新能源电动汽车整车控制器研究与设计毕业论文

 2020-04-08 02:04

摘 要

在化石燃料日益匮乏和环境污染日益严重的今天,发展新型清洁能源,倡导节减排生活方式已成为一种趋势,电动汽车(EV)在全球范围内的推广应用已经在全球推广,预计电动汽车将带来能源安全,全球和当地环境以及经济增长。随电动汽车(EV)和插电式混合动力汽车(PHEV)降低传统上严重依赖外国进口的国家的石油消耗量,能源安全性有望得到改善。而整车控制器作为整车控制的核心,它的研究成果好坏直接决定了整车的安全性和可靠性,因此研究整车控制器对与全球的纯电动汽车的发展都有重要的意义。

本论文首先介绍了国内外一些大型汽车公司和各大高校对电动汽车整车控制器的研究情况,分析国内外研究的发展趋势。然后对纯电动汽车的结构和控制方式进行了分析,提出了纯电动汽车整车控制器应该具备的功能,以及设计的技术要求。并在此基础上对整车控制器的软硬件电路进行了设计。最后通过对整车能量回馈的的研究,设计了整车控制器的控制软件。

关键词:纯电动汽车;整车控制器;硬件电路;控制策略

Abstract

Nowadays, with the increasing scarcity of fossil fuels and increasingly serious environmental pollution, it has become a trend to develop new types of clean energy and promote energy-saving lifestyles. The promotion and application of electric vehicles (EVs) has been promoted globally. It is expected that electric vehicles will be promoted globally. It will bring energy security, global and local environment and economic growth. As electric vehicles (EVs) and plug-in hybrid vehicles (PHEVs) reduce the oil consumption of countries that traditionally rely heavily on foreign imports, energy security is expected to improve . The vehicle controller is the core of the vehicle control. Its research results directly determine the safety and reliability of the vehicle. Therefore, research on the vehicle controller is of great significance to the development of the global pure electric vehicle. .

This thesis firstly introduces the research situation of some large auto companies and universities in domestic and foreign countries on the vehicle controller of electric vehicles, and analyzes the development trend of domestic and foreign research. Then the structure and control method of the pure electric vehicle are analyzed, and the functions that the pure electric vehicle controller should have and the technical requirements of the design are proposed. Based on this, the hardware and software circuits of the vehicle controller are designed. Finally, through the research on the whole vehicle energy feedback, the control software of the vehicle controller is designed.

Keywords: Pure electric vehicle; Vehicle controller; Hardware circuit; Control strategy

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1纯电动汽车研究背景和意义 1

1.2纯电动汽车整车控制器国内外研究现状分析 2

1.2.1国外发展现状分析 2

1.2.2国内发展现状分析 5

1.3本论文主要研究内容 5

第2章 纯电动汽车整车控制系统分析 6

2.1整车控制器的研究概况 6

2.2整车控制系统组成和工作原理 7

2.3整车控制器主要功能 8

2.4本章小结 9

第3章 整车控制器硬件设计 10

3.1整车控制器总体设计 10

3.2 MC9S12XET256简介 10

3.3单片机最小系统设计 11

3.3.1电源电路 11

3.3.2时钟电路 12

3.3.3复位电路和BDM电路 13

3.4信号处理电路 13

3.4.1开关信号处理电路 13

3.4.2模拟信号处理电路 14

3.4.3频率量信号处理电路 14

3.5串口通信电路 15

3.6 CAN通讯电路 15

3.7硬件抗干扰措施 16

3.8本章小结 16

第4章 整车控制策略研究与软件设计 17

4.1 行驶驱动策略研究设计 17

4.2能量管理策略研究 18

4.2.1基于模糊控制的能源管理策略研究 18

4.2.2能量管理策略程序研究 19

4.3再生制动能量回馈控制策略研究与程序设计 20

4.4整车控制器软件设计 21

4.4.1主程序模块 21

4.4.2采集模块 22

4.4.3 CAN总线通信模块 24

4.4.4起步控制模块 25

4.4.5行车控制模块 26

4.4.6软件抗干扰措施 27

4.5本章小结 28

第5章 总结 29

参考文献 30

第1章 绪论

1.1纯电动汽车研究背景和意义

自1886年德国发明了世界上第一辆汽车以来,汽车工业迅猛发展并且趋于成熟,在过去的一百多年中传统汽车工业从无到有,日新月异[1]。集合了各国研究人员的努力使得我们的生活范围和生活方式发生了巨大的改变,现如今汽车行业已经成为国民经济的支柱产业之一。然而近些年来,汽车保有量迅速增加,随之带来的是一系列的能源和环境问题,同时汽车的巨额消费需求和有限的能源环境之间产生了巨大的矛盾。据统计,应用在汽车上的石油资源超过40%,按照现在的石油消耗速度,目前已经探明的全世界石油储量将会在数十年之后枯竭,与此同时,汽车排除的尾气中二氧化碳、硫化物、氮氧化物等都会给环境造成严重的污染,加剧温室效应。

