電動汽車整車控制器設(shè)計及測試

電動汽車整車控制器設(shè)計及測試黃其;薛利昆;羅玲;王偉建【摘要】電動汽車無排放、低噪聲、乘坐舒適，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用.整車控制器VCU是電動汽車控制的中心，接收駕駛員的操作指令，實時監(jiān)控電池管理系統(tǒng)、電機系統(tǒng)和其它附件的狀態(tài),運算處理后將控制指令發(fā)給汽車各個部件.該文采用英飛凌XC2267M-單片機開發(fā)了電動汽車整車控制器，介紹了硬件結(jié)構(gòu)和主要程序功能;并根據(jù)其功能和信號類型設(shè)計了測試系統(tǒng)，包括信號板(開關(guān)量和模擬量輸入，輸出顯示)、USBCAN通信卡和LabVIEW上位機，上位機模擬各個部件收發(fā)CAN報文、同時顯示整車運行狀態(tài)，測試系統(tǒng)可以配合整車控制器完成各項性能測試.【期刊名稱】《自動化與儀表》【年(卷)，期】2019(034)003【總頁數(shù)】6頁(P14-18,37)【關(guān)鍵詞】整車控制器;英飛凌XC2267M;USBCAN;LabVIEW【作者】黃其;薛利昆;羅玲;王偉建【作者單位】國家精密微特電機工程技術(shù)研究中心，貴陽550081;西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072;西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072;西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072;西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，西安710072【正文語種】中文【中圖分類】U469.7電動汽車以電機為驅(qū)動機構(gòu)，與傳統(tǒng)燃油發(fā)動機汽車相比，起動力矩大、加速快，變速箱噪聲減少，行駛中沒有尾氣排放，應(yīng)用越來越廣泛［1］。電動汽車的三大核心部件為整車控制器VCU(vehiclecontrolunit)、電池管理系統(tǒng)BMS(batterymanagementsystem)和電機控制系統(tǒng)MCU(motorcontrolunit)，通過控制信號線束(通常采用CAN總線)和電力線束相互連接［2］，如圖1所示。整車控制器VCU接收駕駛員的操作指令，并實時監(jiān)控整車附件、電池系統(tǒng)及電機系統(tǒng)部件的狀態(tài)，向附件和電機系統(tǒng)發(fā)出控制指令。電池管理系統(tǒng)BMS主要完成電量檢測、保護、狀態(tài)預(yù)測、充放電控制、電流均衡等功能［3］。電機控制系統(tǒng)MCU是實現(xiàn)電能向汽車動能轉(zhuǎn)換的部件，主要完成行車、剎車、倒車、駐車等功能。三大核心部件都屬于獨立的電子系統(tǒng)，在進行整車組裝前都各自進行測試，通常采用硬件在回路仿真平臺，例如LabCar或dSPACE實時仿真系統(tǒng)［4-5］。但半實物仿真平臺系統(tǒng)復(fù)雜，信號采集設(shè)備成本高；而且車輛組裝完成后，測試系統(tǒng)不方便隨車進行現(xiàn)場測試。圖1電動汽車的三大核心部件Fig.1Threemajorcomponentsofelectricalvehicle根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本文采用汽車級單片機英飛凌XC2267M開發(fā)了電動汽車整車控制器，介紹了硬件結(jié)構(gòu)和程序功能；并設(shè)計了一套低成本、便攜式的測試系統(tǒng)，包括信號板(開關(guān)量和模擬量輸入，輸出顯示)、USBCAN通信卡和LabVIEW測試上位機，對整車控制器進行了相關(guān)測試。1整車控制器設(shè)計整車控制器是電動汽車的控制中心，一方面要識別駕駛員的操作指令，控制各執(zhí)行部件動作，轉(zhuǎn)化為車輛運動；另一方面要對車輛的各個部件(電池管理系統(tǒng)BMS、高壓柜DC/DC、電機控制器MCU、空調(diào)等)進行實時監(jiān)控，根據(jù)運行狀況作出警告或降功率保護處理［6］。