0 引言

    隨著能源危機(jī)和新能源汽車技術(shù)的發(fā)展，電動(dòng)乘用車和電動(dòng)客車均有長(zhǎng)足的進(jìn)步^[1，2]。輕型卡車具有基數(shù)大、使用范圍廣的特點(diǎn)，主要用于中短途運(yùn)輸，適合純電驅(qū)動(dòng)^[3]。伴隨著城市發(fā)展，機(jī)動(dòng)車數(shù)量增多，車輛尾氣排放、霧霾等環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到關(guān)注，部分城市對(duì)傳統(tǒng)車輛尤其是貨車限時(shí)、限行，而電動(dòng)卡車不受限，可以大大提高物流運(yùn)輸效率，具有廣大的市場(chǎng)潛力^[4，5]。

    與已經(jīng)推廣應(yīng)用的電動(dòng)乘用車和電動(dòng)客車相比，電動(dòng)輕型卡車(尤其是物流車、環(huán)衛(wèi)車等)有其獨(dú)特之處：統(tǒng)一購(gòu)買和規(guī)劃調(diào)度，使用中需實(shí)時(shí)獲取車輛信息；對(duì)運(yùn)行成本非常敏感，必須盡可能節(jié)能，延長(zhǎng)續(xù)駛里程；行駛道路多樣，日夜不分，工作環(huán)境惡劣；保養(yǎng)程度差，要求成本低，又必須滿足使用需求；附件裝配需求多樣化。因此，需要針對(duì)電動(dòng)輕型卡車的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)整車控制器^[6]。

    本文介紹電動(dòng)卡車整車控制器的研制，通過(guò)與電池管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、儀表等設(shè)備通信，綜合管理各部件，完成車輛驅(qū)動(dòng)、信息監(jiān)測(cè)、能量管理、故障處理等功能，同時(shí)達(dá)到所需求的性能。電動(dòng)卡車因其低噪聲、零排放、智能化等特點(diǎn)將在日漸發(fā)展的城市交通中占據(jù)一席之地。

1 電動(dòng)輕型卡車結(jié)構(gòu)

    電動(dòng)輕型卡車主要由整車控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、電池模組、電池管理系統(tǒng)、DC/DC變換器及儀表等構(gòu)成。整車控制器是核心，通過(guò)CAN總線對(duì)車輛各個(gè)模塊監(jiān)控和通信。

本型電動(dòng)輕型卡車的電機(jī)選用異步感應(yīng)電機(jī)，功率為20 kW（額定）/40 kW（峰值）。動(dòng)力電池采用磷酸鐵鋰電池，單體標(biāo)稱電壓3.2 V，標(biāo)稱容量5 Ah；總標(biāo)稱電壓320 V。儀表采用某型CAN總線電子儀表，符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

    電動(dòng)輕型卡車整車系統(tǒng)如圖1所示。

2 整車控制器的應(yīng)用需求

    整車控制器是整車控制的核心，它獲取車上傳感器的參數(shù)，捕捉駕駛員意圖，驅(qū)動(dòng)車輛；監(jiān)控車上部件的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。在電動(dòng)輕型卡車上，整車控制器主要完成以下任務(wù)：

    （1）車輛駕駛：采集司機(jī)的駕駛意圖，驅(qū)動(dòng)車輛；

    （2）網(wǎng)絡(luò)管理：監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)，信息調(diào)度，信息匯總，起網(wǎng)關(guān)作用；

    （3）輔助驅(qū)動(dòng)儀表，顯示車輛信息；

    （4）故障診斷處理：診斷傳感器、執(zhí)行器和系統(tǒng)其他部件故障并進(jìn)行相應(yīng)的故障處理，按照標(biāo)準(zhǔn)格式存儲(chǔ)故障碼；

    （5）在線配置和維護(hù)：通過(guò)車載標(biāo)準(zhǔn)CAN端口，進(jìn)行控制參數(shù)修改、匹配標(biāo)定、功能配置、監(jiān)控、調(diào)試；

    （6）能量管理：通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車車載耗能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和管理，獲得最佳的能量利用率；

