文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.2016.06.018
中文引用格式： 白爽，黃俊增，石春，等. 電動輕型卡車整車控制器的設計與應用[J].電子技術應用，2016，42(6)：67-70.
英文引用格式： Bai Shuang，Huang Junzeng，Shi Chun，et al. Design and application of vehicle control unit for an electric light-truck[J].Application of Electronic Technique，2016，42(6)：67-70.
0 引言
隨著能源危機和新能源汽車技術的發展，電動乘用車和電動客車均有長足的進步[1，2]。輕型卡車具有基數大、使用范圍廣的特點，主要用于中短途運輸，適合純電驅動[3]。伴隨著城市發展，機動車數量增多，車輛尾氣排放、霧霾等環境問題越來越受到關注，部分城市對傳統車輛尤其是貨車限時、限行，而電動卡車不受限，可以大大提高物流運輸效率，具有廣大的市場潛力[4，5]。
與已經推廣應用的電動乘用車和電動客車相比，電動輕型卡車(尤其是物流車、環衛車等)有其獨特之處：統一購買和規劃調度，使用中需實時獲取車輛信息；對運行成本非常敏感，必須盡可能節能，延長續駛里程；行駛道路多樣，日夜不分，工作環境惡劣；保養程度差，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，需要針對電動輕型卡車的特點開發整車控制器[6]。
本文介紹電動卡車整車控制器的研制，通過與電池管理系統、驅動電機系統、儀表等設備通信，綜合管理各部件，完成車輛驅動、信息監測、能量管理、故障處理等功能，同時達到所需求的性能。電動卡車因其低噪聲、零排放、智能化等特點將在日漸發展的城市交通中占據一席之地。
1 電動輕型卡車結構
電動輕型卡車主要由整車控制器、驅動電機、電機控制器、電池模組、電池管理系統、DC/DC變換器及儀表等構成。整車控制器是核心，通過CAN總線對車輛各個模塊監控和通信。
本型電動輕型卡車的電機選用異步感應電機，功率為20 kW（額定）/40 kW（峰值）。動力電池采用磷酸鐵鋰電池，單體標稱電壓3.2 V，標稱容量5 Ah；總標稱電壓320 V。儀表采用某型CAN總線電子儀表，符合相關國家標準。
電動輕型卡車整車系統如圖1所示。
2 整車控制器的應用需求
整車控制器是整車控制的核心，它獲取車上傳感器的參數，捕捉駕駛員意圖，驅動車輛；監控車上部件的運行情況，實時對車輛狀態進行調整。在電動輕型卡車上，整車控制器主要完成以下任務：
（1）車輛駕駛：采集司機的駕駛意圖，驅動車輛；
（2）網絡管理：監控通信網絡，信息調度，信息匯總，起網關作用；
（3）輔助驅動儀表，顯示車輛信息；
（4）故障診斷處理：診斷傳感器、執行器和系統其他部件故障并進行相應的故障處理，按照標準格式存儲故障碼；
（5）在線配置和維護：通過車載標準CAN端口，進行控制參數修改、匹配標定、功能配置、監控、調試；
（6）能量管理：通過對電動汽車車載耗能系統的協調和管理，獲得最佳的能量利用率；
（7）功率分配：通過綜合車輛信息、電池和電機信息計算電機功率的分配，進行車輛的驅動控制和制動能量回饋控制，從而獲得最佳駕駛性能；
（8）坡道駐車輔助控制。
3 整車控制器硬件設計
硬件系統是控制策略、網絡驅動、應用軟件、調試標定等軟件運行的載體。
3.1 整車控制器硬件模塊結構和核心元器件選擇
整車控制器核心控制芯片應具有較強的運算能力，保證系統的實時性；能夠采集各傳感器信號；能夠與電機控制器、電池管理系統、儀表等進行通信，實現整車控制。核心控制芯片采用飛思卡爾16位微控制器MC9S-
12XEQ512MAG，專為汽車控制設計，工作溫度范圍寬，可靠性高。該控制器具有32 KB內部RAM、512 KB片內Flash存儲器、4 KB內部EEPROM和32 KB片內D-Flash存儲器，4路MSCAN外設用于CAN總線，2個12 bit A/D，6路SCI，3路SPI總線，2路IIC總線，總線時鐘最高可達40 MHz。
整車控制器采用12 V電壓平臺，工作電壓范圍為9 V~16 V，并可通過硬件配置兼容24 V平臺。整車控制器設計有8路模擬輸入通道、18路數字開關輸入通道、12路數字開關輸出通道、2路脈寬調制輸出、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器件，工作溫度范圍-40 ℃～125 ℃，具備汽車級標準。