1.1整車控制器處理硬件設(shè)計整車控制器的輸入信號主要是駕駛員的操作指令，包括檔位、鑰匙、充電機、以及油門和剎車踏板，還有高壓配電柜反饋信號；整車控制器的輸出信號主要是控制電機與電源母線通斷的接觸器，還有控制空調(diào)、助力轉(zhuǎn)向油泵、制動氣泵、冷卻水泵通斷的繼電器。整車控制器通過CAN總線與電機控制器、電池管理系統(tǒng)、儀表進行通信。根據(jù)整車控制器處理的信號內(nèi)容來設(shè)計硬件電路，主要由英飛凌XC2267M單片機最小系統(tǒng)電路、AD接口電路、開關(guān)量電平轉(zhuǎn)換電路、CAN總線通信電路組成，如圖2所示。英飛凌XC226x系列單片機的時鐘頻率為80MHz，擁有4個PWM單元，兩個快速10位ADC，6個串行接口（USIC通道）、6個CAN節(jié)點，可以運行在低功耗省電模式。整車控制器采用TJA1050芯片實現(xiàn)CAN總線通信、采用BTS724G芯片實現(xiàn)5V高邊驅(qū)動。整個電路板裝入金屬盒，再把金屬盒接地進行屏蔽，來提高整車控制器的抗干擾性能。圖2整車控制器的硬件結(jié)構(gòu)Fig.2HardwarestructureofVCU1.2整車控制器的軟件設(shè)計英飛凌XC2267M單片機可采用可視化芯片寄存器配置軟件Dave，直接生成project文件（包含主函數(shù)和各個模塊的子函數(shù)），能在其他編譯環(huán)境如keil或Tasking中打開。整車控制器的軟件主要完成上下電邏輯控制、故障識別及處理、電機請求轉(zhuǎn)矩控制等功能。1.2.1上下電邏輯控制上電時：汽車鑰匙被擰到ON位置，高壓控制柜就會將電池和電機控制器相互連接。為了防止高電壓電池對電機控制器的電流沖擊，就要控制預(yù)充接觸器和主正接觸器的開通順序：先接通主負(fù)接觸器和預(yù)充接觸器，讓預(yù)充功率電阻和電容來降低電流沖擊，待電容電壓升到電池電壓時再接通主正接觸器，隨后斷開預(yù)充接觸器，如圖3所示。斷電時：汽車鑰匙被擰到初始斷電位置，先斷開主正接觸器，再斷開主負(fù)接觸器。當(dāng)汽車連接到充電器時，鑰匙不能控制電池和電機控制器相互連接。圖3電池與電機的連接電路Fig.3ConnectioncircuitofBMSandMCU整車控制器控制的邏輯功能還包括車門開關(guān)、三檔（前進。、后退R、空擋N）切換、冷卻泵的啟動等，邏輯控制通常是各個接觸器按照一定的順序開通/關(guān)斷，宏定義為標(biāo)志位FLAG，前一個標(biāo)志位變化成為下一個標(biāo)志位變化的條件，條件通常是多個標(biāo)志位的與/或邏輯關(guān)系。上下電程序的流程如圖4所示。圖4上下電程序流程Fig.4FlowchartofRUN/STOP1.2.2故障識別及處理整車的故障包括系統(tǒng)通信掉線和部件異常。部件異常主要有電機控制器、電池管理系統(tǒng)、絕緣監(jiān)測儀、油泵、氣泵、高壓控制柜DC/DC。整車控制器的通信自檢在上電后首先被執(zhí)行，附件、電機、電池和整車控制器之間互相發(fā)LIFE值，LIFE值不斷自加（20ms一次）循環(huán)，當(dāng)目標(biāo)端前后兩次接收的LIFE值不變時，通訊異常，連續(xù)500ms通訊異常時就將通訊故障標(biāo)志位置1。整車故障分為4級，由高到低為1-4,其處理方式：1級故障斷開動力電池車輛停止，2級故障限功到60%,3級故障限功到30%,4級故障限制功率到15%,每級故障都會發(fā)送報警信息。特別注意當(dāng)電池BMS發(fā)生故障時，電池本身會做故障處理，降低放電電流達到限制功率的作用，此時為防止整車二次限功，可以采用取最小值的方法得到限制功率值Px和電機轉(zhuǎn)矩Tq請求值如下：式中：U為實時電壓；Irea為電池實時放電電流；Imax為電池最大放電電流；K為限功百分比；n為實時轉(zhuǎn)速；k為油門/制動踏板開度（范圍0~1）。