    （7）功率分配：通過(guò)綜合車輛信息、電池和電機(jī)信息計(jì)算電機(jī)功率的分配，進(jìn)行車輛的驅(qū)動(dòng)控制和制動(dòng)能量回饋控制，從而獲得最佳駕駛性能；

    （8）坡道駐車輔助控制。

3 整車控制器硬件設(shè)計(jì)

    硬件系統(tǒng)是控制策略、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用軟件、調(diào)試標(biāo)定等軟件運(yùn)行的載體。

3.1 整車控制器硬件模塊結(jié)構(gòu)和核心元器件選擇

    整車控制器核心控制芯片應(yīng)具有較強(qiáng)的運(yùn)算能力，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；能夠采集各傳感器信號(hào)；能夠與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、儀表等進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)整車控制。核心控制芯片采用飛思卡爾16位微控制器MC9S-

12XEQ512MAG，專為汽車控制設(shè)計(jì)，工作溫度范圍寬，可靠性高。該控制器具有32 KB內(nèi)部RAM、512 KB片內(nèi)Flash存儲(chǔ)器、4 KB內(nèi)部EEPROM和32 KB片內(nèi)D-Flash存儲(chǔ)器，4路MSCAN外設(shè)用于CAN總線，2個(gè)12 bit A/D，6路SCI，3路SPI總線，2路IIC總線，總線時(shí)鐘最高可達(dá)40 MHz。

    整車控制器采用12 V電壓平臺(tái)，工作電壓范圍為9 V~16 V，并可通過(guò)硬件配置兼容24 V平臺(tái)。整車控制器設(shè)計(jì)有8路模擬輸入通道、18路數(shù)字開(kāi)關(guān)輸入通道、12路數(shù)字開(kāi)關(guān)輸出通道、2路脈寬調(diào)制輸出、3路隔離CAN通信接口、5 V外部傳感器供電輸出。整車控制器硬件原理框圖如圖2所示。

    整車控制器元器件幾乎全部采用汽車級(jí)器件，工作溫度范圍-40 ℃～125 ℃，具備汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 整車控制器硬件布局布線設(shè)計(jì)

    電動(dòng)卡車的工作環(huán)境差、保養(yǎng)程度低，整車控制器在設(shè)計(jì)時(shí)除了要注意原理圖的設(shè)計(jì)滿足功能需求，在PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）設(shè)計(jì)上也需要進(jìn)行特殊的處理，以達(dá)到高可靠性和較強(qiáng)的機(jī)械及電磁防護(hù)水平。

3.2.1 電路板材料設(shè)計(jì)

    整車控制器采用4層電路板設(shè)計(jì)，中間兩層是電源層和地層，保證了電源和地平面的穩(wěn)定；頂層和底層是器件布局和走線層，進(jìn)行加厚鋪銅設(shè)計(jì)，銅皮厚約35 μm，保證大電流通過(guò)能力，并增強(qiáng)了散熱能力。整體采用2 mm厚的基材，保證電路板剛性，提高抗形變能力。

3.2.2 電路板電磁兼容設(shè)計(jì)

    PCB四周采用過(guò)孔連接頂層、底層及中間層的地構(gòu)成地墻，裝配后處于外殼接縫處，可以阻隔溢出和滲入的電磁波；在頂層電路板的阻焊層添加裸露圍邊，俗稱“開(kāi)天窗”，與金屬外殼裝配時(shí)連接在一起，將地墻地和外殼地短接，增強(qiáng)電磁防護(hù)。

3.2.3 接口電路防護(hù)設(shè)計(jì)

    接口上，整車控制器在板端輸入和輸出端子入口處都設(shè)計(jì)了瞬態(tài)抑制二極管和EMI(Electromagnetic Interference，電磁干擾)濾波器件，防止電浪涌和電磁干擾并盡可能靠近外部接口。設(shè)計(jì)接口在電源電路上能夠承受1 500 W瞬時(shí)功率浪涌，在信號(hào)接口電路上能承受600 W瞬時(shí)功率浪涌，并抑制高頻EMI。接口電容電阻耐壓值大于等于50 V，保證了接口容阻器件的可靠。

