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随着能源危机和新能源汽车技术的发展 ,电动乘用车和电动客车均有长足的进步。轻型卡车具有基数大、使用范围广的特点，主要用于中短途运输，适合纯电驱动。伴随着城市发展，机动车数量增多，车辆尾气排放、雾霾等环境问题越来越受 到关注 ，部分城市对传统车辆尤其是货车限时、限行，而电动卡车不受限，可以大大提高物流运输效率，具有广大的市场潜力。与已经推广应用的电动乘用车和电动客车相比 ，电动轻型卡车 ( 尤其是物流车 、环卫车等 ) 有其独特 之处 ：统一购买和规划调度，使用中需实时获取车辆信息；对运行成本非常敏感，必须尽可能节能，延长续驶里程；行驶道路多样，日夜不分，工作环境恶劣；保养程度差，要 求成本低，又必须满足使用需求；附件装配需求多样化。因此，需要针对电动轻型卡车的特点开发整车控制器 。 本文介绍电动卡车整车控制器的研制，通过与电池管理系统、驱动电机系统、仪表等设备通信，综合管理各部件，完成车辆驱动、信息监测、能量管理、故障处理 等功能，同时达到所需求的性能。电动卡车因其低噪声、零排放、智能化等特点将在日渐发展的城市交通中占据一席之地。 一、电动轻型卡车结构 电动轻 型卡车主要由整车控制器 、驱动电机 、电机控制器、电池模组、电池管理系统、DC/DC 变换器及仪表等构成。整车控制器是核心，通过 CAN 总线对车辆各个模块监控和通信。本型电动轻型卡车的电机选用异步感应电机，功率为 20 kW （额定） /40 kW （峰值）。 动力电池采用磷酸铁锂电池，单体标称电压 3.2 V ，标称容量 5Ah ；总标称电压320 V 。仪表采用某型 CAN总线电子仪表 ，符合相关国家标准。电动轻型卡车整车系统如下图 1 所示。 图1 电动轻型卡车整车系统示意图 二、整车控制器的应用需求 整车控制器是整车控制的核心，它获取车上传感器的参数，捕捉驾驶员意图，驱动车辆；监控车上部件的运行情况，实时对车辆状态进行调整。在电动轻型卡车上，整车控制器主要完成以下任务： （ 1 ）车辆驾驶：采集司机的驾驶意图，驱动车辆； （ 2 ）网络管理：监控通信网络，信息调度，信息汇总，起网关作用； （ 3 ）辅助驱动仪表，显示车辆信息； （ 4 ）故障诊断处理：诊断传感器、执行器和系统其他部件故障并进行相应的故障处理，按照标准格式存储故障码； （ 5 ）在线配置和维护 ：通过车载标准CAN端 口 ，进行控制参数修改、匹配标定、功能配置、监控、调试； （ 6 ）能量管理：通过对电动汽车车载耗能系统的协调和管理，获得最佳的能量利用率； （ 7 ）功率分配：通过综合车辆信息、电池和电机信息计算电机功率的分配，进行车辆的驱动控制和制动能量回馈控制，从 而获得最佳驾驶性能； （ 8 ）坡道驻车辅助控制。 三、整车控制器硬件设计 硬件系统是控制策略、网络驱动、应用软件、调试标定等软件运行的载体。 3.1 整车控制器硬件模块结构和核心元器件选择整车控制器核心控制芯片应具有较强的运算能力，保证系统的实时性 ；能够采集各传感器信号 ；能够 与电机控制器、电池管理系统、仪表等进行通信，实现整车控制。 核心控制芯片采用飞思卡尔 16 位微控制器 MC9S-12XEQ512MAG ，专为汽车控制设计，工作温度范围宽，可靠性高 。 该控制器具有32KB内部RAM、 512KB 片内Flash 存储器、 4 KB 内部 EEPROM 和 32 KB 片内 D-Flash存储器，4路MSCAN外设用于CAN总线， 2个12 bit A/D ，6 路SCI，3路SPI总线，2 路IIC 总线，总线时钟最高可达40 MHz 。整车控制器采用12V电压平台 ，工作电压范围为9 V~16 V ，并可通过硬件配置兼容 24 V平台。整车控制器设计有8路模拟输入通道、18 路数字开关输入通道 、12 路数字开关输出通道 、2路脉宽调制输出、3路隔离CAN 通信接口、5 V 外部传感器供电输出 。 整车控制器硬件原理框图如图 2 所示。 图2 整车控制器硬件原理框图 整车控制器元器件几乎全部采用汽车级器件，工作温度范围 -40 ℃～125 ℃ ，具备汽车级标准。 3.2 整车控制器硬件布局布线设计 电动卡车的工作环境差 、保养程度低 ，整车控制器在设计时除了要注意原理图的设计满足功能需求，在PCB（ Printed Circuit Board ，印制电路板）设计上也需要进行特殊的处理，以达到高可靠性和较强的机械及电磁防护水平。 