新能源汽車電控技術-1-整車控制系統(tǒng)基礎知識

新能源汽車電控技術授課教師:XXX

授課日期:20XXx月x日整車控制系統(tǒng)基礎知識Task1整車控制系統(tǒng)發(fā)展概述整車控制系統(tǒng)發(fā)展概述知識準備：

能源短缺、石油危機和環(huán)境污染越演越烈，給人們的生活帶來巨大影響，甚至影響到國家經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。因此，世界各國都在積極開發(fā)新能源技術。電動汽車作為一種降低石油消耗、低污染、低噪聲的新能源汽車，被認為是解決能源危機和環(huán)境惡化的重要成果。整車控制系統(tǒng)發(fā)展概述問題引導１:國外電動汽車整車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀是什么?整車控制器的開發(fā)包括軟、硬件設計。核心軟件一般由整車廠研發(fā)，硬件和底層驅動軟件可選擇由汽車零部件廠商提供。１)國外整車控制器技術趨于成熟國外大部分汽車企業(yè)在電動汽車領域積累充足，控制策略成熟度高，整車節(jié)油效果良好，控制器產(chǎn)品通過市場檢驗證實了其可靠性。２)汽車電子零部件企業(yè)積極開展整車控制器研發(fā)和生產(chǎn)制造。各汽車電子零部件巨頭，如德爾福、大陸、博世集團都紛紛進行整車控制器的研發(fā)和生產(chǎn)?部分汽車設計公司也為整車廠提供整車控制器技術方案，如ＡＶＬ、ＦＥＶ、ＲＩＣＡＲＤＯ等，在電動汽車整車控制器領域也有不少成功的案例。整車控制系統(tǒng)發(fā)展概述３)控制器日趨標準化?？刂破鞯臉藴驶岩鹣嚓P企業(yè)的關注，由全球汽車制造商、部件供應商、電子及半導體和軟件系統(tǒng)公司，聯(lián)合建立了汽車開放系統(tǒng)架構聯(lián)盟，形成了ＡＵＴＯＳＡＲ(汽車開放系統(tǒng)架構)標準，簡化了開發(fā)流程并使ＥＣＵ軟件具有復用性，是控制器開發(fā)的一個趨勢。整車控制系統(tǒng)發(fā)展概述問題引導２:國內電動汽車整車電子控制系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀是什么?“８６３”計劃中我國整車控制器主要是以高校為依托進行研究，如清華大學、同濟大學、北京理工大學等，目前已初步掌握了整車控制器的軟、硬件開發(fā)能力。產(chǎn)品功能較為完備，基本可以滿足電動汽車需求，已經(jīng)應用到樣車及小批量產(chǎn)品上。部分整車企業(yè)與國外公司進行合作，如ＦＥＶ、ＲＩＣＡＲＤＯ等公司通過聯(lián)合開發(fā)，吸收國外相關技術和經(jīng)驗，增強自主開發(fā)能力，目前各廠家基本掌握整車控制器開發(fā)技術，但技術積累有限，水平參差不齊。我國控制器硬件水平與國外存在一定差距，產(chǎn)業(yè)化能力相對不足。大部分企業(yè)推出量產(chǎn)電動汽車產(chǎn)品時更傾向于選擇國外整車控制器硬件供應商。另外，控制器基礎硬件、開發(fā)工具等基本依賴進口?？傮w來講，控制器產(chǎn)品技術水平和產(chǎn)業(yè)化能力與國外仍有較大差距。整車控制系統(tǒng)發(fā)展概述我國整車控制器存在的主要問題:１)應用軟件方面多數(shù)停留在功能實現(xiàn)，軟件診斷功能、整車安全控制策略、監(jiān)控功能均有待優(yōu)化和提高。２)我國電動汽車處于樣車研發(fā)和示范運行階段，基礎數(shù)據(jù)庫不完善，影響整車控制器的設計水平。３)部分企業(yè)能根據(jù)Ｖ型開發(fā)流程(一種軟件和產(chǎn)品開發(fā)工具)引進相關的設備和軟件，普遍使用通用開發(fā)工具進行二次開發(fā)，現(xiàn)有工具偏重于前期開發(fā)，缺少用于生產(chǎn)制造和售后服務的工具，不利于產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。整車控制系統(tǒng)發(fā)展概述４)國內企業(yè)能夠完成整車控制器硬件結構設計，但由于我國芯片集成力量比較薄弱?制造能力較差，可靠性和穩(wěn)定性仍有很大的提升空間。５)目前各整車企業(yè)控制器接口和網(wǎng)絡通信協(xié)議定義互不相通，造成控制器之間的通用性和復用性差，不利于控制器的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?。Task2整車控制系統(tǒng)結構組成介紹整車控制系統(tǒng)結構組成介紹問題引導１:整車控制系統(tǒng)的結構組成有哪些?電動汽車驅動系統(tǒng)包括幾種不同的能量和儲能元件(燃料電池、內燃機或其他熱機、動力電池或超級電容)，在實際工作過程中包括了化學能、電能和機械能之間的轉化，電動汽車動力系統(tǒng)能流圖如圖１-１所示。整車控制系統(tǒng)結構組成介紹電動汽車動力系統(tǒng)的部件都有控制器，為分布式分層控制提供了基礎?