林 程，周 輝，孫逢春，南金瑞

Lin Cheng，Zhou Hui，Sun Fengchun，Nan Jinrui

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，北京 100081）

早期電動大客車的控制策略主要是以電機(jī)為主、基于速度控制的控制策略[1]。電動大客車是一個整體，各個部件單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn)給客車整車性能的發(fā)揮帶來了很大影響。整車控制器是汽車尤其是電動汽車控制系統(tǒng)的核心，整車控制策略是汽車控制系統(tǒng)的靈魂，能夠在分析駕駛員的駕駛意圖、行駛工況以及各部件狀態(tài)等信息的基礎(chǔ)上，協(xié)調(diào)各部件之間的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多能源管理和控制、故障診斷及處理和整車狀態(tài)監(jiān)視等功能。

1 整車控制器硬件設(shè)計1

BK6121是一款以服務(wù)北京2008年奧運(yùn)會為目標(biāo)的純電動低地板概念車，能量源為鋰離子動力電池，車上裝有電機(jī)控制器、ABS（Antilock Brake Systern，制動防抱死系統(tǒng)）、蓄電池管理系統(tǒng)、AMT（Automated Mechanical Transmission，自動變速器控制系統(tǒng)）、EPS（Electric Power Steering，電動助力轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)）、車身中央控制器模塊、駕駛室顯示系統(tǒng)、充電機(jī)控制系統(tǒng)、調(diào)度控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)[2]。如果按照傳統(tǒng)方式安裝各個系統(tǒng)，不僅給安裝帶來麻煩，增加維修難度，而且各個部件不能協(xié)調(diào)工作，導(dǎo)致電動汽車無法發(fā)揮整車最佳性能。開發(fā)以CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò)）總線為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣橘|(zhì)的整車控制器，可以通過CAN總線來接收信息及傳達(dá)指令，將電動大客車連為一個整體，使整車性能達(dá)到最優(yōu)。

1.1 整車CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電動大客車對整車控制的實(shí)時性要求比較高，所以要求信號的傳輸速度要快，對比各種傳輸線，具有高傳輸速率且可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的CAN總線[3]可以滿足要求。電動大客車的能量源是鋰離子電池，相比內(nèi)燃機(jī)汽車，鋰離子電池的單體電壓也需要被監(jiān)測。電動大客車鋰離子電池有100多組，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比內(nèi)燃機(jī)車要多，如果采用單路CAN總線，就容易出現(xiàn)類似交通堵塞的數(shù)據(jù)堵塞情況，導(dǎo)致整個控制系統(tǒng)癱瘓。通過增加道寬可以解決交通堵塞，同樣可以采用相同的辦法解決數(shù)據(jù)傳輸堵塞的問題。采用 2路CAN總線，其中一路作為主路，與對實(shí)時性要求比較高的控制器（電機(jī)控制器、AMT、ABS、EPS）相連，它們的優(yōu)先級相對較高；另一路作為輔路，與對實(shí)時性要求比較低的電池管理系統(tǒng)、充電控制系統(tǒng)以及調(diào)度控制系統(tǒng)等相連，它們的優(yōu)先級略低一些，然后將2路CAN總線與整車控制器相連，構(gòu)成電動大客車整車控制系統(tǒng)，如圖1所示。這樣可以保證所有數(shù)據(jù)都能順暢地在CAN總線上傳輸，避免了整車控制系統(tǒng)癱瘓。

這個網(wǎng)絡(luò)不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且容易維護(hù)，與沒有采用及采用單路CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)勢明顯。在這個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，加速踏板和制動踏板的信號不再直接傳給電機(jī)控制器，而是傳給整車控制器，這樣整車控制器可以根據(jù)從其他的子系統(tǒng)收集到的數(shù)據(jù)來判斷目前汽車的狀態(tài)，然后根據(jù)不同的情況給電機(jī)控制器不同的指令，而不是將接收到的加速或制動信號直接傳給電機(jī)控制器。

1.2 整車控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了保證整車控制器具有好的抗震性和散熱性，殼體采用特殊材料制成，內(nèi)、外部結(jié)構(gòu)經(jīng)過特殊設(shè)計，能夠牢固地將板子固定在殼體上以及將殼體固定在汽車上，而且結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，如圖 2所示。整車控制器硬件核心部分由 UNO-3062和2塊板卡構(gòu)成，其中PCI1710用于采集不能通過CAN總線發(fā)送的數(shù)據(jù)，PCI1680有2個CAN端口，可以通過2路CAN總線采集數(shù)據(jù)。

