双轴双电机驱动电动汽车整车控制器开发

来源:用户上传      作者:

　　摘  要： 为解决单电机驱动电动汽车动力性和经济性不能同时兼备的不足，设计开发了双轴双电机驱动电动汽车。针对双轴驱动电动汽车动力构型的特点，开发一款基于MC9S12XEP100单片机为控制核心的整车控制系统。在分析整车控制器功能需求的基础上，设计了整车控制器的硬件电路，开发了整车控制软件。实车测试结果为0～30 km/h加速时间为3.25 s， 0～50 km/h加速時间为6.5 s，最高车速可以大于100 km/h。实车测试表明所开发的整车控制器达到了设计指标的要求。
　　关键词： 电动汽车; 双轴双电机驱动; 整车控制器; MC9S12XEP100单片机; 硬件设计; 软件开发
　　中图分类号： TN876?34; U469.72                    文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2020）01?0140?03
　　Development of dual?axis dual?motor?driven electric vehicle control unit
　　SONG Zhenbin， LI Junwei， SUN Binbin， WANG Peijin
　　Abstract： To deal with the deficiency that the power and economical efficiency of the single?motor?driven electric vehicle could not be satisfied both， a dual?axis dual?motor?driven electric vehicle is designed and developed. According to the power configuration characteristics of the dual?axle dual?motor?driven electric vehicle， a vehicle control system with MC9S12XEP100 microcontroller as the control core is developed. Based on the analysis of the functional requirements of the vehicle control unit， the hardware circuit of the vehicle control unit is designed and the vehicle control software is developed. The results of real vehicle test show that when the speed is in the range of 0～30 km/h， the acceleration time is 3.25 s; when the speed is in the range of 0～50 km/h， the acceleration time is 6.5 s; the maximum speed can be greater than 100 km/h. The real vehicle test show that the vehicle control unit developed meets the requirements of design indicators.
　　Keywords： electric vehicle; dual?axis dual?motor drive; vehicle controller; MC9S12XEP100 microcontroller; hardware design; software development
　　0  引  言
　　目前市面上纯电动汽车的动力构型大多采用单电机单轴驱动的构型方式，这种动力构型的驱动电机一般是根据车辆行驶时所需求的最大功率进行匹配的[1?3]。车辆在低速小负载行驶时，驱动电机运行于低速低效率区，使得整车的效率降低。因此，单电机驱动的电动汽车所匹配的电机虽然能够满足整车动力性的要求，但经济性会受到影响。对于电动汽车来说，由于传动系统的简化，则完全可以方便地设计成前后轴各安装一个功率相对较小的驱动电机的构型方案。当整车需求功率较低时，采用单电机驱动模式，避免了常规电动汽车单电机驱动时电机效率低下的情况发生，提高了整车的经济性;当整车需求功率较高时，采用前后轴双电机联合驱动模式，满足整车动力性的需求。双电机双轴驱动电动汽车由于其具有良好的动力性和经济性，已成为电动汽车的研究热点[4?5]。对于双电机双轴驱动电动汽车来说，整车控制器软硬件的开发直接决定了电动汽车的整车性能。
　　1  双轴驱动电动汽车动力构型
　　针对单电机驱动纯电动汽车存在的不足，结合现有条件，开发了一款双轴双电机驱动电动汽车。该电动汽车构型的主要部件为：
　　1） 能量源部分，整车装备一个锂电池包，自带电池管理系统（Battery Management System，BMS），以并联方式给两路电机系统供电[6]。
　　2） 动力源部分，整车前后轴分别匹配了大小相同的交流异步电机，每个电机使用独立的电机控制器（Motor Control Unit，MCU）。
　　3） 电控部分，整车控制器（Vehicle Control Unit，VCU）作为整车控制的核心部件，通过采集整车及各部件的运行状态，制定合理的控制策略控制整车运行。 　　该构型主要有以下优点：在驱动时，可以通过单、双电机的切换使电机工作在效率较高的区间，避免了单电机电动汽车低负荷功率冗余以及效率偏低的缺陷，可以兼顾车辆的动力性和经济性;在制动时，前后轴电机同时进行制动能量回收，可以实现能量回收的最大化，提高了能量的利用效率，同时也提高了整车的续驶里程;当某一个电机发生故障时，整车仍可以工作在单电机模式，避免了单电机车辆“抛锚”现象的发生[7]。
　　2  控制器硬件设计
　　整车控制器包括软件和硬件两部分，硬件是软件开发及运行的基础。因此，开发功能强大、可靠性高的整车控制器硬件对整车控制软件的开发意义重大[8]。
　　2.1  整车控制器功能需求分析
　　整车控制器是整车控制的核心部件，在开发整车控制器硬件之前必须明确该控制器的功能和资源需求，通过对整车需求分析可知，整车控制器的主要功能包括：
　　1） 采集包括加速踏板、制动踏板、档位等车辆的有关信息，获取驾驶员的驾驶意图，确定车辆行驶模式，执行整车控制策略。