1.2.3電機請求轉(zhuǎn)矩控制按照永磁同步電機的工作特性，基速以下采用恒轉(zhuǎn)矩模式，基速以上采用恒功率弱磁升速模式，這也是電動汽車電機的轉(zhuǎn)矩請求最大范圍。但實際中電機請求轉(zhuǎn)矩受電動汽車實際運行情況的限制，例如在驅(qū)動D檔條件下，車輛最大行駛速度80km/h，最大加速扭矩為1200NM，從0扭矩增至峰值時間需大于0.93s；當(dāng)車速快接近80km/h，請求轉(zhuǎn)矩就不能大大超過汽車行駛的阻力矩，以保證較低的加速度。由于電機工作在發(fā)電狀態(tài)的時間較短，而且頻繁短時的充電和放電對電池的壽命有影響，所以整車控制器將電機發(fā)電的能量消耗在功率電阻上。2基于LabVIEW的測試系統(tǒng)測試系統(tǒng)要提供車輛運行過程中的所有輸入信號，讓整車控制器對信號進行處理；同時測試系統(tǒng)要能顯示出整車控制器的所有輸出結(jié)果。本文采用圖形化編程軟件LabVIEW開發(fā)上位機軟件監(jiān)控測試結(jié)果，通過USBCAN卡與整車控制器進行數(shù)據(jù)通信，油門剎車踏板模擬外部輸入信號，信號板顯示輸出信號和中間變量，如圖5所示。圖5測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5TestingsystemofVCU2.1夕卜部信號的模擬整車控制器處理的信號有數(shù)字量和模擬量，其中油門和剎車信號為模擬量，其它信號均為數(shù)字信號，包括檔位、鑰匙、繼電器的通斷和反饋；根據(jù)通信速率不同、整車控制器的CAN總線通訊分為兩路：電機與整車控制器之間的高速CAN線，波特率500kbps；電池、儀表和整車控制器之間的低速CAN1線，波特率200kbps。CAN總線采用全雙工模式，可以同時進行數(shù)據(jù)收發(fā)，每路CAN總線可以掛多個節(jié)點node，每個節(jié)點有獨一的IP地址，通過IP地址將報文發(fā)到目的控制器。電機請求轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速、電池SOC、電機和電池的溫度狀態(tài)信息都是通過CAN總線傳輸。信號板給整車控制器發(fā)送開關(guān)量、也能顯示整車控制器的輸出開關(guān)量；油門和剎車踏板給整車控制器發(fā)送模擬量。上位機一方面收發(fā)CAN報文，模擬電機、電池或其它附件發(fā)送相應(yīng)報文；另一方面實時檢測各個部件的運行情況，并對整車控制器的中間變量和輸出進行顯示。為了方便測試整車VCU電路板信號流通性和程序的正確性，配合外部信號模擬輸入輸出，整車控制器程序?qū)顟B(tài)標(biāo)志位、中間變量和輸入輸出定義為CAN總線報文數(shù)據(jù)，以便在上位機軟件上觀察程序邏輯。2.2LabVIEW上位機LabVIEW操作界面由前面板、流程圖和圖標(biāo)/連結(jié)器組成，可以把某一功能的程序封裝成一個VI，VI之間可以相互調(diào)用。通用計算機連接USBCAN卡、裝好相關(guān)驅(qū)動程序，LabVIEW通過調(diào)用dll動態(tài)鏈接庫文件來實現(xiàn)外部通信［7］。本測試系統(tǒng)使用的USBCAN通信卡配有專用的ECanVic.dll文件，ECanVic.dll定義了接口庫函數(shù)和對應(yīng)結(jié)構(gòu)體，在LabVIEW的程序框圖將這些函數(shù)裝成一個CAN報文讀取VI，如圖6所示。圖6CAN報文讀取子VIFig.6MessagereadVI讀取VI接收到CAN報文后，測試系統(tǒng)需要進一步對這些數(shù)據(jù)進行分析和顯示。根據(jù)SAE美國汽車協(xié)會J1939協(xié)議，CAN總線報文包括兩部分，ID信息和數(shù)據(jù)部分［8］。按照數(shù)據(jù)幀的ID（標(biāo)識符）值，報文解釋VI對數(shù)據(jù)幀進行分類篩選，然后對其進行分析和顯示，如圖7所示。由于汽車運行的實際參數(shù)有些是帶小數(shù)位，而CAN報文傳輸?shù)陌l(fā)送值是正整數(shù)，用來提高數(shù)據(jù)處理精度和速度。