整车控制系统、整车控制器

整车控制系统电动汽车动力系统各零部件的工作都是由整车控制器统一协调。对纯电动汽车而言，电动机驱动和制动能量回收的最大功率都受到电池放电／充电能力的制约。对混合燃料电池轿车和燃料电池大巴而言，由于其具有两个或两个以上的动力源，增加了系统设计和控制的灵活性，使汽车可以在多种模式下工作适应不同工况下的需求，获得比传统汽车更好的燃料电池性能，降低了有害物的排放，减小对环境的污染和危害，从而达到环保和节能的双重标准。首先要针对给定的车辆和参数的条件，选择合适的动力系统构型，完成动力系统的参数匹配和优化。在此基础上，建立整车控制系统来协调汽车工作模式的切换和多个动力源／能量源之间的功率／能量流的在线优化控制。整车控制系统由整车控制器、通信系统、零部件控制器以及驾驶员操纵系统构成，其主要功能是根据驾驶员的操作和当前的整车和零部件工作状况，在保证安全和动力性的前提下，选择尽可能优化的工作模式和能量分配比例，以达到最佳的燃料经济性和排放指标。(1)整车控制系统及功能分析1)控制对象：电动汽车驱动系统包括几种不同的能量和储能元件（燃料电池，内燃机或其他热机，动力电池和／或超级电容），在实际工作过程中包括了化学能、电能和机械能之间的转化。电动汽车动力系统能流图如图5—6所示。2)整车控制系统结构：电动汽车动力系统的部件都有自己的控制器，为分布式分层控制提供了基础。分布式分层控制可以实现控制系统的拓扑分离和功能分离。拓扑分离使得物理结构上各个子系统控制系统分布在不同位置上，从而减少了电磁干扰，功能分离使得各个子部件完成相对独立的功能，从而可以减少子部件的相互影响并提高了容错能力。电动汽车分层结构控制系统如图5-7所示。最底层是执行层，由部件控制器和一些执行单元组成，其任务是正确执行中间层发送的指令，这些指令通过CAN总线进行交互，并且有一定的自适应和极限保护功能；中间层是协调层，也就是整车控制器(VMS)，它的主要任务一方面根据驾驶员的各种操作和汽车当前的状态解释驾驶员的意图，另一方面根据执行层的当前状态，做出最优的协调控制；最高层是组织层，由驾驶员或者制动驾驶仪来实现车辆控制的闭环。3)整车控制系统对车辆性能的影响主要有三个方面：①动力性和经济性：整车控制器决定发动机和电动机转矩的输出，直接关系到汽车动力性能，影响驾驶员的操纵感觉；燃料电池轿车和大巴有两个或两个以上的能量来源，在汽车实际行使过程中，整车控制器实施控制能量源之间的能量分配，从而实现整车能量的优化，获得较高的经济性。②安全性：燃料电池轿车和大巴上包括氢气瓶，动力电池等能量储存单元和动力总线，电动汽车电机及其控制器等强电环节，除了原有的车辆安全性问题（如制动和操作稳定性）之外，还增加了高压电安全和氢安全等新的安全隐患。整车控制器必须从整车的角度及时检测个部件的工作状态，并对可能出现的危险进行及时处理，以保证成员和车辆的安全。③驾驶舒适性及整车的协调控制：采用整车控制器管理汽车上的各部件工作，可以整合汽车上各项功能，如自动巡航、ABS、自动换档等，实现信息共享和全局控制，改善驾驶舒适性。整车控制器根据驾驶员操作信号进行驾驶意图解释，根据各个部件和整车工作的状态进行整车安全管理和能量分配决策，通过CAN总线向部件ECU发送命令，并通过硬件资源驱动整车安全操作和仪表显示。电动汽车整车控制系统如图5-8所示：(2)整车控制器1)整车控制器功能：整车控制器是控制系统的核心，承担了数据交换、安全管理和能量分配的任务。根据重要程度和实现次序，其功能划分如下。①数据交互管理：整车控制器要实时采集驾驶员的操作信息和其他各个部件的工作状态信息，这是实现整车控制器其他功能的基础和前提。该层接受CAN总线的信息，对直接馈入整车控制器的物理层进行采样处理，并且通过CAB发送控制命令，通过I/O、D／A和PWM提供对显示单元、继电器等的驱动信号。②安全故障管理层：实车运行中，任何部件都可能产生差错，从而可能导致器件损坏甚至危及车辆安全。电动汽车控制器要能对汽车各种可能的故障进行分析处理，这是保证汽车行驶安全的必备条件。对车辆而言，故障可能出现在任何地方，但对整车控制器而言，故障只体现在第一层中继承的数据中。