HUNANUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)設(shè)計(jì)論文題目：電動(dòng)汽車的整車控制器研究學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：自動(dòng)化四班學(xué)院名稱：電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師：學(xué)院院長(zhǎng)：2015年5月16日摘要伴隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車漸漸的變成了最常用的交通工具，其數(shù)量已經(jīng)增長(zhǎng)到十分可觀的地步，隨處可見(jiàn)各式各樣的汽車。汽車雖然方便了我們大家，但是也大大加速了能源的消耗，使得空氣污染更加嚴(yán)重，甚至可以說(shuō)現(xiàn)在很多城市嚴(yán)重的霧霾也與此有很大的關(guān)系。為了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到可再生能源的好處，特別是對(duì)于新能源的使用國(guó)家給予了很大程度的支持。為了滿足這方面的需求新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生，純電動(dòng)汽車作為零排放的環(huán)保車型更是其中的代表。但是目前的電池技術(shù)不夠成熟，電池成本很高，充電時(shí)間較長(zhǎng)而且續(xù)航能力差，嚴(yán)重影響了電動(dòng)汽車的推廣。增程式電動(dòng)汽車兼顧了傳統(tǒng)汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，汽車在電量充足時(shí)與純電動(dòng)汽車相似，而在電量不足時(shí)增程器將為電池充電，達(dá)到增程的目的。本文采用了MC9S12XEP100芯片，進(jìn)行了多個(gè)硬件模塊的設(shè)計(jì)，給出了整車控制器的一種實(shí)現(xiàn)方案和能量管理方案，最后利用cruise軟件對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了測(cè)試，而且達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；整車控制方案；軟件測(cè)試；硬件設(shè)計(jì)；

AbstractWiththerapiddevelopmentoftheeconomy,thecargraduallybecomesthemostcommonmeansoftransport,

andthe

number

hasincreasedto

aconsiderable

extent,

inorderthatwecanseeeverykindof

careverywhere

.

Butthecars

notonly

bringustheconvenience,

butalso

greatlyaccelerate

theconsumptionofoilresources,

andthe

airpollution

ismoreserious,

andevencanbesaidthat

nowmany

city

serioushaze

alsohasagreatrelationshipwiththis.

Inthelong-termdevelopmentofeconomyandenvironment,peoplearegettingmoreandmorerecognitionofthebenefitsofrenewableenergy,

especiallyfor

theuseofthenewenergy

countries

givenstrongsupport.Inorderto

meetthedemand

ofnewenergyvehicles,

pureelectricvehicles

as

emergeasthetimesrequire,

zeroemission

modelofenvironmentalprotection

isoneoftherepresentative.

Butthecurrent

battery

technologyisnotmature,

and,longchargingtime,highcost,

shortbatterylife,

haveseriousimpacton

thepromotionofelectricvehicles.EREV

hasadvantagesofboththe

conventionalandelectricvehicles,

thecar

issimilartopureelectricvehicles

in

sufficientpower,

andinthe

lackofpower

extender

for

batterycharging,

reached

thepurposeof

increasingrange.

ThispapertakestheMC9S12XEP100chipasthecore,

designed

a

hardwaremodule,

andanimplementationscheme

andenergymanagement

scheme

ofthevehiclecontroller,

thedesignofthe

scheme

istestedbyusingcruise

software,

and

hasachievedthegoalofdesign.Keywords:electricvehicle,vehiclecontrol,softwaretesting,hardwaredesign;