2 整車控制策略設(shè)計

電動大客車整車控制策略應(yīng)具有一定的智能性，可以實(shí)現(xiàn)自動控制，如圖 3所示，整車控制策略實(shí)現(xiàn)功能如圖4所示。

整車控制策略設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)如下。

1）在整車控制器的控制下，電動大客車的各個部分相互協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)。整車控制器根據(jù)駕駛員給整車控制器的信號，對車輛狀態(tài)、動力電池狀態(tài)以及道路環(huán)境等因素進(jìn)行綜合分析后，參照數(shù)據(jù)庫，向CAN總線發(fā)送控制命令，各個子控制器根據(jù)從CAN總線上得到的命令來控制相應(yīng)部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對整車的最優(yōu)控制。

2）提高能源利用效率。在電池能量一定的情況下，延長電動大客車的續(xù)駛里程。電池的能量密度低一直是制約電動汽車發(fā)展的一個障礙，而且目前突破這一關(guān)比較難，因此要增加電動大客車的續(xù)駛里程只能靠好的控制策略。

3）當(dāng)車輛有制動需求時，整車控制器要根據(jù)踏板信息（制動踏板和加速踏板）、車輛行駛狀態(tài)、動力電池狀態(tài)以及能量回饋系統(tǒng)信息，向電機(jī)控制器或制動系統(tǒng)發(fā)出制動指令。

4）整車控制系統(tǒng)除了要進(jìn)行驅(qū)動/制動方面的管理控制外，還負(fù)責(zé)組織各子系統(tǒng)間的信息傳輸、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、節(jié)點(diǎn)管理等功能。

5）對與車輛行駛沒有直接關(guān)系的空調(diào)用電設(shè)備進(jìn)行管理，其目的是提高整車能量的利用效率，盡可能延長續(xù)駛里程[4]。

6）實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷保護(hù)功能。整車控制器不僅將各個子控制器在CAN總線上發(fā)布的信息通過儀表顯示出來，而且在汽車出現(xiàn)故障后，使汽車自動進(jìn)入故障模式行駛，并發(fā)出故障警告。圖5為電池箱溫度異常時的故障診斷流程。

7）實(shí)現(xiàn)汽車運(yùn)行模式的切換。通過軟件設(shè)計自動模式、手動模式、故障模式等，如圖6所示。平時汽車處于自動模式，在自動模式下運(yùn)行的前提是汽車各個零部件完好無損，一旦汽車出現(xiàn)故障，汽車會切換到故障模式下，同時以報警方式通知駕駛員，駕駛員應(yīng)該盡快將汽車開到最近的維修站，排除故障。手動模式是為特殊駕駛需求制定的。

早期的控制策略主要是以電機(jī)為主的控制策略，是基于速度控制的控制策略[1]，現(xiàn)在的整車控制策略，在保證電動大客車充分發(fā)揮其整體性能的同時，又兼顧了汽車的行駛安全性，比以前的控制策略更能體現(xiàn)汽車設(shè)計中以人為本的設(shè)計思想。

3 整車控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

基于硬件參數(shù)，整車控制器采用嵌入式 XPE作為操作系統(tǒng)，軟件開發(fā)平臺是一套組態(tài)軟件。該軟件能以靈活多樣的組態(tài)方式而不是編程方式進(jìn)行系統(tǒng)集成，提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡潔的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡單的組態(tài)，便可以容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能[5]。對于整車控制器的開發(fā)，該軟件最大的好處是可以方便地開發(fā)出美觀的儀表顯示界面，而且容易修改，同時它是基于VC開發(fā)的軟件，編程功能比較強(qiáng)大，比較容易將整車控制策略應(yīng)用在電動大客車上。

3.1 整車控制器軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

1）一級友好界面顯示，即主界面，如圖7所示。在用鑰匙啟動汽車后儀表顯示屏顯示的信息包括動力電池剩余電量、動力電池電壓、各個主要部件的故障情況和傳統(tǒng)汽車儀表顯示的一些信息。

2）二級界面顯示，主要包括各個子控制器的工作模式界面和各個部分的故障顯示界面，如圖8所示。主界面上只顯示哪個部分出現(xiàn)故障，發(fā)生的具體故障通過二級界面顯示，一級界面與二級界面之間的切換通過顯示屏下方的按鍵實(shí)現(xiàn)。

3）單體電池電壓及溫度顯示界面、車身電器工作狀況顯示界面等相對次要，但是在汽車出現(xiàn)故障時可以通過查看界面查找故障信息。圖 9為單體電池電壓顯示界面，這種界面比以前的每查看一箱電池電壓需要按一次翻頁鍵的界面更方便，而且所有電池電壓可以在一個界面上同時顯示，在充電時只需通過界面切換鍵將界面切換到此界面即可，提高了操作方便性。