分布式分層控制可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的拓撲分離和功能分離。整車控制系統(tǒng)結構組成介紹電動汽車分層結構控制系統(tǒng)如圖1-2所示。最底層是執(zhí)行層，由部件控制器和一些執(zhí)行單元組成,其任務是正確執(zhí)行中間層發(fā)送的指令，這些指令通過CAN總線進行交互,并且有一定的自適應和極限保護功能。整車控制系統(tǒng)結構組成介紹中間層是協(xié)調層，也就是整車控制器(ＶＭＳ),它的主要任務是一方面根據(jù)駕駛人的各種操作和汽車當前的狀態(tài)解釋駕駛人的意圖;另一方面根據(jù)執(zhí)行層的當前狀態(tài),做出最優(yōu)的協(xié)調控制。最高層是組織層,由駕駛人或者制動駕駛儀來實現(xiàn)車輛控制的閉環(huán).整車控制系統(tǒng)結構組成介紹電動汽車整車控制系統(tǒng)結構圖如圖１-３所示。整車控制系統(tǒng)結構組成介紹問題引導２:整車控制器的結構組成有哪些?1、整車控制器構成（圖1-4）整車控制器即動力總成控制器，是整個汽車的核心控制部件，它采集加速踏板信號、制動踏板信號及其他部件信號并做出相應判斷后，控制下層的各部件控制器的動作，驅動汽車正常行駛。整車控制系統(tǒng)結構組成介紹作為汽車的指揮管理中心，其主要功能包括:驅動力矩控制、制動能量的優(yōu)化控制、整車的能量管理、ＣＡＮ網(wǎng)絡的維護和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態(tài)監(jiān)視等，它起著控制車輛運行的作用，因此，ＶＭＳ的優(yōu)劣直接影響著整車性能。整車控制器是純電動汽車整車控制系統(tǒng)的核心部件，它對汽車的正常行駛、再生能量回收、網(wǎng)絡管理、故障診斷與處理、車輛的狀態(tài)與監(jiān)視等功能起著關鍵的作用。為滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換量大，實時性、可靠性要求高的特點，整個分布式控制系統(tǒng)之間采用ＣＡＮ總線進行通信。整車控制系統(tǒng)結構組成介紹目前，較主流的電動汽車整車控制系統(tǒng)都采用ＣＡＮ總線通信連接，這樣不僅大大提高了控制的效率和穩(wěn)定性，而且能實現(xiàn)數(shù)字控制。電動汽車驅動電機、電池等執(zhí)行動力部分的狀態(tài)信號被發(fā)送到ＣＡＮ總線，最終傳輸?shù)斤@示終端提供給駕駛人，以便實現(xiàn)整車控制。整車控制器通過相關傳感器采集駕駛人駕駛信號，通過ＣＡＮ總線獲得電機和電池系統(tǒng)的相關信息，進行分析和運算，通過ＣＡＮ總線給出電機控制和電池管理指令，實現(xiàn)整車驅動控制、能量優(yōu)化控制和制動回饋控制。另外，整車控制器還具有組合儀表接口功能，可顯示整車狀態(tài)信息，具備完善的故障診斷和處理功能以及整車網(wǎng)關及網(wǎng)絡管理功能。整車控制系統(tǒng)結構組成介紹2、整車控制器開發(fā)在傳統(tǒng)的控制單元開發(fā)流程中，通常采用串行開發(fā)模式，即首先根據(jù)應用需要提出系統(tǒng)需求并進行相應的功能定義，然后進行硬件設計，使用匯編語言或Ｃ語言進行面向硬件的代碼編寫，隨后完成軟、硬件和外部接口集成，最后對系統(tǒng)進行測試標定，現(xiàn)在的開發(fā)多采用Ｖ模式開發(fā)流程(圖1-5)。整車控制系統(tǒng)結構組成介紹第一步，功能定義和離線仿真。第二步，快速控制器原型和硬件開發(fā)。第三步，目標代碼生成。第四步，硬件在環(huán)仿真。第五步，調試相標定。Task3整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹知識準備：整車控制系統(tǒng)主要包括微控制器(ＭＣＵ)、模擬量輸入和輸出、開關量調節(jié)、繼電器驅動、高低速ＣＡＮ總線、電源等模塊。整車控制器對各個環(huán)節(jié)進行管理、協(xié)調和監(jiān)控，以提高整車能量利用效率，確保安全性和可靠性。問題引導１:整車控制系統(tǒng)的工作原理是什么?整車控制系統(tǒng)的各功能模塊簡要說明如下。１)開關量調節(jié)模塊。用于開關輸入量的電平轉換和整形，其一端與多個開關量傳感器相連，另一端與微控制器相接。２)繼電器驅動模塊。用于驅動多個繼電器，其一端通過光隔離器與微控制器相連，另一端與多個繼電器相接。３)高速ＣＡＮ總線接口模塊。用于提供高速ＣＡＮ總線接口，其一端通過光隔離器與微控制器相連，另一端與系統(tǒng)高速ＣＡＮ總線相接，主要處理實時性要求高的信號，如電機轉速信號。整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹４)低速ＣＡＮ總線接口模塊。