微型电动汽车整车控制器设计分析与研究

摘 要：世界资源紧张的程度不断加剧，人们对于化石能源的使用不仅会造成环境破坏和污染，引发能源危机。汽车是人们主要出行工具和能源消耗大户，为了减少能源消耗，电动汽车成为了当前的研究热点问题。本篇文章基于微型电动汽车探讨整车控制器设计，首先分析电动汽车的基本结构，以及控制系统方案设计，提出控制器的电源、硬件、软件方面的设计。

关键词：电动汽车；控制系统；整车控制器

1 前言

化石能源是当今世界消耗能源的主流，具有不可再生的特征。随着人们对能源不加节制地开采，石油储量越来越少。根据IEA的统计数据，到2020年在交通运输领域消耗的石油量占总石油消耗量的62%以上。我国正处于高速发展的阶段，同时又是贫油国，对于石油能源的依赖较大。在此形势下，研发微型电动汽车，降低我国交通出行占用的石油量具有重要现实意义。

2 电动汽车基本结构

按照驱动原理和技术水平，电动汽车可以分为纯电动、混合动力、插电式混合动力、燃料电池电动汽车四种。微型电动汽车的结构设计需要考虑力学性能，它的优良程度决定了整辆汽车的性能。当车辆处于行驶状态，由电池向电机提供能力，以此克服在电动汽车行进过程中的内部和外部阻力。因此，汽车整车控制器设计，需要根据电动汽车的驱动方式以及力学性能进行动力系统结构设计。

电动汽车动力系统包括整车控制器（VCU）、电机及控制器（ECU）、电池与电池管理系统（BMS）等，同时根据电机的安装位置，动力系统结构可以分为集中电机驱动、多电机驱动[1]。

集中电机驱动方式，与传统汽车的动力结构相似，将石油供能换为电能，以电机代替发动机。车辆的驱动模式与传统汽车相似，主要是从电机传输电到减速器、差速器，从而实现车轮转动。这种驱动方式的电动汽车，可以直接借鉴传统汽车的动力系统结构，不需要做太大的结构性改变，动力控制策略相对简单，也是当前市场上电动汽车的动力系统结构。

多电机驱动，则是在电动汽车中安装多个电机，按照需要设计安装位置，能够支持多样化的驱动模式。这种结构设计强调电机的独立性，相比集中电机驱动方式机械结构较少，有效改善电机性能，但是控制难度也随之增加。

3 电动汽车整车控制系统方案设计

3.1 控制器方案

整车的控制器功能支持电动汽车的电机控制器状态、能量管理信息采集以及驾驶员的操作质量。这样的设计，能够在车辆行驶过程中根据多个部分汇集的信息，反馈给电机控制器，实现最优能量配置方案。

对于整车控制器的功能定义，有以下几点：1、感知驾驶员的操作意图，根据电动汽车的点火开关、制动踏板、档位开关等信息判断驾驶员操作意图；2、驱动管理，根据驾驶员操作意图，控制器向电源管理系统、辅助系统发送运行指令；3、能量管理和回收，对于整车的驾驶状态，合理地安排电能供给，以此判断当前需要机械刹车或是再生制动操作；4、网络通信，利用CAN、232、485的通讯接口，实现上位机、被控系统网络通信；5、安全管理，判断电动汽车当前出现的障碍类型（电气故障、机械故障），并发出相应的警示信息，使电动汽车在复杂多变的环境下维持运行安全与可靠。整车控制在电动汽车中发挥信号收集中心的作用，采集来自踏板、档位、车速传感器等部位的信号，然后综合处理后发送相应的操作指令到对应子系统[2]。

考虑电动汽车的功能需求，定义控制器功能，以及信号采集和发出，适应各类信号采集能力，确保被控系统与上位机的网络通信状况良好，能够及时将驾驶者操作意图反馈到被控设备中。

3.2 驱动与再生制动控制策略

电动汽车驱动控制，主要对电机控制实现，即根据驾驶员的操作意图形成电机转矩和转速输出方案，从而让车辆行进过程符合安全要求的力学性能，了解驱动控制研究的核心内容。由于道路和天气环境变化，电动汽车的工作环境和状态也随之变化，因此驾驶员的操作意图呈现随机变化的情况，整车控制器无法预测合适的电机控制策略。针对这一情况，设想不同驾驶条件的电机控制策略，使得驾驶员改变驾驶状态时，能够快速响应控制改变力学性能。

根据电动汽车的工作特点，划分为启动、一般驾驶、经济驾驶、动力驾驶、倒车、应急驾驶六种驱动模式。对应电动汽车驾驶的常见场景，通过设置固定的动力和电机电能输送，实现控制。

例如，启动模式的控制，主要发生在电动汽车点火开关时开始到车速达到相应速度时结束，本次设计方案将车速初步定义为10km/h。当汽车从其他驱动模式转为低速起步，也可视作汽车处于启动模式状态。在启动模式下，汽车首先对整车进行自检，如电池、电机、刹车状态检测，发现无误后向驾驶员提示可以正常起步。