實際值與發(fā)送值之間的關(guān)系為圖7報文解釋子VIFig.7MessageinterpretationVI3實驗內(nèi)容測試內(nèi)容主要包括三部分：硬件信號流通測試、模擬功能測試和現(xiàn)場行車測試。3.1硬件信號流通測試信號流通測試是為了檢測硬件電路板上各種元器件質(zhì)量是否正常、焊接是否正常、信號邏輯是否正常。將USBCAN卡的兩組CAN1和CAN2接口連接整車控制器的兩個CAN端口，將USBCAN卡的USB端接入計算機，打開ECantools軟件，接通整車控制器電源，查看整車控制器發(fā)出的各種CAN報文數(shù)據(jù)是否與通信協(xié)議定義的ID相同，用以判斷整車控制器是否正常工作。在確定通信正常后，打開上位機軟件，發(fā)送測試報文到整車控制器，觀察信號板上對應(yīng)的指示燈閃爍情況，用以判斷整車控制器的IO端口是否正常；先后踩下油門踏板和制動踏板，觀察整車控制器的ADC采樣否正常，如圖8所示。3.2邏輯功能測試圖8測試硬件電路Fig.8Hardwareoftestbench點開上位機監(jiān)控軟件的運行按鈕，相當(dāng)于汽車鑰匙擰到第一個位置ACC，上低壓電24V（整車控制器工作是在上完24V低壓之后），低壓器件如車燈、喇叭、儀表、行車記錄儀、雨刷等可以運行。鑰匙擰到第二個位置ON，主負(fù)接觸器閉合，然后預(yù)充接觸器閉合，電池給電機直流母線電容充電，功率電阻限制最大充電，待電機母線電壓大于電池總電壓90%后，主正接觸器閉合，同時預(yù)充接觸器斷開，然后接通DC/DC，油泵（助力轉(zhuǎn)向）開始工作，氣壓低時氣泵（剎車、車門的助力）打開，空調(diào)也可以打開。鑰匙擰到第三個位置START，會自動彈回ON，開始判斷READY信號，儀表盤上顯示READY后就可以選擇檔位，給電機發(fā)送轉(zhuǎn)矩請求，同時啟動水泵給電機和控制器進行冷卻。上位機顯示界面如圖9所示。圖9上位機監(jiān)控界面Fig.9Monitoringinterfaceofsupervisorycomputer當(dāng)鑰匙退回到ACC時，先斷開DC/DC、氣泵、油泵、空調(diào)，再斷開主正、主負(fù)接觸器；當(dāng)鑰匙退回到OFF時，斷開低壓24V。按照上述方法可以測試車門開關(guān)、三檔（前進。、后退R、空擋N）切換等邏輯功能。整車控制器在程序里定義了各種故障的標(biāo)志位FLAG，包含在CAN通信報文的數(shù)據(jù)位。故障測試通過上位機軟件模擬發(fā)送故障報文，整車控制器接收到報文后進行分類，判定故障等級，然后做出相應(yīng)的限制功率/轉(zhuǎn)矩請求。針對一款150kW電動汽車主驅(qū)永磁電機，整車控制器接收到實時電機轉(zhuǎn)速（上位機模擬電機控制器發(fā)送報文），根據(jù)式（3）計算出當(dāng)前最大請求轉(zhuǎn)矩，乘以油門或制動踏板開度系數(shù)就得到實際轉(zhuǎn)矩請求值。測試時將油門踏板踩到底，此時開度系數(shù)為1，模擬車速從0到最高車速，測試軟件繪出了整車控制器在正常情況下和二級故障下最大轉(zhuǎn)矩請求波形，如圖10所示。圖10正常情況和二級故障下的最大轉(zhuǎn)矩曲線Fig.10Normalconditionandsecondaryfailureoperationcurve現(xiàn)場測試時，電動汽車的各個部件（電機、電池、DCDC、儀表等）與整車控制器相連，互相收發(fā)信息，上位機只需將USBCAN連接到車輛上的CAN雙絞線就能檢測電動車輛的實時運行數(shù)據(jù)。目前此整車控制器已裝到8米通勤客車上試運行，使用裝有上位機軟件的便攜筆記本可以在各種實驗環(huán)境進行測試。4結(jié)語電動汽車整車控制器主要通過CAN總線與其它部件進行通信，英飛凌XC2267M單片機具有6個CAN節(jié)點，根據(jù)整車控制器外部接口和功能設(shè)計了硬件電路和程序，基于LabVIEW開發(fā)上位機，通過USBCAN實現(xiàn)上位機與整車控制器之間的通信。硬件信號流通測試驗證了整車控制器的硬件正確性，邏輯功能測試和故障