目錄電動(dòng)汽車的整車控制器研究 I摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1課程背景及目的 11.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 21.3研究?jī)?nèi)容及方法 3第二章整車控制器的設(shè)計(jì) 42.1背景介紹 42.2整車控制器控制策略設(shè)計(jì) 52.2.1控制策略概述 52.2.2具體控制策略 62.3增程式電動(dòng)汽車控制器硬件設(shè)計(jì) 72.3.1MCU模塊 82.3.2供電模塊 102.3.3CAN模塊 102.3.4輸入信號(hào)處理 112.3.5輸出信號(hào)處理 122.4PCB設(shè)計(jì) 152.5本章小結(jié) 16第三章增程式電動(dòng)汽車仿真測(cè)試 173.1軟件仿真方式選擇 173.2CRUISE軟件簡(jiǎn)介 173.3增程式電動(dòng)汽車模型建立 183.4控制策略嵌入 203.5仿真結(jié)果及說(shuō)明 223.6本章小結(jié) 23第四章結(jié)論 244.1總結(jié) 244.2展望 24致謝 26參考文獻(xiàn) 27第一章緒論1.1課題背景及目的電動(dòng)汽車（EV）指的是使用電源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，再讓其驅(qū)動(dòng)車輪行駛的車輛，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了多個(gè)門類，當(dāng)然最典型的就是純電動(dòng)汽車，這是只用電池作為動(dòng)力的汽車，除此之外利用燃油和電力作為動(dòng)力混合動(dòng)力型汽車也應(yīng)該包含其中。由于電動(dòng)汽車對(duì)環(huán)境影響相對(duì)傳統(tǒng)汽車小很多，甚至可以實(shí)現(xiàn)零油耗零污染（純電動(dòng)汽車），其前景被廣泛看好，但是當(dāng)前的技術(shù)尚仍然不夠成熟。本文的研究對(duì)象“增程式電動(dòng)汽車”在本文當(dāng)中指的是“插電式串聯(lián)混合動(dòng)力汽車”，也是插電式混合動(dòng)力汽車的一種，在此作簡(jiǎn)要說(shuō)明。工藝技術(shù)現(xiàn)狀電池電動(dòng)汽車（BEVS）和插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（PHEV）等電動(dòng)汽車有許多相同的好處，如降低CO2排放量（純電動(dòng)車可能是零）；對(duì)當(dāng)?shù)夭辉斐晌廴?；擁有有?jìng)爭(zhēng)性的成本，運(yùn)行安靜；高加速；剎車等系統(tǒng)優(yōu)越；可以幫助提高能源效率的再生等。純電動(dòng)汽車電池，可以向該電動(dòng)車提供該車所需要的所有動(dòng)力[1]。而增程式的電動(dòng)汽車在本文當(dāng)中指的是插電式串聯(lián)的混合動(dòng)力車型，它利用電動(dòng)機(jī)組成的增程器與車載電源一起構(gòu)成其動(dòng)力系統(tǒng)，在短程行駛（僅利用車載電池）可以實(shí)現(xiàn)零污染零排放，除此之外也解決了純電動(dòng)汽車受電池容量不能長(zhǎng)途行駛的局限，可謂是包容兼顧。增程式電動(dòng)汽車(REEV)，是在電池技術(shù)還不夠成熟的現(xiàn)階段由燃油汽車到純電動(dòng)的過(guò)渡，是目前一種前景廣闊的新能源方案，得到了世界上許多大公司的青睞，已經(jīng)有很多公司投入到了其研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。預(yù)計(jì)純電動(dòng)車和插電式混合動(dòng)力車的生產(chǎn)量會(huì)在幾年內(nèi)與市場(chǎng)需求量持平。性能和成本與純電動(dòng)車和插電式混合動(dòng)力車的性能和成本有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系的電池技術(shù)，在其中有著很大的占比。鋰離子是目前最有前景的電池技術(shù)，但是仍然需要在成本方面的進(jìn)一步發(fā)展，在保證較長(zhǎng)的使用壽命的基礎(chǔ)上保證耐受性和可靠性。插電式混合動(dòng)力車提供的汽車性能和驅(qū)動(dòng)范圍與傳統(tǒng)汽車類似，但可以使得燃油經(jīng)濟(jì)性可提高40-55%。目前中小型插電式混合動(dòng)力車和純電動(dòng)車的成本差異是在150-200%+和與傳統(tǒng)汽油車相比成本差異在200-300%+（取決于電池的大小和范圍），這種差異將顯著減少對(duì)這些技術(shù)的主流應(yīng)用。潛在的障礙關(guān)鍵障礙主要有純電動(dòng)汽車和插入式混合動(dòng)力車輛的成本，電池的使用壽命和公眾的看法，車輛的可用性和可靠性，特別是純電動(dòng)車尤其如此。除此之外，特定的障礙是缺乏基礎(chǔ)設(shè)施和充電站。車輛的有限的驅(qū)動(dòng)范圍意味著，雖然家里充電是短距離旅行，在城市地區(qū)使用是可能的，一個(gè)廣泛的充電網(wǎng)絡(luò)是更為廣泛的使用電動(dòng)汽車的基本要求。消費(fèi)者是不可能大量購(gòu)買純電動(dòng)車的，直到這個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施是可用的。