電動汽車電子控制系統(tǒng)設計

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電動汽車電子控制系統(tǒng)設計摘要 首先，根據電動汽車的特點，給出了電動汽車的設計思路，分析了城市交通的特點，提出了小型純電動汽車的性能指標，設計了小型純電動汽車的電氣系統(tǒng)總體，對各個控制單元的功能進行了分析。其次，建立了電動汽車動力系統(tǒng)數(shù)學模型，基于電池組輸出能量與電動汽車消耗能量相等的原則，給出了電動汽車續(xù)駛里程的計算方法，并對其影響因素進行了分析，為電動汽車的研究開發(fā)提供了理論基礎。再次，探討了電動汽車的優(yōu)化設計方法，建立了整車及各個組件的數(shù)學模型和 Simulink仿真模型。最后，基于 PLC 和變頻器設計了驅動控制系統(tǒng)的軟硬件結構，該控制系統(tǒng)能夠對電動汽車的轉向、前進、倒車、停止、制動進行較為精確的控制，可以為電動汽車驅動控制器的設計提供新的參考。關鍵詞 電動汽車, 參數(shù)優(yōu)化, 系統(tǒng)仿真, 自動控制, 可編程控制器1 緒論純電動汽車是以二次電池為儲能載體，二次電池以鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池為主。由于二次電池目前在儲電量、充放電性能、使用壽命、成本等方面無法與內燃機相比，因此近一時期以來，研究進展不大，大多數(shù)研究單位已將研究目標轉為混合動力汽車。續(xù)駛里程有限:目前市場上使用的電動汽車一次充電后的續(xù)駛里程一般為 100～300km，且這個數(shù)字通常還需要保持適當?shù)男旭偹俣燃熬哂辛己玫碾姵毓芾硐到y(tǒng)才能得到保證，而絕大多數(shù)電動汽車在一般行駛環(huán)境下的續(xù)駛里程只有 50～100km。比起傳統(tǒng)燃油汽車而言，電動汽車的較短續(xù)駛里程成為其致命的弱點。成本過高:目前各式電動汽車能示范運行的，都是在原燃油汽車的底盤、車廂基礎上改裝而成的，即將發(fā)動機、油箱等系統(tǒng)全數(shù)拆下，然后裝上電機、電池等相關配套設備就形成電動汽車。電池、電機及其控制器技術復雜，其成本太高，另外也由于采用一系列新材料、新技術，致使電動汽車的造價居高不下。蓄電池性能難以滿足要求:電動汽車使用的普通蓄電池的壽命最多為 4 年，與燃油汽車的壽命相比太短。若采用動力足、壽命較長的電池，其成本較高。普通燃油汽車填充燃料，方便快捷，而當今市場上的電動汽車充電時間一般在 6～8 小時，給電動汽車的使用帶來極大不便?，F(xiàn)有電動汽車所使用的電池都不能在儲存足夠能量的前提下保持合理的尺寸和質量。如果電動汽車自身整備質量大，就會影響加速性能和最大車速的提高。電動汽車基礎設施有待建設:電動汽車即將進入商業(yè)化階段，與大批量電動汽車正常運行有關的基本配套設施和法律法規(guī)還不健全。充電站、蓄電池更換站、維修站建設基本上處于空白階段。電動汽車的標準化，汽車行駛相應的政策法規(guī)正在制定之中。電動汽車的基礎設施建設是一項巨大的系統(tǒng)工程。2 電動汽車電氣系統(tǒng)設計電氣系統(tǒng)總體配置框圖如圖 2.5 所示。整車以車輛管理單元(VMU)作為主控制單元，以電機驅動控制單元(PMU)、電池管理單元(BMU)及相關控制電器作為從控制單元，以電動機和蓄電池組作為控制對象。其控制流程如下:駕駛員控制操縱裝置(如踏板、鑰匙)向 VMU 發(fā)出命令，VMU 通過通訊網絡系統(tǒng)接收控制命令并采集 BMU、PMU、整車等的狀態(tài)信息進行相應的處理和運算，然后發(fā)出操縱指令，PMU, BMU 和車載儀表由通訊網絡獲得 VMU 操縱命令，執(zhí)行命令并反饋信息至 VMU。主電池經 DC/DC 變換器向 VMU 及原有車身電氣系統(tǒng)（冷風暖風、助力轉向、車燈、音響、喇叭和刮水器等)提供低壓電。