3.2.4 外部材料物理性防護(hù)設(shè)計(jì)

    整車控制器采用鋁制沖壓外殼，抗沖擊能力強(qiáng)，質(zhì)量輕，易安裝。同時(shí)電路板接口采用汽車級(jí)接插件，具備IP65防護(hù)等級(jí)，從而保證了整車控制器外部接口物理結(jié)構(gòu)的可靠性。

4 整車控制器控制策略

4.1 整車協(xié)調(diào)控制

    整車控制器控制軟件采用有限狀態(tài)機(jī)編程結(jié)構(gòu)，以狀態(tài)為單元判斷事件并進(jìn)行相應(yīng)的處理；采用實(shí)時(shí)控制，采樣間隔1 ms；優(yōu)化底層驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，減少處理時(shí)間，為上層應(yīng)用程序的駕駛員意圖判斷、策略處理等提供支持。

    根據(jù)車輛運(yùn)行狀態(tài)，分為初始狀態(tài)、鑰匙ACC、鑰匙ON、預(yù)充電、就緒、空擋、前進(jìn)、倒退、錯(cuò)誤狀態(tài)等9個(gè)狀態(tài)（見(jiàn)圖3），控制邏輯在任意一個(gè)狀態(tài)只能根據(jù)相關(guān)約束條件跳轉(zhuǎn)到特定的其他狀態(tài)，在某一個(gè)特定狀態(tài)只能進(jìn)行特定的某些操作，從邏輯上防止了誤操作的可能性。

    車輛在鑰匙ON狀態(tài)打開(kāi)弱電開(kāi)關(guān)，就緒狀態(tài)表明高壓回路接通，車輛可以行駛，而前進(jìn)、空擋、倒退3個(gè)狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)的3個(gè)狀態(tài)，通過(guò)不同的驅(qū)動(dòng)策略對(duì)車輛進(jìn)行控制。當(dāng)鑰匙位于off擋，則為初始狀態(tài)，車輛切斷高壓和低壓電。

4.2 能量管理與優(yōu)化

    整車控制器控制策略的核心是根據(jù)駕駛員的操作分析其意圖，并結(jié)合車輛動(dòng)力能源和動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)際情況給出最符合當(dāng)前工況的輸出，以達(dá)到快速響應(yīng)駕駛員意圖、合理分配車輛動(dòng)力性能的目的。當(dāng)車輛處于驅(qū)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，需要進(jìn)行能量管理與優(yōu)化。

    整車控制器以控制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩為主，輸出轉(zhuǎn)矩與駕駛員動(dòng)作信號(hào)（加速踏板開(kāi)度、加速踏板開(kāi)關(guān)、制動(dòng)踏板開(kāi)關(guān)、擋位信號(hào)）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)（電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)溫度等）、能源系統(tǒng)狀態(tài)（蓄電池電壓、電流、最大充放電功率、電量）相關(guān)。

4.2.1 電機(jī)實(shí)際輸出功率與電池最大輸出功率限制的匹配策略

    該策略是為了最大限度地保護(hù)電池、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及整車功能的安全運(yùn)行。一方面，動(dòng)力電池在大功率充放電時(shí)，會(huì)影響到其使用壽命，甚至產(chǎn)生過(guò)流、過(guò)溫而導(dǎo)致電池管理系統(tǒng)報(bào)警、斷電，影響整車功能運(yùn)行。另一方面，經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)駕駛員并不期望電動(dòng)卡車具備高速、高靈敏性的加速踏板響應(yīng)，而更趨向于穩(wěn)定的加速和可靠的減速性能，以及盡可能長(zhǎng)的續(xù)駛里程。為此，需要根據(jù)電源系統(tǒng)的能力匹配電機(jī)輸出功率。