插電式混合動(dòng)力車不受限制，但是在公共場(chǎng)所建設(shè)充電設(shè)施仍然必要的，它在很多情況下是必備的（即停放在車道或車庫(kù)）。然而，這種投資建設(shè)公共充電站和購(gòu)買電動(dòng)車是相輔相成的，如果電動(dòng)汽車數(shù)量很少那么充電站也不會(huì)多，這就成了互相限制的因素。同時(shí)，使用現(xiàn)有技術(shù)為電池充電的時(shí)間比傳統(tǒng)的車輛加油相對(duì)慢得多，即使是快速充電站。替代電池租賃和“熱插拔”的計(jì)劃也因此成為解決這個(gè)問(wèn)題的一種手段，但是調(diào)查顯示著會(huì)增加汽車本身的成本。其他方案包括道路無(wú)線充電基礎(chǔ)設(shè)施等也是可行的，但這會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)的充電基礎(chǔ)設(shè)施安裝昂貴得多，目前來(lái)說(shuō)很難實(shí)現(xiàn)。研究目的整車控制系統(tǒng)涵蓋了電池技術(shù)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)，直接決定了電動(dòng)汽車的性能和能源利用率，有很大的研究空間和研究?jī)r(jià)值。增程式電動(dòng)汽車的研究不僅僅是有利于我國(guó)自然環(huán)境的改善，更是緩解了我國(guó)燃油資源匱乏的現(xiàn)狀，也是我國(guó)汽車行業(yè)走出國(guó)門的一個(gè)重要切入點(diǎn)。積極推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化對(duì)中國(guó)汽車成為世界汽車有重大的推動(dòng)作用。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀美國(guó)通用、福特等多家汽車公司已經(jīng)開(kāi)始增程式電動(dòng)汽車的研究工作，其中通用沃蘭達(dá)處于技術(shù)領(lǐng)先地位，它在2010年已經(jīng)上市并且已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，它所采用的鋰電子電池可以驅(qū)動(dòng)行駛六十公里，使用220V交流電充電，純電動(dòng)使用距離可以滿足市內(nèi)代步，并且依靠電動(dòng)機(jī)充電沃蘭達(dá)可以達(dá)到總續(xù)航里程570km，已經(jīng)和普通汽車在這一點(diǎn)上沒(méi)有什么區(qū)別。日本豐田、本田等汽車公司也已經(jīng)開(kāi)始了這方面的研究，其中豐田公司的混聯(lián)式電動(dòng)汽車和豐田的并聯(lián)式電動(dòng)汽車以及日本鈴木增程式電動(dòng)汽車都是其中的典型代表。值得一提的是日本鈴木的概念車“雨燕”最高設(shè)計(jì)時(shí)速可以達(dá)到100km/h。對(duì)于混合動(dòng)力汽車的研制，我國(guó)也是在近幾年才剛剛步入正軌，主要采用串聯(lián)式的混合動(dòng)力，并聯(lián)式的混合動(dòng)力也是剛剛起步，而混聯(lián)式的由于其過(guò)于復(fù)雜研究的比較少。而電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研究中心是驅(qū)動(dòng)電機(jī)，目前所應(yīng)用的電機(jī)主要有直流有刷電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)、永磁無(wú)刷電機(jī)等，但應(yīng)用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)效果和適用性需要進(jìn)一步的發(fā)展。隨著混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)展，要求我們找到更好的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)其高效控制。在國(guó)內(nèi)的汽車公司包括奇瑞、廣汽等汽車公司也已經(jīng)推出了它們的增程式電動(dòng)汽車，這是一種符合國(guó)情的技術(shù)路線，有很好的發(fā)展前景。除此之外，還有許多家公司都已經(jīng)加入到了這個(gè)行列，比如特斯拉、捷豹等，電動(dòng)汽車已經(jīng)展現(xiàn)了它巨大的潛力，相信這類環(huán)境友好型車型一定有美好的未來(lái)。1.3研究?jī)?nèi)容和方法本文主要的研究?jī)?nèi)容就是對(duì)整車控制器的設(shè)計(jì)和仿真，首先是硬件設(shè)計(jì)，包括各模塊的設(shè)計(jì)以及原理圖的設(shè)計(jì)和制版。除此之外就是利用CRUISE進(jìn)行控制策略的仿真。第二章整車控制器的設(shè)計(jì)整車控制器（vehiclemanagementSystem），即動(dòng)力總成控制器，是整個(gè)增程式電動(dòng)汽車的核心控制部件，它采集加速踏板信號(hào)、轉(zhuǎn)向信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)等具體操作信息，以及電池電量、增程器狀態(tài)等其他部件信號(hào)，并且根據(jù)所獲得的信息進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)以控制汽車其它運(yùn)動(dòng)部件，整車控制器通過(guò)采集司機(jī)的駕駛信號(hào)和車輛狀態(tài)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行管理，調(diào)度，分析和運(yùn)算[2]。