3.2.1 电路板材料设计 整车控制器采用4层电路板设 计 ，中间两层是电源层和地层 ，保证了电源 和地平面的稳定 ；顶层和底层是器件布局和走线层，进行加厚铺铜设计 ，铜皮厚约35μm，保证大电流通过能力，并增强了散热能力。整体采用 2 mm 厚的基材，保证电路板刚性，提高抗形变能力。 3.2.2 电路板电磁兼容设计 PCB 四周采用过孔连接顶层 、底层及中间层的地构成地墙，装配后处于外壳接缝处 ，可以阻隔溢出和渗入的电磁波；在顶层电路板的阻焊层添加裸露围边 ，俗称“开天窗”，与金属外壳装配时连接在一起 ，将地墙地和外壳地短接，增强电磁防护。 3.2.3 接口电路防护设计 接口上，整车控制器在板端输入和输出端子入口处都设计了瞬态抑制二极管和 EMI(Electromagnetic Interfer-ence ，电磁干扰 ) 滤波器件，防止电 浪涌 和电 磁干扰 并尽可能靠近外部接口。设计接口在电源电路上能够承受1500W瞬时功率浪涌，在信号接口电路上能承受600 W瞬时功率浪涌，并抑制高频 EMI 。 接口电容电阻耐压值大于等于 50 V ，保证了接口容阻器件的可靠。 3.2.4 外部材料物理性防护设计 整车控制器采用铝制冲压外壳， 抗冲击能力强，质量轻，易安装。同时电路板接口采用汽车级接插件，具备IP65 防护等级，从而保证了整车控制器外部接口物理结构的可靠性。 四、整车控制器控制策略 4.1 整车协调控制 整车控制器控制软件采用有限状态机编程结构 ，以状态为单元判断事件并进行相应的处理 ；采用实时控制，采样间隔 1 ms ；优化底层驱动编写，减少处理时间，为上层应用程序的驾驶员意图判断 、策略处理等提供支持。根据车辆运行状态 ，分为初始状态 、钥匙ACC 、钥匙ON 、预充电 、就绪 、空挡 、前进 、倒退 、错误状态等9个状态（见下图 3 ），控制逻辑在任意一个状态只能根据相关约束条件跳转到 特定的其他状态 ，在某一个特定状态只能进行特定的某些操作 ，从逻辑上防止了误操作的可能性。 图3 软件状态机示意图 车辆在钥匙 ON 状态打开弱电开关，就绪状态表明高压回路接通，车辆可以行驶，而前进、空挡 、倒退3个状态分别对应驱动的3个状态，通过不同的驱动策略对车辆进行控制。 当钥匙位于 off 挡，则为初始状态，车辆切断高压和低压电。 4.2 能量管理与优化 整车控制器控制策略的核心是根据驾驶员的 操 作分析其意图，并结合车辆动力能源和动力系统的实际情况给出最符合当前工况的输出，以达到快速响应驾驶员意图、合理分配车辆动力性能的目的。当车辆处于驱动状态时，需要进行能量管理与优化。整车控制器以控制电机输出转矩为主，输出转矩与驾驶员动作信号（加速踏板开度、加速踏板开关、制动踏板开关 、挡位信号 ）、电机驱动系统状态 （电机转速 、电机温度等 ）、能源系统状态（蓄电池电压 、电流 、最大充放电功率、电量）相关。 4.2.1 电机实际输出功率与电池最大输出功率限制的匹配策略 该策略是为了最大限度地保护电池 、电机驱动系统以及整车功能的安全运行。一方面，动力电池在大功率充放电时，会影响到其使用寿命，甚至产生过流、过温而导致电池管理系统报警、断电，影响整车功能运行。另一方面，经过调查发现驾驶员并不期望电动卡车具备高速、高灵敏性的加 速踏板响应 ，而更趋向于 稳定的加速和可靠的减速性能，以及尽可能长的续驶里程。为此，需要根据电源系统的能力匹配电机输出功率。本车使用电池标称持续充放电100 A ，峰值放电150 A 持续180s 。由于动力电池大电流放电将会影响其实际的使用寿命和 性能 ，根据 车辆实 际情况需要 ，需保证最大放电电流不超过100 A 的持续放电能力，因此设定电池输出功率不超过100 A×330 V=33kW( 实际电池电压 330 V) 。 根据实际输出要求计算，当电机峰值功率超过电池设定所能承受的功率时 ，需要对电机功率进行匹配限制，具体表现在对其输出转矩的限制上 ：由于功率和输出转矩计算呈线性关系，将实际适应功率按照实际比例减小， 则 T r =T×33 kW/P ，其中T r为限制实际输出的转矩 ，T为当前转速对应的峰值转矩，P为当前转速对应的峰值功率。当电机当前功率没有超过电池设定限制功率时，不进行功率匹配限制，如下图 4 。 