圖 2.5 小型純電動汽車電氣系統(tǒng)總體配置框圖對于純電動汽車，很多部分都由獨立的電子控制器進行控制。為了將整個電動汽車內各系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)數(shù)據共享和相互之間協(xié)同工作，采用總線進行數(shù)據傳遞。CAN 網絡是現(xiàn)場總線技術的一種，它是一種架構開放、廣播式的新一代網絡通信協(xié)議，稱為控制器局域網現(xiàn)場總線。CAN 網絡原本是德國 BOSCH 公司為歐洲汽車市場所開發(fā)的。CAN 推出之初是用于汽車內部測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據通信。在現(xiàn)代轎車的設計中，CAN總線被廣泛的采用，奔馳、寶馬、大眾等汽車都采用了 CAN 總線進行控制器的聯(lián)網。CAN總線的特點如下 [12]:(1) 數(shù)據傳輸距離遠，傳輸速率高根據物理層實現(xiàn)的不同最遠傳輸距離可達 10km，最高傳輸速率可達 1Mbit/s。(2) 多主、廣播式通信CAN 通信網絡沒有網絡地址之分，各個主設備的通信采用廣播式通信。網絡中各個節(jié)點都可以發(fā)送和接收報文，節(jié)點根據報文的標識符決定接收或屏蔽該報文。原理上網絡可連接節(jié)點數(shù)量不限，但局限于物理層實現(xiàn)。(3) CSMA/CD+AMP 總線訪問仲裁機制CAN 總線采用 CSMA/CD+AMP 總線訪問仲裁機制。各個節(jié)點實時對總線信號進行監(jiān)測，當總線出現(xiàn)空閑時，節(jié)點才允許發(fā)送數(shù)據。而當總線上同時有超過兩個節(jié)點同時傳送報文時，則采用“無損逐位仲裁”的方法來仲裁總線控制權，優(yōu)先級高的報文擁有最高優(yōu)先權，沒有來得及發(fā)送的報文則等待并重新發(fā)送。報文的優(yōu)先級由報文的標識符決定。這樣擁有較高優(yōu)先級的報文會贏得仲裁并能夠保證在一定的時間內發(fā)送成功，從而保證了通信的實時性。(4) 高安全性，可靠的錯誤檢測和處理機制CAN 總線通信網絡節(jié)點發(fā)送的報文遭到破壞后，可自動重發(fā)。節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自我切斷功能。2.4 電驅動系統(tǒng)控制回路結合小型電動汽車電氣系統(tǒng)總體配置框圖，設計出電驅動系統(tǒng)控制回路總體框圖，如圖2.8 所示。圖 2.8 電驅動系統(tǒng)控制回路總體框圖圖中 BMU 為電池管理單元；VMU 為車輛管理單元；PMU 為電機驅動管理單元；KA1 為 VMU電源繼電器；KA2 為 PMU 主接觸器控制繼電器；KA3 為充電接觸器控制繼電器；KA4 為 PMU 軟上電繼電器的控制繼電器；KA5 為 PMU 軟上電繼電器；KM1 為 PMU 單元主接觸器；KM2 為充電接觸器；R 為軟上電限流電阻；S1B 為 BMU 電源開關；S1V 為 VMU 開關；SQ1 為充電機接通信號行程開關；F 為熔斷器。3 電動汽車續(xù)駛里程及其影響因素3.1 電動汽車的動力學模型汽車在無風天氣、正常道路上行駛過程中，道路負載如圖 3.1 所示。