針對(duì)車型的不同配置，進(jìn)行相應(yīng)的能量管理，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車整車的驅(qū)動(dòng)部件運(yùn)行、能量分配和網(wǎng)絡(luò)管理等功能，直接影響了整車的性能，所以整車控制器的設(shè)計(jì)是重中之重。2.1背景介紹增程式電動(dòng)汽車是在純電動(dòng)汽車的基礎(chǔ)之上增加了小型發(fā)電機(jī)和增程器的電動(dòng)汽車，突破了純電動(dòng)汽車受動(dòng)力電池的限制使得續(xù)航里程少而且成本偏高的不良現(xiàn)狀。它的行駛動(dòng)力是由自帶的電動(dòng)機(jī)提供，汽車在電量充足的時(shí)候，發(fā)電機(jī)不會(huì)消耗燃油發(fā)電，只是以純電動(dòng)形式工作，可以在短程內(nèi)使用，滿足日常需要，當(dāng)動(dòng)力電池電量消耗過(guò)多達(dá)到臨界值以下時(shí)，增程器將會(huì)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)為其提供電能，增加行駛里程，這就是所謂的“增程”。當(dāng)增程式電動(dòng)汽車空閑時(shí)可以通過(guò)充電器進(jìn)行充電，這和純電動(dòng)車差不多。圖2.1增程式汽車工作流程圖整車控制器在增程式電動(dòng)汽車當(dāng)中處于核心地位，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)不相互干擾傳遞準(zhǔn)確，控制核心運(yùn)算速度快，我們采用高集成度的模塊化設(shè)計(jì)方案，在整個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)中，從信息管理、能量管理、故障檢測(cè)診斷三個(gè)方面入手，并且需要滿足以下設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，才能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如下圖所示：圖2.2控制器硬件設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)2.2整車控制器控制策略設(shè)計(jì)2.2.1控制策略概述整車控制器的控制策略設(shè)計(jì)指的是在現(xiàn)有硬件的基礎(chǔ)之上所進(jìn)行的上層的控制方案的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，實(shí)際上指的就是我們利用控制算法，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制底層的物理硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車的控制。由于增程式電動(dòng)汽車有許多能量源，我們的控制策略主要負(fù)責(zé)管理整個(gè)汽車的能量傳遞和轉(zhuǎn)換，由所得信號(hào)控制（汽車信號(hào)和駕駛員給予信號(hào)）實(shí)現(xiàn)整個(gè)汽車的綜合調(diào)度。另外，增程式電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的方面很多，所以控制策略的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)可以從很多的角度針對(duì)不同的方向來(lái)做，我們只要選取其中的一種方向就可以了。本文所做的實(shí)際開(kāi)發(fā)工作從電池保護(hù)的方向入手，主要針對(duì)電池SOC進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車的控制和開(kāi)發(fā)。在增程式電動(dòng)汽車當(dāng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)共同組成了整個(gè)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池充電能源，這兩個(gè)部分組合起來(lái)構(gòu)成了增程器，整個(gè)機(jī)車通過(guò)CAN模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)交互和能量分配，不僅可以通過(guò)增程器實(shí)現(xiàn)燃油增程，而且在空閑時(shí)間內(nèi)也可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)家用220V交流電源向車載電池充電，這就在共同作用下實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)模式和增程模式的行駛。也就是說(shuō)，在設(shè)計(jì)控制策略的時(shí)候，我們主要實(shí)現(xiàn)的就是優(yōu)化動(dòng)力電池、增程器、驅(qū)動(dòng)器三種能量源的能量分配，也就是本小節(jié)要設(shè)計(jì)闡述的問(wèn)題。