图4 功率匹配校正图 由此限定动力电池的持续工作输出电流不会超过100 A ，确保动力电池保持在持续工作电流下工作，限制电池的过放电，提高动力电池系统的使用效率和寿命。 4.2.2 驾驶员意图修正策略 加速踏板开度需根据电机转速进行分段校正，以得到不同开度时的电机扭矩输出限值。在此基础上进行踏板开度百分比对应电机当前最大输出扭矩百分比进行扭矩输出。即 T d =N%×T r ，T d 为 驾驶实际产生的扭 矩 输出，N% 为踏板开度百分比，T r 是当前转速电机能够输出的最大限值的扭矩。随着电机转速上升 ，最大输出扭矩会减 小 ，如果加速踏板开度不变，则车辆的驱动力会逐渐减小 ，加速度降低，符合驾驶员驾驶习惯。 4.2.3 跛行时的限速控制策略 当检测车辆故障需要进入跛行时，调整电机实际输出扭矩值，使其与车速产生负相关关系，车辆 加速达到20 km/h 后电机输出扭矩为0，不能继续加速，车速会被限制在小于20 km/h 的一定范围内（与实际车况和路况有关），达到跛行的目的。 4.2.4 回馈制动策略 回馈制动是电动车，包括纯电动 、混合动力车的标志性功能。其作用主要为回收部分电能以及辅助车辆制动。 回馈制动需要注意：驾驶员的实际驾驶感觉；电池所能接受的最大回馈电流 ；电池电量不能过高 ，以免过度充电损害电池。在驱动前进状态或驱动后退状态时，踩制动踏板，电机进入回馈制动模式 ，与机械制动一 起提供制动能力，其制动力矩与当前电机转速有关。当转速较低时，能量回馈效率低且影响驾驶员的操作感受，故不进行回馈制动。 电机在 1500 r/m～4 000 r/m之间时 ，设定恒定回馈扭矩为 20 Nm ，此区间是电机最经常工作的区间。当车辆速度提高至 5 000 r/m 以上时，结合机械制动能力 ，回馈制动扭矩不宜太大 ，以免影响驾驶员的驾驶感觉，因此设定为随着转速提高制动扭矩从20 Nm 线性递减到 8 Nm 。该制动策略目前在峰值时制动功率约为 8.5 kW ，回馈电流约 25 A ，属于辅助性的回馈制动。 4.3 整车控制器故障分级策略 整车控制器故障实施分级处理策略。当出现需要维护但不紧急的故障 时 ，响应二级故障 ，整车控制器控制车辆进入降功率运行，即跛行，以避免损害加重。当出现可能对人员和车辆造成严重损害的故障时，整车控制器响应一级故障，需要马上断电停车。例如绝缘电阻小于80 kΩ 或 100 Ω/V 时，整车控制器通知各个部件并切断高压电回路，车辆停机断电等待维护人员维修。 五、整车控制器测试和应用 整车控制器在具备车辆 ECU(Electronic Control Unit ，电子控制单元 ) 测试资质的天津汽车检测中心接受了国家 标 准 QC/T413 、GB/T17619 GB/T21437.2 、 GB/T18655 相关的 ECU 测试，包括防护性能等级测试、过电压测试、温度循环测试 、振动测试 、盐雾测试 、电磁辐射抗扰性测试、电磁传导抗扰测试、电磁骚扰特性测试。测试通过，满足设计要求。控制器首先在某型 0.9 吨 纯电动厢式运输车上应用。该车整备质量1525 kg ，额定载重量 900 kg 。整车调试阶段进行了 500 km 空载城市郊区路况和 3 000 km 满载城市郊区路况实验，期间未出现故障，运行情况良好。目前该车型已经进入量产阶段。本控制器还用在某型纯电动环卫车上，该车整备质量 2320 kg ，额定载质量 2040 kg 。 目前该车也已进入量产阶段。 整车控制器量产验收需进行黑盒测试。设计了测试工装对整车控制器进行功能性测试 ，对 CAN总线、信号输入、信号输出都进行实际信号传输测试 ，外部利用LED 灯指示模块故障，工人可以在 2 min 内迅速掌握测试工装的使用，检测量产控制器是否功能完好以及记录故障和故障模块位置。利用 C# 编写上位机监控调试软件可以实时监控整车信息，方便工程人员调试车辆。 六、总结 本文根据实际需求，提出了一种用于电动轻型卡车的整车控制器的设计方案以及实现策略 。根据设计方案，在对样机进行测 试和实车调试后 ，各项指标满足需求，表现出可靠的硬件性能和软件性能。电动汽车正在快速发展 ，其产品功能细分等越来越受到重视 ，本文所述整车控制器产品的成功实现能够为今后各类电动汽车控制器的开发提供借鉴和参考 。 |
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