圖 3.1 電動車的道路負載根據力的平衡關系，電動汽車的行駛方程式為 [15]:Ft = Ff + Fw + Fi + Fj 式(3.1)Ft = fmgcosa + + mg sina + δma 式(3.2)15.2aDAVC式中 m 整車質量（kg） ；f 滾動阻力系數(shù)；δ 旋轉質量換算系數(shù)；a 車輛加速度（m/s 2） ；Va 車速（m/s） ；CD 空氣阻力系數(shù)；A 車輛前部迎風面積（m 2） ；a 道路的坡度角 ( °)；Ft 電動汽車的驅動力（N） ；Ff = fmgcosa 電動汽車行駛時的滾動阻力（N） ；Fw = 電動汽車行駛時的空氣阻力（N ） ；15.2aDAVCFi = mg sina 電動汽車行駛時的坡道阻力（N） ；Fj = δma 電動汽車行駛時的加速阻力（N） ；以電動汽車行駛速度 Va 乘以式(3.2)兩端，考慮機械損失，再經過單位換算之后可得:Pm = ( fmgcosa + + mgsina + δma) Va 式(3.3)T?360115.2aDAVC= ( Pf + Pw + Pi + Pj ) 式(3.4)式中 Pm 電動機輸出功率（kw） ； 電動機輸出軸至驅動輪之機械傳動裝置的總效率；T?Pf = 克服行駛阻力所消耗的功率（kw ） ；360cosaVgPi = 克服坡度阻力所消耗的功率（kw ） ；inmPw = 克服空氣阻力所消耗的功率（kw ） ；761403aACDPj = 克服加速阻力所消耗的功率（kw ） ；V?電動汽車上動力蓄電池組兩次充足電之間的總行駛里程稱為電動汽車的續(xù)駛里程，以千米(km)來表示。目前國內外測量續(xù)駛里程通用的方法是等速法和工況法 [15],工況法較復雜，這里選用等速法進行推算。汽車以速度 V 等速行駛時，其坡度阻力和加速阻力消耗的功率忽略不計，所需的電機輸出功率 Pm，和輸出轉矩 Ttq,為:Pm = ( fmg + ) V 式(3.5)T?360115.2aADCTtq = ( fmg + ) 式(3.6)Toigr.當汽車以速度 V 等速形式時，續(xù)駛里程為（推導見附錄 A）: S = V t = V = ( )k-1 式(3.7)mPW?PQesUDO10?Im3.2 等速法續(xù)駛里程影響因素分析電動汽車的續(xù)駛里程的影響因素比較復雜，與電動汽車在行駛過程中的能量消耗緊密相關。由電動機需要輸出的功率表達式(3.5)可以看出，影響它的主要因素來自電動汽車本身結構條件和行駛的外部條件。在電池能量不變的條件下，續(xù)駛里程指標與行駛阻力 T 和行駛阻力功率 P 及電機的效率曲線 η = f(P)有關。而行駛的阻力矩和阻力功率又與滾動阻力系數(shù)f、迎風阻力系數(shù) CD、整車總重量 G、迎風面積 A、車速 V 等有關。3.2.1 電機對續(xù)駛里程的影響對于固定速比的電動汽車，行駛過程中汽車行駛速度與電機轉速成一定的比例。同時，汽車行駛的速度不同，對電機的需求功率不同，這樣電機處于不同的工作狀態(tài)，由于電機各個工作狀態(tài)效率的不同，對續(xù)駛里程將產生很大的影響，我們希望電機的高效率區(qū)比較寬廣。圖 3.2 為 Y112M-4 感應電動機效率特性曲線。當汽車整車質量 M =1020kg。當汽車行駛速度很低時，行駛阻力很小基本保持不變，但是電機效率很低，隨著車速的增加，電機效率上升，續(xù)駛里程增加；當車速 V =20km/h 時，續(xù)駛里程達到最大值；若車速繼續(xù)增加，電機效率變化很小，但阻力隨車速增加而迅速增長，續(xù)駛里程逐漸減小。3.2.2 整車因素對續(xù)駛里程的影響(l) 整車質量的影響：電動汽車的質量直接影響到汽車的續(xù)駛里程和駕駛性能。在汽車等速行駛時，車體質量變化引起對電動機功率輸出需求的變化，使得電動機處于不同的工作狀態(tài)，我們考察質量在-10%～10%變化時對電動機的影響。當汽車等速行駛 V =45km/h，原車重 M =1020kg ,質量的變化范圍為[918,1122]。隨著整車質量的增加，電機效率有所提高。但是，對電動機輸出功率的需求也逐步增加，汽車的續(xù)駛里程減小。續(xù)駛里程在-6.38%～7.42%范圍內變化。整車質量在-10%～10%范圍內變化。隨著汽車整車質量的增加，等速行駛續(xù)駛里程將減小。(2) 滾動阻力系數(shù)的影響：滾動阻力系數(shù)與路面的類型、路況、行駛車速以及輪胎的結構、材料、充氣壓力、磨損情況等有關。