2.2.2具體控制策略本文所采用的控制策略主要是控制車載電池，電池的使用壽命問(wèn)題在電動(dòng)車當(dāng)中異常突出，由于車載電池在整個(gè)電動(dòng)汽車當(dāng)中的關(guān)鍵地位以及成本，使得本文作者通過(guò)限制動(dòng)力電池充放電次數(shù)，限制其大電流長(zhǎng)時(shí)間充放電，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)增程器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的管理和能量分配，從而達(dá)到增加電池使用壽命、保護(hù)動(dòng)力電池（設(shè)計(jì)目標(biāo)）的目的。首先是獲取電池剩余電量SOC值，通過(guò)對(duì)電池電量多對(duì)應(yīng)的電壓曲線的分析，我們利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的電池電壓然后對(duì)應(yīng)下圖（圖2.3）所給出的電池電量電壓曲線，就可以得到SOC值，從而利用這個(gè)值實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力的控制。圖2.3電池電量0%—100%所對(duì)應(yīng)的電壓曲線然后我們對(duì)限制充放電次數(shù)進(jìn)行闡述。由圖2.3所示流程圖下半部分所示，我們所做設(shè)計(jì)的就是通過(guò)所得的SOC值獲悉電池的工作狀態(tài)，然后利用其門限值調(diào)節(jié)增程器，使得電池維持在較高的使用效率從而提高其工作壽命。這包括兩個(gè)模式：充電模式和放電模式。當(dāng)SOC值較高時(shí)增程器不會(huì)給車載電池充電，當(dāng)電池SOC值較低時(shí)，增程器會(huì)對(duì)電池充電并且對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行供電，這兩個(gè)門限值在綜合考慮后設(shè)計(jì)為50%和80%，其模式轉(zhuǎn)換方式在流程圖中已經(jīng)表明，在此不再贅述。另外，限流保護(hù)也即是限制其大電流長(zhǎng)時(shí)間充放電也是異常重要的一點(diǎn)，電池實(shí)際工作過(guò)程當(dāng)中瞬時(shí)大電流充放電不可避免，由下式可得通過(guò)限制ΔSOC就可以電池電流，通過(guò)觀察ΔSOC的大小就可以得知當(dāng)前充放電電流情況，從而再利用ΔSOC來(lái)修正增程器的功率輸出，達(dá)到限制大電流長(zhǎng)時(shí)間放電的目的。公式如下：ΔSOC=QUOTE(2.1)整車控制器在上電自檢之后首先要接收電池的SOC值，然后在電池電量小于50%時(shí)進(jìn)入充電模式，在大于80%時(shí)進(jìn)入放電模式，其它時(shí)間模式不變。在每次信號(hào)接收時(shí)都要進(jìn)行故障檢測(cè)，這樣就會(huì)在工作過(guò)程中保證信號(hào)準(zhǔn)確性和電動(dòng)汽車運(yùn)行安全。下面是針對(duì)電池保護(hù)策略設(shè)計(jì)的整車控制器工作流程圖：圖2.4控制策略流程圖2.3增程式電動(dòng)汽車控制器硬件設(shè)計(jì)整車控制器的硬件設(shè)計(jì)包括控制主芯片的選取、流程圖的設(shè)計(jì)、各模塊的關(guān)系以及模塊設(shè)計(jì)、PCB圖的繪制等，本小節(jié)主要從硬件總體設(shè)計(jì)、各模塊硬件設(shè)計(jì)、PCB板的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面來(lái)做具體介紹。由于設(shè)計(jì)需要，本文設(shè)計(jì)方案使用的是微處理器MC9S12XEP100，并且選用SPI模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、CAN模塊、PWM模塊、IIC通信模塊等五大模塊，對(duì)整車控制器進(jìn)行統(tǒng)籌調(diào)配。整車控制器是一個(gè)多輸入多輸出的復(fù)雜控制器，不僅要對(duì)電動(dòng)車速度信號(hào)、溫度信號(hào)、踏板信號(hào)等進(jìn)行采集和處理，而且要進(jìn)行各種輸出和相互通信，因此為了保證信號(hào)的不失真?zhèn)鬏?，排除互相的干擾，硬件設(shè)計(jì)當(dāng)中采用模塊化設(shè)計(jì),盡量減少各個(gè)部分之間的干擾[3]。圖2.5為整車控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：圖2.5整車控制器結(jié)構(gòu)圖2.3.1MCU模塊在設(shè)計(jì)當(dāng)中采用了飛思卡爾公司的MC9S12XEP100作為處理核心，該處理器運(yùn)算速度快，存儲(chǔ)空間大，管腳資源豐富，而且價(jià)格低廉完全可以滿足本項(xiàng)目的需要。在MCU設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先是在處理器最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上增加了一些外圍輔助模塊，其中包括復(fù)位電路、狀態(tài)指示、BDW接口等電路，下面做具體介紹[4]。