黄其;薛利昆;罗玲;王伟建
【摘 要】电动汽车无排放、低噪声、乘坐舒适,现已得到广泛应用.整车控制器VCU是电动汽车控制的中心,接收驾驶员的操作指令,实时监控电池管理系统、电机系统和其它附件的状态,运算处理后将控制指令发给汽车各个部件.该文采用英飞凌XC2267M-单片机开发了电动汽车整车控制器,介绍了硬件结构和主要程序功能;并根据其功能和信号类型设计了测试系统,包括信号板(开关量和模拟量输入,输出显示)、USBCAN通信卡和LabVIEW上位机,上位机模拟各个部件收发CAN报文、同时显示整车运行状态,测试系统可以配合整车控制器完成各项性能测试.
【期刊名称】《自动化与仪表》
【年(卷),期】2019(034)003
【总页数】6页(P14-18,37)
【关键词】整车控制器;英飞凌XC2267M;USBCAN;LabVIEW
【作 者】黄其;薛利昆;罗玲;王伟建
【作者单位】国家精密微特电机工程技术研究中心,贵阳550081;西北工业大学自动化学院,西安710072;西北工业大学自动化学院,西安710072;西北工业大学自动化学院,西安710072;西北工业大学自动化学院,西安710072
【正文语种】中 文
【中图分类】U469.7
电动汽车以电机为驱动机构，与传统燃油发动机汽车相比，起动力矩大、加速快，变速箱噪声减少，行驶中没有尾气排放，应用越来越广泛[1]。电动汽车的三大核心部件为整车控制器VCU（vehicle control unit）、电池管理系 统BMS（battery management system）和电机控制系统MCU（motor control unit），通过控制信号线束（通常采用CAN 总线）和电力线束相互连接[2]，如图1 所示。整车控制器VCU接收驾驶员的操作指令，并实时监控整车附件、电池系统及电机系统部件的状态，向附件和电机系统发出控制指令。电池管理系统BMS 主要完成电量检测、保护、状态预测、充放电控制、电流均衡等功能[3]。电机控制系统MCU
是实现电能向汽车动能转换的部件，主要完成行车、刹车、倒车、驻车等功能。三大核心部件都属于独立的电子系统，在进行整车组装前都各自进行测试，通常采用硬件在回路仿真平台，例如LabCar 或dSPACE 实时仿真系统[4-5]。但半实物仿真平台系统复杂，信号采集设备成本高；而且车辆组装完成后，测试系统不方便随车进行现场测试。
图1 电动汽车的三大核心部件Fig.1 Three major components of electrical vehicle
根据汽车行业标准，本文采用汽车级单片机英飞凌XC2267M 开发了电动汽车整车控制器，介绍了硬件结构和程序功能； 并设计了一套低成本、便携式的测试系统，包括信号板（开关量和模拟量输入，输出显示）、USBCAN 通信卡和LabVIEW 测试上位机，对整车控制器进行了相关测试。
1 整车控制器设计
整车控制器是电动汽车的控制中心，一方面要识别驾驶员的操作指令，控制各执行部件动作，转化为车辆运动；另一方面要对车辆的各个部件（电池管理系统BMS、高压柜DC/DC、电机控制器MCU、空调等）进行实时监控，根据运行状况作出警告或降功率保护处理[6]。
1.1 整车控制器处理硬件设计
整车控制器的输入信号主要是驾驶员的操作指令，包括档位、钥匙、充电机、以及油门和刹车踏板，还有高压配电柜反馈信号；整车控制器的输出信号主要是控制电机与电源母线通断的接触器，还有控制空调、助力转向油泵、制动气泵、冷却水泵通断的继电器。整车控制器通过CAN 总线与电机控制器、电池管理系统、仪表进行通信。
根据整车控制器处理的信号内容来设计硬件电路，主要由英飞凌XC2267M 单片机最小系统电路、AD 接口电路、 开关量电平转换电路、CAN 总线通信电路组成，如图2 所示。英飞凌XC226x 系列单片机的时钟频率为80 MHz，拥有4 个PWM 单元，两个快速10 位ADC，6 个串行接口（USIC 通道）、6个CAN 节点，可以运行在低功耗省电模式。整车控制器采用TJA1050 芯片实现CAN 总线通信、 采用BTS724G 芯片实现5 V 高边驱动。整个电路板装入金属盒，再把金属盒接地进行屏蔽，来提高整车控制器的抗干扰性能。
图2 整车控制器的硬件结构Fig.2 Hardware structure of VCU
1.2 整车控制器的软件设计