若以 f =0.018 為基準，當滾動阻力系數(shù)在-10%～10%范圍變化時，考察當汽車等速行駛 V=45km/h,車重 M=1020kg 時，續(xù)駛里程隨滾動阻力系數(shù)變化曲線如圖 3.8 示。由數(shù)據計算得到續(xù)駛里程的變化范圍為-6.51%～7.6%隨著滾動系數(shù)的增加，汽車需要克服的滾動阻力增加，電池組能量為有限定值，續(xù)駛里程隨之而加少。不同速度下等速行駛續(xù)駛里程與滾動阻力系數(shù)變化的關系，低速段主要受電機效率的制約，車速加快，電機效率增加，續(xù)駛里程增加。在高速段電機效率變化不大，主要受行駛阻力的影響，隨著車速的進一步加大，行駛阻力加大，汽車續(xù)駛里程減小。(3) 空氣阻力系數(shù)的影響:汽車直線行駛時受到的空氣作用力在行駛方向上的分力，稱為空氣阻力 Fw。受空氣阻力系數(shù)變化的影響， V =45km/h 時續(xù)駛里程變化曲線如圖 3.10 示。電機的輸入、輸出功率隨之而變化趨勢曲線如圖 3.11 示。隨著空氣阻力系數(shù)的增加，汽車的續(xù)駛里程減少，電動機的輸入、輸出功率增加。C D 以 0.4 為基準在-10%～10%范圍內變化，續(xù)駛里程的變化范圍為-5.93%～6.8%。在不同的等速下空氣阻力系數(shù)對續(xù)駛里程的影響。在車速 V＜20km/h 時，曲線基本重合，空氣阻力系數(shù)變化對續(xù)駛里程的影響很小，這是由于低速時空氣阻力很小造成。當V＞20km/h 時，由于空氣阻力與速度的平方成正比，隨著速度的增加空氣阻力系數(shù)變化的影響加強，同一等速下汽車續(xù)駛里程變化范圍變大。(4) 車輛迎風面積的影響：汽車在行駛方向上的投影面積為汽車的迎風面積。汽車迎風面積是影響汽車空氣動力學阻力的主要因素之一。當汽車以 V=45km/h 等速行駛，迎風面積以A=1.7019m2 為基準在-10%～10%范圍內變化時，對汽車續(xù)駛里程的影響見圖 3.12 示。車輛迎風面積的增加使得汽車等速行駛時所受空氣阻力增加，對電動機需求功率增加，能量消耗增加，汽車的續(xù)駛里程減小。續(xù)駛里程的變化范圍為-2.47%～2.62%。3.2.3 電池對續(xù)駛里程的影響在電動汽車中，電池是能量的來源，電池有效能量直接決定了電動汽車的續(xù)駛里程。由式(3.7)知，當電動汽車攜帶的電池總質量一定時，電池比能量 q 的不同，電池容量不同，隨著電池比能量地增加，電池的容量增加，等速行駛的續(xù)駛里程增加。圖 3.14 為 V =45km/h等速行駛時續(xù)駛里程隨電池比能量的變化曲線。電池比能量在-10%～10%范圍內變化，續(xù)駛里程在-10%～10%范圍內變化。汽車在不同等速下電池比能量變化對續(xù)駛里程影響的曲線，在相同的車速下電機的工作點沒有發(fā)生變化，電池比能量變化對電機工作狀態(tài)無影響。4 純電動汽車的參數(shù)優(yōu)化分析4.1 動力傳動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化問題的描述電動汽車動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化問題，可以歸結為在滿足汽車動力性能前提下，續(xù)駛里程最長的問題。進而可以表述為，汽車動力性能約束下，汽車質量最小的問題。這樣動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化問題抽象為一個全變量約束問題，即帶有約束條件的多元非線性函數(shù)最小值問題，其表達式為:式（4.1）????????bUxIeqACf0)(min式中 x =(x1, x2, x3…) 設計變量；f (x) 目標函數(shù)； C (x) 非線性不等約束； Ceq(x) 非線性等式約束；A、 b 滿足線性不等式約束 A·x≤b；Aeq, beq 滿足等式約束 Aeq·x =beq；lb、u b 滿足 lb≤x≤u b；利用 Matlab 優(yōu)化設計工具箱可以實現(xiàn)有約束的多元函數(shù)最小值的求解 [17]。