圖2.6MCU最小系統(tǒng)1)復(fù)位電路前端是一個(gè)手動(dòng)的復(fù)位電路，當(dāng)按下之后電容放電使得reset接地復(fù)位。后端復(fù)位電路采用CAT1021芯片實(shí)現(xiàn)自動(dòng)復(fù)位，它主要運(yùn)用于程序自檢，當(dāng)程序進(jìn)入死循環(huán)或者死機(jī)等情況時(shí)進(jìn)行復(fù)位[6]。圖2.7復(fù)位模塊2)狀態(tài)指示和調(diào)試接口這兩部分比較簡(jiǎn)單，狀態(tài)指示負(fù)責(zé)標(biāo)識(shí)當(dāng)前狀態(tài)的顯示，并且采用串聯(lián)電阻限流的控制方法，該部分直接與MCU相連并由其控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。BDM接口即調(diào)試接口，由摩托羅拉公司開(kāi)發(fā)，這個(gè)接口主要是負(fù)責(zé)程序的在線調(diào)試，電路簡(jiǎn)單，不再贅述。圖2.8狀態(tài)指示和調(diào)試接口2.3.2供電模塊供電電路為整板提供電源，整板供電模塊又包括保護(hù)電路和外圍供電電路。如圖2.9左半部分，保險(xiǎn)絲F1位蓄電池電壓VAMS提供過(guò)流保護(hù)，R5為壓敏電阻用來(lái)吸收浪涌脈沖，Q1是PMOS為電路提供反接保護(hù)，電容用來(lái)濾波和穩(wěn)壓，并且可以防靜電，電感用來(lái)防止電流的快速變化。圖2.9整板供電模塊供電電路設(shè)計(jì)了12V和5V供電，對(duì)于12V供電可以通過(guò)保護(hù)電路之后直接供電，而5V供電電路采用低壓差線性穩(wěn)壓器進(jìn)行電壓變化。2.3.3CAN模塊CAN總線接口電路所實(shí)現(xiàn)的功能MCU到CAN總線的信號(hào)傳輸，PCA82C250/251收發(fā)器是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口，NUP2105L是雙向電壓保護(hù)器以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓保護(hù)，ZHYS81R5是一個(gè)共模抑制線圈可以有效抑制共模信號(hào)的通信干擾，不僅實(shí)現(xiàn)了芯片與CAN總線的通信，而且提高了通信的可靠性和安全性。圖2.10CAN模塊2.3.4輸入信號(hào)處理1)開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入處理開(kāi)關(guān)量的輸入采用3塊MC33884芯片的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)32路信號(hào)的輸入，是數(shù)字電路多路信號(hào)時(shí)的典型用法，在此不再贅述。開(kāi)關(guān)量信號(hào)由微處理器的SPI模塊進(jìn)行接收。圖2.11開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入2)電阻信號(hào)輸入處理溫度傳感器、濕度傳感器等的輸出信號(hào)為電阻信號(hào)，所以在整車控制器的設(shè)計(jì)當(dāng)中我們針對(duì)PT100溫度傳感器進(jìn)行了電阻信號(hào)輸入電路的設(shè)計(jì)。在本電路當(dāng)中R41、R39、R46、R51均采用精度為1%的高精度電阻，由于PT100在20度的工作環(huán)境下的電阻大約是107歐姆，所以把R41設(shè)為107歐姆。電阻信號(hào)通過(guò)電橋變?yōu)殡妷盒盘?hào)之后由放大器AD620放大115倍（由放大器參數(shù)計(jì)算可得），電阻信號(hào)的兩端分別接在Res1和Res2上。圖2.12電阻信號(hào)輸入處理3)模擬信號(hào)輸入模擬量采用多路選通進(jìn)行信號(hào)輸入，模擬信號(hào)先通過(guò)左端的信號(hào)進(jìn)行濾波處理之后送至多路選通器CD4051，本設(shè)計(jì)當(dāng)中的八路模擬量可以由A、B、C進(jìn)行選通，然后由Y引腳進(jìn)行輸出。圖2.13模擬信號(hào)輸入2.3.5輸出信號(hào)處理1)開(kāi)關(guān)量24路輸出開(kāi)關(guān)量的輸出采用3塊MC33879H芯片的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)24路信號(hào)的輸出，由于圖片過(guò)大，下圖2.13以兩塊芯片的聯(lián)結(jié)作為示例，其輸出方式與上文中開(kāi)關(guān)量輸入的芯片聯(lián)結(jié)與選通方式類似，同是數(shù)字電路多路信號(hào)時(shí)的典型用法，在此不再贅述。圖2.1424路開(kāi)關(guān)量輸出2)模擬量輸出模擬量輸出電路主要包括兩部分，第一部分是DA轉(zhuǎn)換，第二部分是運(yùn)算放大。DA轉(zhuǎn)換電路采用DAC5574芯片，本設(shè)計(jì)當(dāng)中直接把地址配置引腳接地也就是把通信地址設(shè)為00，從而簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)DA轉(zhuǎn)換。為了提高輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換之后把信號(hào)送到LM2904放大器為核心的放大電路，將電壓放大后才輸出，BAV99LT為電路提供限幅保護(hù)，C126、C128為旁路電容。