    本車使用電池標(biāo)稱持續(xù)充放電100 A，峰值放電150 A持續(xù)180 s。由于動(dòng)力電池大電流放電將會(huì)影響其實(shí)際的使用壽命和性能，根據(jù)車輛實(shí)際情況需要，需保證最大放電電流不超過(guò)100 A的持續(xù)放電能力，因此設(shè)定電池輸出功率不超過(guò)100 A×330 V=33 kW(實(shí)際電池電壓330 V)。

    根據(jù)實(shí)際輸出要求計(jì)算，當(dāng)電機(jī)峰值功率超過(guò)電池設(shè)定所能承受的功率時(shí)，需要對(duì)電機(jī)功率進(jìn)行匹配限制，具體表現(xiàn)在對(duì)其輸出轉(zhuǎn)矩的限制上：由于功率和輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算呈線性關(guān)系，將實(shí)際適應(yīng)功率按照實(shí)際比例減小，則T_r=T×33 kW/P，其中T_r為限制實(shí)際輸出的轉(zhuǎn)矩，T為當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的峰值轉(zhuǎn)矩，P為當(dāng)前轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的峰值功率。當(dāng)電機(jī)當(dāng)前功率沒(méi)有超過(guò)電池設(shè)定限制功率時(shí)，不進(jìn)行功率匹配限制，如圖4。

    由此限定動(dòng)力電池的持續(xù)工作輸出電流不會(huì)超過(guò)100 A，確保動(dòng)力電池保持在持續(xù)工作電流下工作，限制電池的過(guò)放電，提高動(dòng)力電池系統(tǒng)的使用效率和壽命。

4.2.2 駕駛員意圖修正策略

    加速踏板開(kāi)度需根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行分段校正，以得到不同開(kāi)度時(shí)的電機(jī)扭矩輸出限值。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行踏板開(kāi)度百分比對(duì)應(yīng)電機(jī)當(dāng)前最大輸出扭矩百分比進(jìn)行扭矩輸出。即T_d=N%×T_r，T_d為駕駛實(shí)際產(chǎn)生的扭矩輸出，N%為踏板開(kāi)度百分比，T_r是當(dāng)前轉(zhuǎn)速電機(jī)能夠輸出的最大限值的扭矩。

    隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，最大輸出扭矩會(huì)減小，如果加速踏板開(kāi)度不變，則車輛的驅(qū)動(dòng)力會(huì)逐漸減小，加速度降低，符合駕駛員駕駛習(xí)慣。

4.2.3 跛行時(shí)的限速控制策略

    當(dāng)檢測(cè)車輛故障需要進(jìn)入跛行時(shí)，調(diào)整電機(jī)實(shí)際輸出扭矩值，使其與車速產(chǎn)生負(fù)相關(guān)關(guān)系，車輛加速達(dá)到20 km/h后電機(jī)輸出扭矩為0，不能繼續(xù)加速，車速會(huì)被限制在小于20 km/h的一定范圍內(nèi)（與實(shí)際車況和路況有關(guān)），達(dá)到跛行的目的。

4.2.4 回饋制動(dòng)策略

    回饋制動(dòng)是電動(dòng)車，包括純電動(dòng)、混合動(dòng)力車的標(biāo)志性功能。其作用主要為回收部分電能以及輔助車輛制動(dòng)?；仞佒苿?dòng)需要注意：駕駛員的實(shí)際駕駛感覺(jué)；電池所能接受的最大回饋電流；電池電量不能過(guò)高，以免過(guò)度充電損害電池。

    在驅(qū)動(dòng)前進(jìn)狀態(tài)或驅(qū)動(dòng)后退狀態(tài)時(shí)，踩制動(dòng)踏板，電機(jī)進(jìn)入回饋制動(dòng)模式，與機(jī)械制動(dòng)一起提供制動(dòng)能力，其制動(dòng)力矩與當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。

    當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，能量回饋效率低且影響駕駛員的操作感受，故不進(jìn)行回饋制動(dòng)。電機(jī)在1 500 r/m～4 000 r/m之間時(shí)，設(shè)定恒定回饋扭矩為20 Nm，此區(qū)間是電機(jī)最經(jīng)常工作的區(qū)間。當(dāng)車輛速度提高至5 000 r/m以上時(shí)，結(jié)合機(jī)械制動(dòng)能力，回饋制動(dòng)扭矩不宜太大，以免影響駕駛員的駕駛感覺(jué)，因此設(shè)定為隨著轉(zhuǎn)速提高制動(dòng)扭矩從20 Nm線性遞減到8 Nm。