4.2 參數(shù)匹配的初始條件和約束參數(shù)匹配的初始條件包括原車性能參數(shù)和設計目標兩個部分。其中車輛的性能參數(shù)見表3.1，而設計目標又分為基本動力性要求和目標循環(huán)工況下經濟性要求。基本動力性要求見表 2.2，目標循環(huán)工況的選取是根據我國電動汽車道路車輛能量消耗率和續(xù)駛里程試驗規(guī)程中規(guī)定，采用歐洲十五工況(ECE-R15)循環(huán)為目標工況其基本參數(shù) [2]。4.3 電動汽車動力性能要求對各組件的約束(l) 電機功率約束，汽車以 Va 車速在坡度為 a 的路面上行駛時，電動機的需求功率為:Pi = ( fmgcosa+ + mg sina) Va 式(4.2)T?360115.2aDAVC汽車在 tf 時間內速度由 0 加速至 vm 所需功率為：Pa = ( ) 式(4.3)ftm2nV?汽車以最高車速，在平直路面上行駛時所需要的功率為：Pv = ( fmg + ) Vmax 式(4.4)T?360115.2maxACD所以電動機的最大功率為：Pmmax = max（P i， Pa， Pv） 式(4.5)(2) 電池功率和能量約束，在純電動汽車中，電池作為唯一的能量源，在滿足汽車行駛的功率要求的同時，必須保證具有足夠的能量來維持一定的續(xù)駛里程。對于電動勢為 E，內阻為 R 的鉛酸電池在實際應用中最大輸出功率應為：Pbmax = 式(4.6)RE92電池組最大功率為： Pbmax ≥ 式(4.7)DOm?axP式中 電機及控制器工作效率m?電池放電深度DO若要求汽車以等速 V 行駛的續(xù)駛里程為 S，由式（3.25）知Qm≥ ( )k-1 式(4.8)mesPVUDO10?I若單塊電池的容量為 Qb 由式（ 3.8）得nbat≥ ( )k-1 式(4.9)melbPUSVDO10od?I4.4 動力參數(shù)優(yōu)化匹配圖 4.2 所示為優(yōu)化過程，優(yōu)化過程中的一次迭代由三個部分組成。運行工況定常參數(shù)設計變量汽車動力學仿真分析仿真數(shù)據確定組件規(guī)范確定組件參數(shù)目標函數(shù)組件特征非線性不等式和等式約束 c(x)和 ceq(x)圖 4.2 設計模型動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化流程首先，車輛動力學仿真，由車輛動力學模型提供的最初的即時數(shù)據來實現(xiàn)。其次，分析上一步提供的數(shù)據并且根據考慮到動力學特性的各種原則詳細描述組件的規(guī)范。最后是確定組件參數(shù)尺寸過程。這些組件特性被用來進行約束估計。當所有約束條件都滿足并且目標函數(shù)達到最小值時停止優(yōu)化程序。電動汽車的動力學模型為基于能量的全變量模型。由描述車輛不同組件的模型組成，如圖 4.3 所示。圖中 η和 E 分別為動力傳動系統(tǒng)每個組件的效率和輸出能量。工況循環(huán)整車Ev傳動系統(tǒng)η r Er電機η mEm電池η bEb逆變器η c Ec圖 4.3 基于能量的電動汽車動力學模型根據第三章電動汽車的動力學分析在 Matlab/Simulink 環(huán)境下建立仿真模型如圖 D1（附錄 D）所示，根據圖 D1 電動汽車能量傳遞關系，建立基于能量的全變量模型見圖 D2 所示。5 結論本文闡述了小型純電動汽車的性能指標、電氣系統(tǒng)的構成及各個單元的性能，設計了電驅動系統(tǒng)控制電路。然后分析了電動汽車續(xù)駛里程的計算方法和影響因素，提出了提高汽車續(xù)駛里程的措施。