3.3 控制通信網络搭建

电动汽车的控制器局域网（CAN）作为通信网络的结构，在此网络结构下信息的传输速率达到1Mb/s的串行数据通信总线。本次设计方案采用的CAN总线协议为J1929标准，通讯速率达到250kb/s。同时为总线系统配置多个电子控制单元（ECU），彼此之间共享信息，以此满足电动汽车行驶过程中对信息的灵活控制要求。

采取CAN总线的设置，基于优先权多主方式，发送数据不包含发送、接收节点物理地址，能够在不破坏线路竞争的前提下，完成线路数据交换。同时设置发送数据节点优先级，当线路两个节点同时发送数据，可以根据优先级的排列发送数据[3]。

通信网络拓扑结构基于SAEJ1939协议，综合控制系统由多个子系统组合而成，根据功能定义分布在电动汽车的相应位置，以此解决过于复杂的子系统分布，增加布线难度的问题。同时采用总线控制系统结构，以更简洁的拓扑结构，保证各项操作指令能够及时响应和发出。根据被控制对象的不同，CAN总线网络分为高速CAN和低速CAN，前者主要应对电动汽车驱动性能、网关、BMS系统等子系统的通信需要；后者主要对非关键子系统设备的通信，如电动门窗、智能仪表等设备能接入到网络中。

4 能源管理系统以及控制器软硬件设计

4.1 电源系统设计

采用可变容锂电池组设计，即利用单体电池通过一定的技术手段，与其他单体电池组成容量更大的电池，同时单体电池之间通过一定的保护处理，满足其在负载状态下，仍能满足电流、电压供给需求。通过这样的设置，不仅实现大功率能量储存，还能避免峰谷电压因用电需求下降对电路的损害。

电池成组结构如下：单体电池→单体电池→电池模块→电池串→电池堆。连接方式为：并联→串联→并联→串并联。尽管电池成组技术已有了一定的发展，也切实应用到电动汽车设计中，但在实际操作中限于安全的因素，不能安装过大容量的电池，因此限制了续航因素。

超级电容是介乎于电解质电容、电化学电容之间的储能装置，相比其他传统电池，能够利用静电极化电解溶液存储能量，同时支持多达十万次、百万次的充放电次数，具有非常大的电容储电量。

针对电池成组技术限制，采用超级电容混合电源的设计，将两个能量源组合作为储能设备使用，一个具有较高能量密度，另一个具有较高功率密度。

4.2 硬件电路设计

整车控制器的芯片采用STM32F205，这款芯片基于ARM核心，具有512K字节闪存的32位微控制器。控制器通过它实现电源转换、驾驶员操作指令采集、开关信号输出、CAN总线网络通讯等。

本次设计方案的电源电池电压为48V，辅助电池电压为24V，电机为整车提供动力的电压为48V，而24V的电源则主要为控制系统提供能量的作用，为了满足更细化的控制需求，还需要12V、5V、3.3V的电源电压。其中12V电压主要为动力电源的继电器提供能量；5V的电源主要为光电隔离电路、模拟量采集等提供工作电流；3.3V主要为控制芯片STM32F205及其外围电路供电。因此硬件电路设计，需要预留相应的电路接口。

数据处理电路设计，利用控制芯片STM32F205的数据I/O口，在每个GPI/O端口配置两个32位配置寄存器、数据寄存器，一个32位置位/复位寄存器，一个16位复位寄存器，一个32位锁定寄存器。通过这样的配置，控制芯片具有三个12位ADC，且每个ADC共享16个多路通道，通过它可以进行数据转换和信号采集。为了保证信号传输的稳定性、准确性，对输入信号滤波处理。

4.3 软件设计

为了保证电动汽车行进过程的各項操作指令能够及时响应，需要对整车控制器软件进行设计，以此实现特定功能和控制策略。基于STM32F205的芯片，编程环境为RVMDK3.80A，采用ARM公司推出的嵌入式软件开发工具。

系统自检流程，在电动汽车打火开关的时候，自动对整车控制子系统进行检测，确认CAN通讯状态正常，无高压漏电、电机系统、电池系统故障等情况，若是发现问题，则自动将故障信号传递给下一级程序。驱动控制流程，则根据电动汽车的驾驶模式，制定相应的控制策略，因此开发识别当前驱动模式的程序，从而将驾驶结果反馈给控制系统。

5 结论

综合上述，在世界能源紧张的形势下，电动汽车获得良好的发展机遇。为了保证电动汽车的性能和续航，通过通信网络搭建、控制策略、硬件电路设计等手段，强化混合电源能量控制和管理策略，实现可持续发展。

参考文献：

[1]陈鑫，兰凤崇，陈吉清，等.微型电动汽车悬架系统设计与平顺性分析[J].重庆理工大学学报（自然科学），2018，32（08）：24-31.

[2]郑玉卿，朱西产，董学勤，等.微型电动汽车转向管柱支撑结构耐撞性设计[J].汽车工程，2018，40（05）：528-535.

[3]刘宗巍，马雨晴，郝瀚，等.微型短途电动汽车产品电池类型选择的成本量化对比研究[J].汽车工程学报，2018，8（03）：157-167.