3.2 整車控制器硬件布局布線設計
電動卡車的工作環境差、保養程度低，整車控制器在設計時除了要注意原理圖的設計滿足功能需求，在PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）設計上也需要進行特殊的處理，以達到高可靠性和較強的機械及電磁防護水平。
3.2.1 電路板材料設計
整車控制器采用4層電路板設計，中間兩層是電源層和地層，保證了電源和地平面的穩定；頂層和底層是器件布局和走線層，進行加厚鋪銅設計，銅皮厚約35 μm，保證大電流通過能力，并增強了散熱能力。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 電路板電磁兼容設計
PCB四周采用過孔連接頂層、底層及中間層的地構成地墻，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“開天窗”，與金屬外殼裝配時連接在一起，將地墻地和外殼地短接，增強電磁防護。
3.2.3 接口電路防護設計
接口上，整車控制器在板端輸入和輸出端子入口處都設計了瞬態抑制二極管和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。設計接口在電源電路上能夠承受1 500 W瞬時功率浪涌，在信號接口電路上能承受600 W瞬時功率浪涌，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設計
整車控制器采用鋁制沖壓外殼，抗沖擊能力強，質量輕，易安裝。同時電路板接口采用汽車級接插件，具備IP65防護等級，從而保證了整車控制器外部接口物理結構的可靠性。
4 整車控制器控制策略
4.1 整車協調控制
整車控制器控制軟件采用有限狀態機編程結構，以狀態為單元判斷事件并進行相應的處理；采用實時控制，采樣間隔1 ms；優化底層驅動編寫，減少處理時間，為上層應用程序的駕駛員意圖判斷、策略處理等提供支持。
根據車輛運行狀態，分為初始狀態、鑰匙ACC、鑰匙ON、預充電、就緒、空擋、前進、倒退、錯誤狀態等9個狀態（見圖3），控制邏輯在任意一個狀態只能根據相關約束條件跳轉到特定的其他狀態，在某一個特定狀態只能進行特定的某些操作，從邏輯上防止了誤操作的可能性。
車輛在鑰匙ON狀態打開弱電開關，就緒狀態表明高壓回路接通，車輛可以行駛，而前進、空擋、倒退3個狀態分別對應驅動的3個狀態，通過不同的驅動策略對車輛進行控制。當鑰匙位于off擋，則為初始狀態，車輛切斷高壓和低壓電。
4.2 能量管理與優化
整車控制器控制策略的核心是根據駕駛員的操作分析其意圖，并結合車輛動力能源和動力系統的實際情況給出最符合當前工況的輸出，以達到快速響應駕駛員意圖、合理分配車輛動力性能的目的。當車輛處于驅動狀態時，需要進行能量管理與優化。
整車控制器以控制電機輸出轉矩為主，輸出轉矩與駕駛員動作信號（加速踏板開度、加速踏板開關、制動踏板開關、擋位信號）、電機驅動系統狀態（電機轉速、電機溫度等）、能源系統狀態（蓄電池電壓、電流、最大充放電功率、電量）相關。
4.2.1 電機實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電池、電機驅動系統以及整車功能的安全運行。一方面，動力電池在大功率充放電時，會影響到其使用壽命，甚至產生過流、過溫而導致電池管理系統報警、斷電，影響整車功能運行。另一方面，經過調查發現駕駛員并不期望電動卡車具備高速、高靈敏性的加速踏板響應，而更趨向于穩定的加速和可靠的減速性能，以及盡可能長的續駛里程。為此，需要根據電源系統的能力匹配電機輸出功率。
本車使用電池標稱持續充放電100 A，峰值放電150 A持續180 s。由于動力電池大電流放電將會影響其實際的使用壽命和性能，根據車輛實際情況需要，需保證最大放電電流不超過100 A的持續放電能力，因此設定電池輸出功率不超過100 A×330 V=33 kW(實際電池電壓330 V)。
根據實際輸出要求計算，當電機峰值功率超過電池設定所能承受的功率時，需要對電機功率進行匹配限制，具體表現在對其輸出轉矩的限制上：由于功率和輸出轉矩計算呈線性關系，將實際適應功率按照實際比例減小，則Tr=T×33 kW/P，其中Tr為限制實際輸出的轉矩，T為當前轉速對應的峰值轉矩，P為當前轉速對應的峰值功率。當電機當前功率沒有超過電池設定限制功率時，不進行功率匹配限制，如圖4。
