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纯电动城市客车整车控制策略研究
4.1整车控制系统及开发模式介绍
纯电动汽车由整车控制器、电机及其控制器、动力电池、动力电池管理系统（BMS）、主减速器、辅助系统等组成。其中辅助系统为空调系统、制动系统、转向电机及其控制器、、DC/DC等。动力电池作为全车的能量源，为各个电器设备提供电能。驾驶员通过整车控制系统达到对车辆的整体控制。本章主要针对整车控制系统中的控制器和整车控制策略进行研究设计，纯电动车系统结构简图如图4-1所示[i]：
图4-1 控制系统结构简图
电动汽车整车控制器是整个电动汽车的核心部件，它采集制动踏板信号、加
速踏板信号，及其它部件信号，并做出相应的判断后，控制下层的各个控制器(电机控制器、BMS等)工作，使汽车正常行驶，对于整体系统而言，整车控制器的设计直接涉及到电动汽车的稳定性、最终的动力性能和适应复杂工况的性能。因此整车控制器的优劣直接影响到整车的性能。
整车控制策略直接影响到整车的动力性能，它决定了电动机的转矩输出，还会影响驾驶员的操纵感觉。本文主要讨论能量分配策略和各种行车模式的控制策略。
4.1.1整车控制系统设计原则与功能分析
整车控制器的设计必须综合考虑到各个方面的影响因素，以使其具有较长的产品生命周期，因此须遵循以下原则[ii]：
（1）优先考虑系统的安全性和可靠性的设计，要有良好的电磁兼容性，要满
足国家相关标准，能适应任何路况下的车辆振动和冲击；在纯电动汽车中,由于是大功率电机驱动,相当于是一个强干扰源，会对整车控制器产生很强的电磁干扰，因此这就要求整车控制器要有较强的抗干扰能力；
（2）整车控制器能够在环境温度为-40℃至100℃的范围内可靠稳定地工作。因为汽车使用环境恶劣，相对应的对车用电子设备也提出更高的要求； （3）综合分析功能需求，在功能验证和样车开发试制时尽可能多地采取软件实现，以增加系统变更时的灵活性，设计定型后综合考虑系统的可靠性和成本，设计软硬件；
（4）硬件设计中，外围接口资源要冗余设计，以提供变更时的适应性； （5）控制策略与控制逻辑设计中，对异常状态尽可能多地采用报警提示、减少强制停机处理，特别要避免行车时的强制停车；
（6）根据电池管理系统送出的故障信息及时调整电机驱动指令；在保证行车安全的前提下，避免电池受到损坏。
（7）采用国际电动汽车研发中通用的CAN2.0B协议实现数据传输，具有CAN总线通讯能力。通过CAN网络和车上的电池管理系统、电机控制器、实时绝缘监测系统、显示单元、充电站进行通讯，可通过P-CAN设备与上位机完成通讯，完成上位机监控，从而可以实时掌握整车的工作状况和控制程序的运行状况； （8）系统故障的判断和存储，动态实时检测系统信息，记录下出现的故障；
整车控制器承担了安全管理、数据交换和能量分配的任务。根据重要程度，其功能划分如图4-2所示：
图4-2 控制系统功能图
（1）数据交换管理层
整车控制器要实时地采集驾驶员的操作信息和其它各个部件的工作状态信息，这是实现整车控制器所有功能的基础和前提。该层接收CAN总线信息，对直接输入整车控制器的各物理量进行采样处理，并通过CAN发送出控制命令，通过
I/O、D/A和PWM提供显示单元、继电器等驱动信号。接收、处理驾驶员的操作指令，能采集制动踏板信号、加速踏板，并且需要监测钥匙位置与档位信号、车速信号。
（2）安全故障管理层
在实车运行中，任意部件都有可能产生差错，从而可能导致元器件损坏甚至危及到车辆安全。整车控制器要能对汽车的各种可能故障进行分析与处理，这是保证汽车安全行驶的必要条件。对车辆而言，故障可能出现在任意地方，但对于整车控制器而言，故障只体现在从第I层继承的数据中。对继承数据的分析与判断是该层的主要工作之一。在检测出系统中有故障后，该层会做出相应的处理，在保证车辆安全的前提下，给出部件可供使用的工作范围，以尽可能满足驾驶员的驾驶意图。
（3）驾驶员意图解释层
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，整车控制器对采集到的驾驶员的操作信息进行正确地分析处理，计算出驱动系统的目标转矩和车辆需求功率以实现驾驶员意图。来判断当前驾驶员操作意图和整车工作状态，从而根据设计的控制策略来发出正确的指令，使车辆按照驾驶员期望行驶；
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，为了完成以上的功能，整车控制器就必须拥有以下能力:
1) 能够准确快速的采集制动踏板、加速踏板的信号和车速信号， 并且需要检测钥匙位置信号，高压开关等各种开关信号。通过这些信号来判断驾驶员意图和车辆的工作状态，从而根据设计的控制策略发出相应指令。
2) 能够实时检测动力电池电压和电流信号，为保证车辆安全性和电池剩余电量SOC 的计算提供准确的依据。
3) 整车控制器要有很强的计算能力和信号采集速率。控制器在完成一系列的加、减、乘、除、积分、微分等运算时，要尽可能提高运算速度，缩短运算时间。
4.1.2 开发模式
在传统的控制单元开发流程中，通常采用如图4-1所示的串行开发模式，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和标定。如图4-3所示的串行开发模式：
4-3 串行开发模式
目前研发工程师所面临的问题越来越复杂，而开发时间却要求尽可能缩短。如果采用传统的开发方法，则在系统调试过程中发现的由于硬件电路原因造成的问题就必须通过重新进行硬件设计来解决，然后再对软件修改。这就使得控制系统参数的修改需要得到很长时间才能得到验证，导致开发周期过长，延误项目的正常进行。
为了解决这一问题，本项目采用V模式开发流程，软硬件技术的不断发展，为并行开发模式提供了强有力的工具。本项目采用德国dSPACE公司的基于Power PC和MATLAB/Simulink的实时仿真系统，就为控制系统开发及半实物仿真提供了很好的软件和硬件工作平台。如图4-4所示的V型开发模式
功能设计离线仿真 标定/测试 快速控制原型 硬件在环仿真验证ECU
目标代码生成及下载 图4-4 V型开发模式
第一步对系统功能进行定义描述，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；同时建立整车控制系统的仿真模型，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。