　　2） 整车上电时，整车控制器需要获取电机的预充电状态;整车行驶时，整车控制器需要获取电机温度、电池荷电状态（State of Charge，SOC）等信息;仪表显示的数据也需要来自整车控制器。因此在车辆行驶过程中，需要整车控制器和各个部件之间进行实时的数据交换，在目前技术条件下，各控制单元的信息交互主要是通过CAN总线实现。
　　3） 本文的研究对象是双电机双轴驱动电动汽车，单、双电机实时切换的工作模式可使整车兼顾好的经济性、动力性和安全性，单、双电机的切换以及驱动转矩的分配是需要整车控制器根据驾驶员意图和各部件状态做出判断和控制，驱动模式的切换以及能量管理是整车控制器的核心内容之一。
　　4） 整车控制器应根据整车及各部件的工作状态，确定整车是否处于故障模式，并进行相应的跛行或停车处理。该功能是保障整车安全运行的必备功能。
　　根据以上功能的分析，并结合整车的结构配置，可得到整车控制器的硬件结构框图，如图1所示。系统主要以MC9S12XEP100单片机为控制核心，外围电路主要包括：电源电路、开关量输入电路、模拟量输入电路、CAN通信电路和低端驱动电路。
　　2.2  整车控制器主要电路模块设计
　　1） 开关量采集模块
　　一般，纯电动汽车上都有开关量信号，分为高有效和低有效两种，相应的采集电路也有高有效采集电路和低有效采集电路，图2a）和图2b）分别为高有效和低有效开关量采集电路原理图。
　　高有效信号采集电路：开关类输入信号电压为12 V时为有效信号，由于12 V的电压信号超过了单片机管脚所能处理的范围，需要对输入信号进行分压处理。使用100 nF的电容滤去电路上的杂波干扰信号。为了避免静电放电对电路造成的损坏，静电防护电路选用BAV99防静电二极管，可以有效将正的静电荷通过电源泄放出去，将负的静电荷通过地泄放出去，实现对电路的静电防护。最后信号经反相施密特触发器进行处理，以便获得规范的开关量信号。
　　低有效信号采集电路：开关类输入信号电压为0 V时为有效信号，首先在电路的起始端加一个上拉电阻，当输入端悬空时提供一个稳定的输入电平。同时，该类信号频率较低，应使用RC低通滤波电路去除开关因抖动产生的干扰信号。同样，使用了BAV99防静电二极管进行保护，最后信号经反相施密特触发器进行处理，以便获得规范的开关量信号。
　　2） 低端驱动模块
　　为满足主控制器低端驱动输出的需求，选用Infineon公司的TLE7230型智能八通道低端驱动开关芯片。该芯片提供串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI）用于8个DMOS开关的控制，同时也可用于故障信息的读取。输出端外接的二极管和电容是感性负载的续流回路。该芯片具有良好的过载、过热、过压保护功能[9]。低端驱动电路原理图如图3所示。
　　3  整车控制器软件设计
　　从钥匙开关打开，VCU根据MCU、BMS及自身等整车各部件的工作状态，控制整车高压上电，若高压上电失败，车辆将无法行驶，若高压上电成功，则表明车辆启动成功。车辆启动后，VCU根据驾驶员意图和整车各部件状态，控制驱动电机输出扭矩，驱动车辆行驶。在车辆行驶过程中，VCU实时检测整车故障状态，若有故障，则会执行相应的故障处理程序。具体的软件执行流程如图4所示。
　　4  实车测试
　　整车控制器设计完成后，对实车进行了全油门加速性能测试和最高车速测试[10]，测试结果如图5所示。
　　从图5可以看出，0～30 km/h加速时间为3.25 s，0～50 km/h加速时间为6.5 s。由于场地限制，本测试中最高车速为99 km/h，但从测试结果可以看出，车辆在到达该车速后仍具有一定的加速能力，所以可确定该车的最高车速可以大于100 km/h，满足设计要求。
　　5  结  论
　　本文针对双轴驱动电动汽车动力构型的特点及其性能特征，设计开发的整车控制器工作稳定、安全可靠，实现了双轴驱动电动汽车整车控制器所要求的驾驶意图识别、能量优化与管理、整车数据共享以及故障诊断等功能。在实车上对开发的整车控制器进行了全油门加速性能测试和最高车速测试。实车测试结果表明本文所开发的整车控制器达到了设计指标的要求，为设计开发双轴驱动电动汽车整车控制器提供了重要的参考依据。
　　注：本文通讯作者为李军伟。
　　参考文献
　　[1] ZHANG C， ZHANG S， HAN G， et al. Power management comparison for a dual?motor?propulsion system used in a battery electric bus [J]. IEEE transactions on industrial electro?nics， 2017， 64（5）， 3873?3882.
　　[2] 孙宾宾，高松，王鹏伟，等.基于电机损耗机理的双电机四轮驱动电动车转矩分配策略的研究[J].汽车工程，2017，39（4）：386?393.
　　[3] 刘德春.双电机构型纯电动轿车动力系统匹配与控制策略研究[D].长春：吉林大学，2014.
　　[4] 林程，彭春雷，曹万科.独立驱动电动汽车稳定性的滑模变结构控制[J].汽车工程，2015，37（2）：132?138.
　　[5] 高青云，李刚.双电机独立驱动方程式赛车建模仿真分析[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2018，38（2）：111?115.
　　[6] SAKHDARI B， AZAD N L. An optimal energy management system for battery electric vehicles [J]. IFAC papers online， 2015， 48（15）： 86?92.
　　[7] 曾禹乔.双电机驱动的纯电动汽车性能优化[D].成都：西南交通大学，2017.
　　[8] 张玉稳.电动洒水车整车控制器开发[D].淄博：山東理工大学，2015.
　　[9] Anon. TLE7230G， smart octal low?side switch [EB/OL]. [2003?1?11]. https：//wenku.baidu.com/view/92763fcc2cc58bd63186bd2d.html
　　[10] 孙瑞，施国梁.电动车控制器自动测试系统的设计与实现[J].现代电子技术，2013，36（9）：136?139.
　　作者简介：宋振斌（1995—），男，山东淄博人，硕士研究生，研究方向为汽车电子电器。
　　李军伟（1964—），男，河南平顶山人，博士，教授，研究方向为汽车电控技术。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15122172.htm