英飞凌XC2267M 单片机可采用可视化芯片寄存器配置软件Dave，直接生成project 文件（包含主函数和各个模块的子函数），能在其他编译环境如keil 或Tasking 中打开。整车控制器的软件主要完成上下电逻辑控制、故障识别及处理、电机请求转矩控制等功能。
1.2.1 上下电逻辑控制
上电时：汽车钥匙被拧到ON 位置，高压控制柜就会将电池和电机控制器相互连接。为了防止高电压电池对电机控制器的电流冲击，就要控制预充接触器和主正接触器的开通顺序：先接通主负接触器和预充接触器，让预充功率电阻和电容来降低电流冲击，待电容电压升到电池电压时再接通主正接触器，随后断开预充接触器，如图3 所示。断电时：汽车钥匙被拧到初始断电位置，先断开主正接触器，再断开主负接触器。当汽车连接到充电器时，钥匙不能控制电池和电机控制器相互连接。
图3 电池与电机的连接电路Fig.3 Connection circuit of BMS and MCU
整车控制器控制的逻辑功能还包括车门开关、三档（前进D、后退R、空挡N）切换、冷却泵的启动等，逻辑控制通常是各个接触器按照一定的顺序开通/关断，宏定义为标志位FLAG，
前一个标志位变化成为下一个标志位变化的条件，条件通常是多个标志位的与/或逻辑关系。上下电程序的流程如图4 所示。
图4 上下电程序流程Fig.4 Flow chart of RUN/STOP
1.2.2 故障识别及处理
整车的故障包括系统通信掉线和部件异常。部件异常主要有电机控制器、电池管理系统、绝缘监测仪、油泵、气泵、高压控制柜DC/DC。
整车控制器的通信自检在上电后首先被执行，附件、电机、电池和整车控制器之间互相发LIFE值，LIFE 值不断自加（20 ms 一次）循环，当目标端前后两次接收的LIFE 值不变时，通讯异常，连续500 ms通讯异常时就将通讯故障标志位置1。
整车故障分为4 级，由高到低为1～4，其处理方式：1 级故障断开动力电池车辆停止，2 级故障限功到60%，3 级故障限功到30%，4 级故障限制功率到15%，每级故障都会发送报警信息。特别注意当电池BMS 发生故障时，电池本身会做故障处理，降低放电电流达到限制功率的作用，此时为防止整车二次限功，可以采用取最小值的方法得到限制功率值Px和电机
转矩Tq 请求值如下：
式中：U 为实时电压；Irea 为电池实时放电电流；Imax为电池最大放电电流；K 为限功百分比；n 为实时转速；k 为油门/制动踏板开度（范围0～1）。
1.2.3 电机请求转矩控制
按照永磁同步电机的工作特性，基速以下采用恒转矩模式，基速以上采用恒功率弱磁升速模式，这也是电动汽车电机的转矩请求最大范围。但实际中电机请求转矩受电动汽车实际运行情况的限制，例如在驱动D 档条件下，车辆最大行驶速度80 km/h，最大加速扭矩为1200 NM，从0 扭矩增至峰值时间需大于0.93 s；当车速快接近80 km/h，请求转矩就不能大大超过汽车行驶的阻力矩，以保证较低的加速度。由于电机工作在发电状态的时间较短，而且频繁短时的充电和放电对电池的寿命有影响，所以整车控制器将电机发电的能量消耗在功率电阻上。
168汽车网2 基于LabVIEW 的测试系统
测试系统要提供车辆运行过程中的所有输入信号，让整车控制器对信号进行处理；同时测试
系统要能显示出整车控制器的所有输出结果。本文采用图形化编程软件LabVIEW 开发上位机软件监控测试结果，通过USBCAN 卡与整车控制器进行数据通信，油门刹车踏板模拟外部输入信号，信号板显示输出信号和中间变量，如图5 所示。
图5 测试系统结构Fig.5 Testing system of VCU
2.1 外部信号的模拟
整车控制器处理的信号有数字量和模拟量，其中油门和刹车信号为模拟量，其它信号均为数字信号，包括档位、钥匙、继电器的通断和反馈；根据通信速率不同、 整车控制器的CAN 总线通讯分为两路：电机与整车控制器之间的高速CAN 线，波特率500 kbps；电池、仪表和整车控制器之间的低速CAN1线，波特率200 kbps。CAN 总线采用全双工模式，可以同时进行数据收发，每路CAN 总线可以挂多个节点node，每个节点有独一的IP 地址，通过IP 地址将报文发到目的控制器。电机请求转矩、电机转速、电池SOC、电机和电池的温度状态信息都是通过CAN总线传输。
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