    該制動(dòng)策略目前在峰值時(shí)制動(dòng)功率約為8.5 kW，回饋電流約25 A，屬于輔助性的回饋制動(dòng)。

4.3 整車控制器故障分級(jí)策略

    整車控制器故障實(shí)施分級(jí)處理策略。當(dāng)出現(xiàn)需要維護(hù)但不緊急的故障時(shí)，響應(yīng)二級(jí)故障，整車控制器控制車輛進(jìn)入降功率運(yùn)行，即跛行，以避免損害加重。當(dāng)出現(xiàn)可能對(duì)人員和車輛造成嚴(yán)重?fù)p害的故障時(shí)，整車控制器響應(yīng)一級(jí)故障，需要馬上斷電停車。例如絕緣電阻小于80 kΩ或100 Ω/V時(shí)，整車控制器通知各個(gè)部件并切斷高壓電回路，車輛停機(jī)斷電等待維護(hù)人員維修。

5 整車控制器測(cè)試和應(yīng)用

    整車控制器在具備車輛ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)測(cè)試資質(zhì)的天津汽車檢測(cè)中心接受了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)QC/T413、GB/T17619、GB/T21437.2、GB/T18655相關(guān)的ECU測(cè)試，包括防護(hù)性能等級(jí)測(cè)試、過(guò)電壓測(cè)試、溫度循環(huán)測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試、鹽霧測(cè)試、電磁輻射抗擾性測(cè)試、電磁傳導(dǎo)抗擾測(cè)試、電磁騷擾特性測(cè)試。測(cè)試通過(guò)，滿足設(shè)計(jì)要求。

    控制器首先在某型0.9噸純電動(dòng)廂式運(yùn)輸車上應(yīng)用。該車整備質(zhì)量1 525 kg，額定載重量900 kg。整車調(diào)試階段進(jìn)行了500 km空載城市郊區(qū)路況和3 000 km滿載城市郊區(qū)路況實(shí)驗(yàn)，期間未出現(xiàn)故障，運(yùn)行情況良好。目前該車型已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段。

    本控制器還用在某型純電動(dòng)環(huán)衛(wèi)車上，該車整備質(zhì)量2 320 kg，額定載質(zhì)量2 040 kg。目前該車也已進(jìn)入量產(chǎn)階段。

    整車控制器量產(chǎn)驗(yàn)收需進(jìn)行黑盒測(cè)試。設(shè)計(jì)了測(cè)試工裝對(duì)整車控制器進(jìn)行功能性測(cè)試，對(duì)CAN總線、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出都進(jìn)行實(shí)際信號(hào)傳輸測(cè)試，外部利用LED燈指示模塊故障，工人可以在2 min內(nèi)迅速掌握測(cè)試工裝的使用，檢測(cè)量產(chǎn)控制器是否功能完好以及記錄故障和故障模塊位置。

    利用C#編寫(xiě)上位機(jī)監(jiān)控調(diào)試軟件可以實(shí)時(shí)監(jiān)控整車信息，方便工程人員調(diào)試車輛。

6 結(jié)論

    本文根據(jù)實(shí)際需求，提出了一種用于電動(dòng)輕型卡車的整車控制器的設(shè)計(jì)方案以及實(shí)現(xiàn)策略。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，在對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試和實(shí)車調(diào)試后，各項(xiàng)指標(biāo)滿足需求，表現(xiàn)出可靠的硬件性能和軟件性能。

    電動(dòng)汽車正在快速發(fā)展，其產(chǎn)品功能細(xì)分等越來(lái)越受到重視，本文所述整車控制器產(chǎn)品的成功實(shí)現(xiàn)能夠?yàn)榻窈蟾黝愲妱?dòng)汽車控制器的開(kāi)發(fā)提供借鑒和參考。

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