圖2.15DA轉(zhuǎn)換和DA模擬信號(hào)輸出3)PWM輸出整車控制器的PWM輸出信號(hào)主要用于電動(dòng)車速度等控制信號(hào)，電路結(jié)構(gòu)如下圖2.15所示。微處理器輸出的方波頻率信號(hào)送至LM2904進(jìn)行放大，提高其驅(qū)動(dòng)能力，與上文DA轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)類似，不再贅述。圖2.16PWM輸出2.4PCB設(shè)計(jì)本文當(dāng)中PCB的設(shè)計(jì)是采用軟件AltiumDesigner進(jìn)行繪制的。在設(shè)計(jì)PCB時(shí)首先要考慮的是各部分的相互影響，從這個(gè)方向上首先就是要注意電子元件的選擇，首選的是表面貼片式元件，其次才是引腳元件，選擇電阻時(shí)要在不同功能條件下選擇繞線式或碳膜電阻等，選擇電容電感時(shí)也要注意解決磁兼容問(wèn)題，比如閉環(huán)電感的磁路在其內(nèi)部，干擾性就較低。在PCB的布局設(shè)計(jì)中要分析電路板的單元，依據(jù)起功能進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，對(duì)電路進(jìn)行布局時(shí)，要符合以下原則：1）一般按照電路的整個(gè)模塊分布和流程來(lái)安排布局，使得信號(hào)可以方向一致，流通順暢。2）首先考慮芯片位置，以每個(gè)模塊的核心芯片為中心布局，設(shè)計(jì)合理。3）在電路當(dāng)中，要考慮元器件之間的分布參數(shù)。電路一般應(yīng)盡可能使元器件并行排列[7][8]。布局盡量使得整體美觀，連線清晰，模塊分布明確。本電路設(shè)計(jì)中普通布線寬度設(shè)計(jì)在8mi1，電源線寬度設(shè)計(jì)在15mi1，線間距為16mi1。信號(hào)線過(guò)孔是通孔，過(guò)孔內(nèi)徑12mi1，外徑24mi1。下圖2.17為完成布局布線后PCB圖。圖2.17硬件設(shè)計(jì)PCB圖2.5本章小結(jié)在本章當(dāng)中，本文不僅對(duì)整車控制器的控制策略做了總體概述，而且從電池保護(hù)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了具體的控制策略，為后續(xù)的仿真做了準(zhǔn)備。本章還對(duì)整車控制器進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了具體的分析，并且繪制了PCB，為后續(xù)的研究做了硬件基礎(chǔ)。如果條件允許，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)架測(cè)試和實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，為本文之后的研究奠定了基礎(chǔ)。第三章增程式電動(dòng)汽車仿真測(cè)試整車控制器的仿真在本文當(dāng)中主要指的控制策略的仿真測(cè)試，仿真測(cè)試的目的就是在前文對(duì)整個(gè)增程式電動(dòng)汽車以及整車控制器分析的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)對(duì)前文設(shè)計(jì)的控制策略的測(cè)試。本文實(shí)現(xiàn)的測(cè)試是通過(guò)AVL公司的CRUISE軟件來(lái)進(jìn)行的。3.1軟件仿真方式選擇增程式電動(dòng)汽車的結(jié)構(gòu)由于有很多個(gè)部件而十分復(fù)雜，對(duì)于整車控制器來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車的控制需要考慮電動(dòng)車整個(gè)系統(tǒng)的分配統(tǒng)籌，而對(duì)于本文設(shè)計(jì)的控制策略來(lái)說(shuō)，對(duì)于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、控制器、車載電池的能量控制是本次仿真測(cè)試的重點(diǎn)。這樣的控制是一個(gè)非線性系統(tǒng)，因此借助于計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行仿真測(cè)試具有省時(shí)省力的效果[9]。如果條件允許應(yīng)當(dāng)進(jìn)行臺(tái)架測(cè)試，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整車控制器硬件和所設(shè)計(jì)的控制策略的檢測(cè)。仿真方式在汽車仿真當(dāng)中有前向仿真和后向仿真兩種，這主要是根據(jù)信息和能量流動(dòng)方向來(lái)劃分的。簡(jiǎn)單來(lái)講，前向仿真就是從電動(dòng)機(jī)到速度，仿真方向和功率傳遞方向相同；后向仿真就是以車速為輸入，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的方式。后向仿真主要是不需要考慮駕駛員意圖，不需要按照各種踏板等信息來(lái)進(jìn)行測(cè)試，在本文的控制策略仿真當(dāng)中是正確的選擇。目前有各式各樣的仿真測(cè)試軟件，在考慮了易用性和通用性等之后，我們選擇了CRUISE作為我們的仿真軟件。3.2CRUISE軟件簡(jiǎn)介AVL