用于提供低速ＣＡＮ總線接口，其一端通過光隔離器與微控制器相連，另一端與系統(tǒng)低速ＣＡＮ總線相接，主要處理對實時性要求不是很高的信號，如燈光控制。５)電源模塊。電源模塊可為微處理器和各輸入和輸出模塊提供隔離電源，并對蓄電池電壓進行監(jiān)控，與微控制器相連。６)模擬量輸入和輸出模塊。可采集0~5Ｖ模擬信號，并可輸出０~4.095Ｖ的模擬電壓信號。７)脈沖信號輸入和輸出模塊?？刹杉}沖信號并調節(jié)，范圍為1~20kHz，幅度為６~５０Ｖ；輸出ＰＷＭ信號，范圍為１~１０ｋＨｚ，幅度為０~１４Ｖ。整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹８)故障和數(shù)據(jù)存儲模塊。存儲器可以存儲標定的數(shù)據(jù)和故障碼、車輛特征參數(shù)等，容量為32K。整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹問題引導２:整車控制系統(tǒng)的功能有哪些?純電動汽車整車控制系統(tǒng)通常解決與汽車功能要求有關的問題，而這些問題僅依靠通常的機械系統(tǒng)是難以解決的。各種整車控制系統(tǒng)往往是相互關聯(lián)的，如果不考慮這種相關性，任何一個控制系統(tǒng)都會出現(xiàn)非所預期的結果。新能源汽車整車控制系統(tǒng)是有層次的，一般可以分成３個層次。整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹第一層是車輛綜合控制系統(tǒng)；第二層是各個子系統(tǒng)，如制動控制系統(tǒng)、轉向控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)和動力傳動裝置控制系統(tǒng)等；車輛前后、左右４個制動裝置或４個懸架裝置的控制系統(tǒng)則屬于第三層。整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹1、整車控制系統(tǒng)對車輛性能的影響(1)動力性和經(jīng)濟性整車控制系統(tǒng)決定發(fā)動機和電動機轉矩的輸出，直接關系到汽車動力性能，影響駕駛人的操縱感覺；燃料電池轎車和客車有兩個或兩個以上的能量來源，在汽車實際行駛過程中，整車控制器實施控制能量源之間的能量分配，從而實現(xiàn)整車能量的優(yōu)化，獲得較高的經(jīng)濟性。

(2)安全性燃料電池轎車和客車上包括氫氣瓶、動力電池等能量儲存單元和動力總線，電動機及其控制器等強電環(huán)節(jié)，除了原有的車輛安全性問題(如制動和操作穩(wěn)定性)之外，還增加了高壓電安全和氫安全等新的安全隱患。整車控制器必須從整車的角度及時檢測各部件的工作狀態(tài)，并對可能出現(xiàn)的危險進行及時處理，以保證成員和車輛的安全。整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹(３)駕駛舒適性及整車的協(xié)調控制采用整車控制器管理汽車上的各部件工作，可以整合汽車上各項功能，如自動巡航、ＡＢＳ、自動變速等，實現(xiàn)信息共享和全局控制，改善駕駛舒適性。整車控制器根據(jù)駕駛人操作信號進行駕駛意圖解釋，根據(jù)各部件和整車工作的狀態(tài)進行整車安全管理和能量分配決策，通過ＣＡＮ總線向部件ＥＣＵ發(fā)送命令，并通過硬件資源驅動整車安全操作和儀表顯示。整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹2、整車控制系統(tǒng)的功能(１)改善乘坐舒適性。良好的乘坐舒適性表現(xiàn)為車輛在任何路面行駛時。無論轉向和側向運動時顛簸和沖擊都較小。(２)車輛行駛時的姿態(tài)控制。控制車輛在轉向、制動和加速時的側傾、縱傾等運動，以保證駕駛人有最舒適的車輛水平位置。(３)保證有高的操縱性和穩(wěn)定性。無論在何種速度下都能保證車輛的操縱性和穩(wěn)定性。(４)提高行駛能力極限(５)自適應操縱系統(tǒng)整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹3、整車控制器功能說明純電動汽車整車控制器基本具備以下功能:(１)對汽車行駛控制的功能。整車控制器對采集的駕駛人操作信息進行正確的分析處理，來實現(xiàn)駕駛人的意圖。(２)整車的網(wǎng)絡化管理。整車控制器是電動汽車眾多控制器中的一個，是ＣＡＮ總線中的一個節(jié)點。在整車網(wǎng)絡管理中，整車控制器是信息控制的中心，負責信息的組織與傳輸、網(wǎng)絡狀態(tài)的監(jiān)控、網(wǎng)絡節(jié)點的管理以及網(wǎng)絡故障的診斷與處理。(３)制動能量回饋控制。整車控制器根據(jù)加速踏板和制動踏板的開度以及動力電池的ＳＯＣ值來判斷某一時刻能否進行制動能量回饋。整車控制系統(tǒng)工作原理和功能介紹(４)整車能量管理和優(yōu)化。