稳定性和可靠性,测试结果表明,整车控制器研制是成功的。

HFF6120GSHEV串联混合动力城市客车经过实践验证,具有良好的动力性、燃油经济性和排放特性。

目前,整车控制器应用于HFF6120GSHEV串联混合动力城市客车上,无故障运行超过15000公里,取得了良好的效果。

时间：

2021.01.01

创作：

欧阳美