CRUISE

軟件是用于車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析的高級(jí)軟件，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜車輛動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析，通過(guò)其便捷通用的模型元件等方面，這個(gè)軟件使得運(yùn)用起來(lái)更加方便[10]。AVL

CRUISE軟件界面友好，用戶容易理解、使用和掌握，結(jié)果分析直觀，易懂。AVL

CRUISE設(shè)計(jì)了大量的內(nèi)置計(jì)算任務(wù)和不同的計(jì)算方法，這些任務(wù)和方法都是為汽車工程專門設(shè)計(jì)的。根據(jù)計(jì)算任務(wù)的不同，可以采用不同的計(jì)算模式。可以與硬件系統(tǒng)（如：AVL

In-Motion，dSPACE，ETAS等）

進(jìn)行聯(lián)合仿真，滿足用戶對(duì)于車輛系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)（Real

Time）仿真分析的需求[11]?？梢宰孕性O(shè)定參數(shù)、模塊和程序，可根據(jù)這些自定義的參數(shù)，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化分析；

內(nèi)置Function函數(shù)，兼容C語(yǔ)言的程序格式，使用戶在不需要第三方程序的前提下便捷的進(jìn)行相關(guān)控制策略的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)[12]。圖3.1CRUISE仿真軟件在本文當(dāng)中主要應(yīng)用混合動(dòng)力汽車模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型構(gòu)建、參數(shù)輸入、程序輸入、運(yùn)行計(jì)算等，以完成對(duì)整個(gè)控制策略的仿真測(cè)試。3.3增程式電動(dòng)汽車模型建立利用CRUISE軟件進(jìn)行仿真首先要搭建extendedrangeEV模型，整個(gè)仿真的流程圖如下圖3.2所示，首先就是要在車輛建模窗口建立模型，然后在模塊之間建立機(jī)械和電氣等信號(hào)的聯(lián)結(jié)，然后根據(jù)整車基本參數(shù)配置各個(gè)模塊，利用C程序進(jìn)行控制策略的輸入和仿真運(yùn)行。搭建的模型如圖3.3所示。圖3.2軟件仿真流程圖圖3.3增程式電動(dòng)汽車模型圖在建立模型時(shí)利用軟件已經(jīng)具有的電動(dòng)汽車模型直接載入即可，并且在此基礎(chǔ)之上根據(jù)我們的增刪幾個(gè)具體模塊以適應(yīng)當(dāng)前的結(jié)構(gòu)。增程控制模塊（ExtendedRangeControl）是整個(gè)增程式電動(dòng)汽車模型當(dāng)中的核心模塊，我們的控制策略主要是利用C語(yǔ)言來(lái)集成到這個(gè)模塊當(dāng)中，通過(guò)協(xié)調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池等模塊完成我們整個(gè)策略仿真測(cè)試[13]。信息聯(lián)接和參數(shù)設(shè)置是模型搭建的重點(diǎn)，首先要深入了解每一個(gè)模塊之間的信息流動(dòng)方式以及所需要的輸入輸出信號(hào)，然后對(duì)連接信號(hào)用箭頭的方式進(jìn)行聯(lián)接，每個(gè)模塊的左下角和右上角分別指的是流入和流出該模塊的信息。之后的參數(shù)設(shè)置是根據(jù)自行設(shè)定的汽車基本參數(shù)輸入的，在CRUISE軟件當(dāng)中每個(gè)模塊都有各自的輸入界面，可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行直接編輯設(shè)置，如下圖3.4所示是電池的配置界面，它包括Voltage、IntialSOC等信息。圖3.4Battery配置界面3.4控制策略嵌入由于在CRUISE軟件當(dāng)中有C-Code的輸入界面，我們可以直接把我們的控制策略以程序的形式輸入到增程控制模塊當(dāng)中，根據(jù)前文所述控制策略，以及圖2.4控制策略流程圖，我們對(duì)控制模塊編寫了控制算法。在控制算法當(dāng)中，a[]數(shù)組表示的是其它模塊的輸入信號(hào)，而y[]數(shù)組表示的是輸出信號(hào)（模塊的控制信號(hào)），編程界面如圖3.5所示。我們利用參數(shù)N來(lái)確定ΔSOC是否超出設(shè)定閾值0.01，并且利用其賦值來(lái)調(diào)整電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)以及動(dòng)力電池輸入輸出實(shí)現(xiàn)限流。核心代碼如下：soc1=soc2;so2=a[0];if((soc2-soc1)>0.01)N=0.8;elseif((soc1-soc2)>0.01)N=1.2;elseN=1;ksoc=ksoc*N;paim=paim*N;papu=papu/N;對(duì)以上算法舉例說(shuō)明：當(dāng)N較大時(shí)代表ΔSOC較大，減少輸出增加輸入來(lái)進(jìn)行限流控制，當(dāng)N較小時(shí)相反，當(dāng)N合適時(shí)不變。圖3.5C語(yǔ)言嵌入集成界面3.5仿真結(jié)果及說(shuō)明本次仿真選擇的是歐洲油耗及排放評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)NEDC，其英文全稱是TheNewEuropeanDrivingCycle，是經(jīng)典的整車性能的工況標(biāo)準(zhǔn)[14]。NEDC工況測(cè)試由市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)兩部分組成，其中市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)又是由四個(gè)小的市區(qū)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)單元組成，每個(gè)循環(huán)單元測(cè)試時(shí)間為195s，包括啟動(dòng)，加速以及減速停車等幾個(gè)階段。下圖3.6是NEDC工況示意圖。圖3.6NEDC循環(huán)工況示意圖在本次仿真當(dāng)中，利用多次重復(fù)仿真來(lái)模擬增程式電動(dòng)汽車的多次循環(huán)充放電過(guò)程，仿真結(jié)果如下圖3.7所示。在仿真結(jié)果當(dāng)中，我們主要測(cè)試的量有電池電量，電量變化量等四個(gè)量，利用這幾個(gè)量就可以有效說(shuō)明我們的控制策略及仿真結(jié)果。在仿真當(dāng)中，為便于觀察我們?cè)O(shè)定電池電量為30%，仿真開(kāi)始之后，增程器啟動(dòng)給電池充電并且給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，在電量未達(dá)到80%時(shí)，充電狀態(tài)比較平穩(wěn)，在遇到突然加速或其它使得輸出功率增大的情況，電池會(huì)放電以補(bǔ)充增程器的供電不足狀態(tài)，這樣會(huì)拉低電量。在整個(gè)仿真當(dāng)中，電量始終控制在30%到80%之間，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)突然功率變化時(shí)，增程器會(huì)幫助電池供電以限流保護(hù)，如圖3.7的5000s左右，增程器的突然變化就是說(shuō)明了這一點(diǎn)。圖3.7仿真結(jié)果圖由圖中的仿真曲線可以看出，電池的充放電在未達(dá)到80%和50%時(shí)不會(huì)進(jìn)行充放電狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，有效限制了充放電的次數(shù)，在突然加速或上坡時(shí)增程器的狀態(tài)變化表示我們實(shí)現(xiàn)了限流保護(hù)的目標(biāo)，充分說(shuō)明了控制策略的可行性，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)[13]。3.6本章小結(jié) 在本章當(dāng)中首先是對(duì)仿真方式的選擇，然后是對(duì)所選擇的軟件CRUISE的功能介紹[15]。重點(diǎn)是在CRUISE平臺(tái)之上我們進(jìn)行了模型建立，參數(shù)設(shè)定，以及控制策略的嵌入和仿真，并且在NEDC工況條件下我們的仿真很好的說(shuō)明了本文的控制策略達(dá)到了我們的預(yù)期目標(biāo)。本次仿真為進(jìn)一步的臺(tái)架測(cè)試及后續(xù)的整車測(cè)試做了很好的鋪墊。第四章結(jié)論1.總結(jié)電動(dòng)汽車作為不消耗石油資源，并且能夠零污染的新型汽車，對(duì)我國(guó)的環(huán)境污染和資源節(jié)約等方面的貢獻(xiàn)和前景十分突出。但是由于電動(dòng)汽車車載電池技術(shù)不成熟的限制，