將電動汽車動力參數(shù)匹配問題歸結為全變量約束優(yōu)化問題，提出可以對汽車的動力傳動系統(tǒng)進行參數(shù)優(yōu)化，并可利用 ADVISOR 軟件進行整車性能仿真。最后利用PLC 和變頻器實現(xiàn)了電控單元的整車控制，并設計人機界面來實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)視、故障報警。由此，可以得到以下結論:(1) 城市通勤車輛車速平均在 30km/h，續(xù)駛里程一般小于 60km，小型純電動汽車完全能夠滿足人們的要求，成為理想的代步工具。(2) 電動汽車續(xù)駛里程是電動汽車的一個重要性能指標，主要受整車參數(shù)、電機、電池性能的影響。提高電動汽車的續(xù)駛里程，要盡可能的降低各環(huán)節(jié)的能量損失，降低輪胎滾動阻力系數(shù)、改善汽車外形、減輕汽車總質量，進行動力傳動系統(tǒng)優(yōu)化匹配。(3) 動力系統(tǒng)的合理匹配是改善汽車性能，提高續(xù)駛里程的有效措施。動力系統(tǒng)參數(shù)匹配問題是全變量約束最優(yōu)化問題，采用直接法可以在優(yōu)化的同時修改模型，使得匹配結果快捷、準確。(4) 整車驅動控制采用 PLC 控制應該可以實現(xiàn)性能指標的要求。PLC 作為車輛驅動控制單元的微處理器，具有可靠性高，抗干擾能力強，控制系統(tǒng)的設計、安裝、調試和維修方便等優(yōu)點。電動汽車是一個復雜的開發(fā)項目， 控制系統(tǒng)采用的硬件和軟件也各不相同如用 DSP、單片機等，各種系統(tǒng)的控制效果有待于實踐的檢驗 。在本系統(tǒng)的設計過程中，利用 PLC 控制電動汽車的先例很少， 因而，借鑒的因素較少，控制系統(tǒng)的質量有待進一步試驗和改進 。但基于 PLC 的十分完善的技術，通過整合，定會給電動汽車控制器的開發(fā)帶來有用的效果。參 考 文 獻[1] 陳清泉，孫逢春，祝嘉光.現(xiàn)代電動汽車技術[M]. 北京: 北京理工大學出版社，2002.11.[2] C.C.Chan. 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These provide the theoretical foundation for the development of Mini-BEV.Third, the paper discusses the optimum design of BEV by adopting a new kind of design method. Build the mathematic model and Simulink model of the whole BEV and the models of its components.At last, The control system of electric vehicle driven is designed. The structure of the control system and the hardware and software of the system are analyzed. The control system can perform the function of veering, going ahead, backing, stopping and braking. So it can give important reference to the design of controller of electric vehicle.。Keywords electric vehicle, optimum design, Simulink, automatic control, PLC