对继承的数据进行分析判断将是该层的主要工作之一。在检测出错误后，该层会做出相应的处理，在保证车辆足够安全的条件下，给各部件提供可使用的工作范围，以便尽可能地满足驾驶员的驾驶意图。③驾驶员意图层：驾驶员的所有与驱动驾驶相关的操作信号都直接进入整车控制器，整车控制器对采集的驾驶员操作信息进行正确的分析处理，计算出驱动系统的目标转矩和车辆的需求功率来实现驾驶员的意图。④能量流管理层：该层的主要工作是在多个能量源之间进行需求功率分配，这是提高燃料电池汽车经济性的必要途径。要实现整车控制器的上述功能，必须设计合理的硬件和软件整车控制器功能划分如图5-9所示。2)整车控制器硬件：现有的动力总成控制器一般为采用高性能单片机的嵌入式系统，有Cygnal公司的C8051F020单片机，Intel的80C196，TI的TMS320LF2407数字信号处理器，Freescale的MC68376系列单片等方案，此外还有支持Simulink自动代码生成的微处理器有Freescale公司的HC12、MPC555，Infineon公司的C166,TI公司的DSPC2000、C6000等。以上这些控制器都具有高速高精度，存储器容量较大的特点，能满足实时控制算法对计算能力的需求。同时还具有丰富的片内IO接口，网络总线通信接口，为分布式网络控制和集中控制提供了可能。为了能在芯片上移植诸如OSEK／VDX之类的实时操作系统，对中断和定时器等硬件资源也有较为特殊的要求。其中一些控制器在传统汽车的发动机和传动系统的控制中已经得到广泛的应用，其可靠性也得充分的验证。这其中以工作频率为40MHz且具有64位浮点运算PowerPC内核的32位RISC构架的MPC555处理器运算能力最为强大，集成的片内RAM和Flash容量较大，片内外围设备接口最为丰富，Simulink对其所提供的驱动程序模块库支持也最完善。故选择其作为VMS控制器的嵌入式硬件平台基础。MPC555模块示意图如图5-10所示：3)整车控制器开发：在传统的控制单元开发流程中，通常采用串行开发模式，即首先根据应用需要，提出系统需求并进行相应的功能定义，然后进行硬件设计，使用汇编语言或C语言进行面向硬件的代码编写，随后完成软硬件和外部接口集成最后对系统进行测试标定。现在的ECU开发多采用V模式开发流程(图5-11)。软硬件技术的不断发畏，为并行开发提供了强有力的工具。例如德国dSPACE公司开发了基于PowerPC和Matlab／Simulink的实时系统仿真，为控制器开发及半实物仿真提供了很好的软硬件工作基础。第一步，功能定义和离线仿真。首先根据应用需要明确控制器应该具有的功能，为硬件设计提供基础；然后借助MATLAB建立整个控制系统（包括控制器和被控对象）的仿真模型，并进行离线仿真，运用软件仿真的方法设计和验证控制策略。第二步，快速控制器原型和硬件开发。从控制系统的Matlab仿真模型中取出控制器模型，并且结合dSPACE的物理接口模块(A／D、D／A、I/O、RS232、CAN)来实现与被控对象的物理连接，然后运用dSPACE提供编译工具生成可执行程序，并下载到dSPACE中。DSPACE此时作为目标控制器的替代物，可以方便地实现控制参数在线调试和控制逻辑调节。在进行离线仿真和快速控制其原型的同时，根据电动汽车控制器的功能设计，同步完成硬件的功能分析并进行相应硬件设计，制作，并且根据软件仿真的结果对硬件进行完善和修改。第三步，目标代码生成。前述的快速控制原型基本生成了满意的控制策略，硬件设计也形成了最终物理载体ECU，此时运用dSPACE的辅助工具Tar—getLink生成目标代码，然后编写目标ECU的底层驱动软件，两者集成后生成目标代码下载到ECU中。第四步，硬件在环仿真。其目的是验证控制器电控单元ECU的功能。在这个环节中，除了电控单元是真实的部件，部分被控对象也可以是真实的零部件，如果将Matlab仿真模型中的被控对象模型生成代码并下载到dSPACE中，则可用于被控对象的特性。第五步，调试和标定。把经过硬件再换仿真验证的ECU链接到完全真实的被控对象中，进行实际运行试验和调试。