由此限定動力電池的持續工作輸出電流不會超過100 A，確保動力電池保持在持續工作電流下工作，限制電池的過放電，提高動力電池系統的使用效率和壽命。
4.2.2 駕駛員意圖修正策略
加速踏板開度需根據電機轉速進行分段校正，以得到不同開度時的電機扭矩輸出限值。在此基礎上進行踏板開度百分比對應電機當前最大輸出扭矩百分比進行扭矩輸出。即Td=N%×Tr，Td為駕駛實際產生的扭矩輸出，N%為踏板開度百分比，Tr是當前轉速電機能夠輸出的最大限值的扭矩。
隨著電機轉速上升，最大輸出扭矩會減小，如果加速踏板開度不變，則車輛的驅動力會逐漸減小，加速度降低，符合駕駛員駕駛習慣。
4.2.3 跛行時的限速控制策略
當檢測車輛故障需要進入跛行時，調整電機實際輸出扭矩值，使其與車速產生負相關關系，車輛加速達到20 km/h后電機輸出扭矩為0，不能繼續加速，車速會被限制在小于20 km/h的一定范圍內（與實際車況和路況有關），達到跛行的目的。
4.2.4 回饋制動策略
回饋制動是電動車，包括純電動、混合動力車的標志性功能。其作用主要為回收部分電能以及輔助車輛制動。回饋制動需要注意：駕駛員的實際駕駛感覺；電池所能接受的最大回饋電流；電池電量不能過高，以免過度充電損害電池。
在驅動前進狀態或驅動后退狀態時，踩制動踏板，電機進入回饋制動模式，與機械制動一起提供制動能力，其制動力矩與當前電機轉速有關。
當轉速較低時，能量回饋效率低且影響駕駛員的操作感受，故不進行回饋制動。電機在1 500 r/m～4 000 r/m之間時，設定恒定回饋扭矩為20 Nm，此區間是電機最經常工作的區間。當車輛速度提高至5 000 r/m以上時，結合機械制動能力，回饋制動扭矩不宜太大，以免影響駕駛員的駕駛感覺，因此設定為隨著轉速提高制動扭矩從20 Nm線性遞減到8 Nm。
該制動策略目前在峰值時制動功率約為8.5 kW，回饋電流約25 A，屬于輔助性的回饋制動。
4.3 整車控制器故障分級策略
整車控制器故障實施分級處理策略。當出現需要維護但不緊急的故障時，響應二級故障，整車控制器控制車輛進入降功率運行，即跛行，以避免損害加重。當出現可能對人員和車輛造成嚴重損害的故障時，整車控制器響應一級故障，需要馬上斷電停車。例如絕緣電阻小于80 kΩ或100 Ω/V時，整車控制器通知各個部件并切斷高壓電回路，車輛停機斷電等待維護人員維修。
5 整車控制器測試和應用
整車控制器在具備車輛ECU(Electronic Control Unit，電子控制單元)測試資質的天津汽車檢測中心接受了國家標準QC/T413、GB/T17619、GB/T21437.2、GB/T18655相關的ECU測試，包括防護性能等級測試、過電壓測試、溫度循環測試、振動測試、鹽霧測試、電磁輻射抗擾性測試、電磁傳導抗擾測試、電磁騷擾特性測試。測試通過，滿足設計要求。
控制器首先在某型0.9噸純電動廂式運輸車上應用。該車整備質量1 525 kg，額定載重量900 kg。整車調試階段進行了500 km空載城市郊區路況和3 000 km滿載城市郊區路況實驗，期間未出現故障，運行情況良好。目前該車型已經進入量產階段。
本控制器還用在某型純電動環衛車上，該車整備質量2 320 kg，額定載質量2 040 kg。目前該車也已進入量產階段。
整車控制器量產驗收需進行黑盒測試。設計了測試工裝對整車控制器進行功能性測試，對CAN總線、信號輸入、信號輸出都進行實際信號傳輸測試，外部利用LED燈指示模塊故障，工人可以在2 min內迅速掌握測試工裝的使用，檢測量產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#編寫上位機監控調試軟件可以實時監控整車信息，方便工程人員調試車輛。
6 結論
本文根據實際需求，提出了一種用于電動輕型卡車的整車控制器的設計方案以及實現策略。根據設計方案，在對樣機進行測試和實車調試后，各項指標滿足需求，表現出可靠的硬件性能和軟件性能。
電動汽車正在快速發展，其產品功能細分等越來越受到重視，本文所述整車控制器產品的成功實現能夠為今后各類電動汽車控制器的開發提供借鑒和參考。
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