4）控制功能，通過采集鑰匙開關(guān)信號、加速踏板、制動踏板、變速箱擋位等信息及網(wǎng)絡(luò)上其他控制系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、車輛傳感器數(shù)據(jù)、車輛運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合處理，將處理結(jié)果以控制消息的方式通過總線發(fā)布，其他子控制系統(tǒng)根據(jù)從總線接收的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作處理。

5）數(shù)據(jù)自動采集及保存功能。為了實(shí)現(xiàn)該功能，控制器被設(shè)置為每50 ms采集數(shù)據(jù)并保存?？紤]到存儲空間的有限性，只有一部分?jǐn)?shù)據(jù)是每50 ms保存一次，而類似單體電池電壓的數(shù)據(jù)分2種方法保存，一種是每10 min保存一次，另一種是當(dāng)發(fā)現(xiàn)有電池?fù)p壞時保存一次。

6）數(shù)據(jù)歷史趨勢查詢功能。圖 10為電機(jī)控制器溫度在一段時間內(nèi)的變化情況，可以對某一部件在近幾個小時的運(yùn)行情況有一個比較直觀的了解。

圖11為車上的各個設(shè)備、開發(fā)軟件、數(shù)據(jù)庫和顯示界面之間的關(guān)系圖?？梢钥闯鲩_發(fā)的主要任務(wù)是開發(fā)顯示界面、編寫驅(qū)動程序，并將設(shè)備、數(shù)據(jù)庫和顯示界面相連接。

3.2 開發(fā)步驟

1）首先根據(jù)對主界面的要求利用力控組態(tài)軟件進(jìn)行主界面的開發(fā)；

2）然后根據(jù)需要開發(fā)二級界面；

3）在數(shù)據(jù)庫組態(tài)里進(jìn)行變量定義，根據(jù)主界面和二級界面的要求在 DBmanager 里面對需要采集數(shù)據(jù)的點(diǎn)進(jìn)行定義；

4）定義I/O設(shè)備，在力控開發(fā)環(huán)境的I/O設(shè)備列表中選取自定義的PCI1680，進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，將已經(jīng)定義好的點(diǎn)與 PCI1680設(shè)備的對應(yīng)連接項(xiàng)一一關(guān)聯(lián)；

5）將一級界面與二級界面里的圖形與在DBmanager里定義的變量相連接，如圖12所示，并根據(jù)變量值的變化設(shè)計圖形顯示變化；

6）編寫腳本代碼。通過編寫程序，利用整車控制器從CAN總線及設(shè)備上直接采集數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一些電動車所特有的信息顯示，比如SOC的估計；實(shí)現(xiàn)對電動客車的控制，包括驅(qū)動、制動及故障診斷等，這樣整車的優(yōu)化工作通過軟件可以實(shí)現(xiàn)?？刂撇呗栽谲嚿系膽?yīng)用即把控制策略轉(zhuǎn)變成程序語言，下載到整車控制器的存儲器，運(yùn)用程序?qū)崿F(xiàn)整車的控制。

4 結(jié) 論

電動大客車整車控制器是控制系統(tǒng)的核心，不僅給駕駛員提供汽車運(yùn)行狀態(tài)的信息，更重要的是發(fā)揮其智能作用，協(xié)調(diào)各子控制器工作，在大客車某一部分出現(xiàn)故障時，及時作出判斷，使汽車自動進(jìn)入預(yù)先設(shè)定好的故障模式運(yùn)行，以保護(hù)汽車的其他部件不受損壞。因此，整車控制器的功能完善與否直接影響電動大客車的性能，成為評價電動汽車好壞的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。在分析電動大客車整車控制器功能需求后，開發(fā)的整車控制器在某些方面已經(jīng)顯示了智能性，體現(xiàn)了整車控制器在電動大客車控制系統(tǒng)中的重要地位。

[1]呂勝利，左曙光.并聯(lián)混合動力汽車控制策略的綜合分析[J].設(shè)計研究，2005，10（5）：26-30.

[2]林程，王文偉.HFF6112GK50EV型電動公交客車技術(shù)手冊[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.

[3]饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4]翦權(quán)斌，沈保鎖，陳弘.基于 CAN總線電動汽車動力主控制器的研制與開發(fā)[J].計算機(jī)應(yīng)用，2005，25（2）：481-484.

[5]北京三維力控科技有限公司.力控用戶手冊[M].北京：北京三維力控科技有限公司，2005.