在资源形式越发紧张和环境问题日益严峻的今天,节能减排已经是发展的基本原则。汽车,这一人们日常的交通工具则是排放和能耗大户,到目前为止,汽车产业的发展对环境污染所造成的不可逆伤害亦是显而易见的。随着汽车保有量的快速增加,尾气排放成为了空气污染的主要来源。2010年全国机动车排放污染物5226. 8万吨,其中汽车排放的NOx和颗粒物(PM)超过85% HC和CO超过70 %[2]。首先,汽车尾气中排放的大量二氧化碳是导致温室效应的主要原因之一,全球气温升高所带来的物种灭绝、海平面上升等问题是不能忽视的;第二点,汽车尾气中包含的大量S、N化合物,将会在空气中与其他物质反应,是形成酸雨的主要原因之一;第三点是,汽车尾气排放物中含有直径小于2.5um的固体颗粒物,特定天气条件下聚集起来可以形成雾霾,对人体的呼吸系统会产生长期严重危害。这三者中尤其是雾霾,近几年来它以最简单最直观的方式引发了社会的极大关注度。

汽车行业的发展不可以停止,但解决环境污染的问题亦则是迫在眉睫,因此纯电动汽车的设计研发势在必行。随着汽车保有量增加,汽车的排放量也在日益增长,尤其在人口较为密集的部分城市,雾霾等环境问题尤为突出。为此,国家也出台了一系列的政策方针来应对,但是未能从根本上解决问题,成效不佳。随着国外的主流汽车企业陆续在新能源汽车领域取得突破,新能源汽车就成为国际上解决环境和能源问题的一个未来工具。

据Navigant Research公司发布的《交通运输业预测:轻型汽车》 (Transportation Forecast Light Duty Vehicles)报告显示,截至2015年末,世界汽车保有量达到12亿辆,预计未来几年世界汽车保有量情况如下:2018年13.4亿辆;2019年13.9亿辆;2020年14.5亿辆。巨大的汽车保有量在带动了经济发展的同时,也带来了巨大的环境污染,其中42%的环境污染是来源于燃油汽车尾气排放。随电动汽车(BEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)降低传统上严重依赖外国进口的国家的石油消耗量,能源安全性有望得到改善[3]。而电动汽车(EV)作为一支新生代重要力量迈上世界汽车工业舞台,出现在人们眼前。在与传统的内燃机车相比,电动车的工作效率更高,电动汽车在使用过程中不会排放大气,减少空气污染和全球变暖问题。在电动汽车系统中使用可再生能源减少了耗尽矿物燃料的使用[4]

它能够带来的巨大经济效益和环境效益,使得各国政府和汽车制造商努力推动着其快速发展,在此过程中则陆续出现了纯电动汽车(PEV),混合动力汽车(HEV),燃料电池电动汽车(PCEV)和外接充电式混合动力汽车(PHEV)等新型汽车[5]。而其中PEV因为能够真正的实现“零排放”而成为整个电动汽车产业之中的重要发展方向之一。

新能源汽车中,混合动力汽车尤其是纯电动汽车逐渐得到了广泛承认,各国政府和汽车制造商都开始了大力研究。2011年以来,我国大力支持相关企业对新能源汽车的研发,同时,为推动电动汽车打开国内市场,我国也制定了一系列的制造和购买补贴政策。我国的石油资源大部分依赖进口,据不完全统计,我国目前的石油对外依赖度已经超过50%,预计到2030年时,我国的石油进口量甚至将达到80%[6]

为了履行国际责任与我国的自身发展,身为汽车大国,发展新能源电动汽车势在必行。目前混合动力电动汽车的动力来自于化石燃料和蓄电池,通过发动机和电机共同驱动车轮行驶。燃料电池电动汽车是由氢燃料电池不断产生电能并且储存,但因为燃料电池具有不可逆的性质,在汽车制动过程中不能进行能量回收。所以,我们若是从整体的角度看纯电动汽车的话,相比于传统汽车,它的优点十分突出:零排放、噪声小、能量可回收、结构简单、维修方便。

1.2纯电动汽车整车控制器国内外研究现状分析

1.2.1国外发展现状分析

由于国外对纯电动汽车的研发起步较早,再加上在这个领域的研发投入较大,人才、技术和市场都处于领先地位,现在国外的整车控制器技术已经相对比较完善。因此,在国外很多汽车企业和汽车零件公司都有能力研发出经得起市场考验的整车控制器相关系列产品,在节能效果和控制策略上都有很好的效果。下面我将对一些市场上较为成熟的产品进行举例:

1)丰田公司整车控制器

丰田公司整车控制器的原理图如图1-1所示,该车为后轮驱动,其中左后轮和右后轮则分别由两个轮毅电机进行驱动,该款整车控制器能够接收驾驶员的操作信号和汽车的运动传感器信号,其中驾驶员的操作信号包括加速踏板信号、制动踏板信号、换档位置信号和转向角度信号[7]。汽车的运动传感器信号包括横摆角速度信号、纵向加速信号、横向加速信号和四个车轮的转速信号,这些信号经过控制策略计算,然后通过左右两组电机控制器和逆变器分别驱动左后轮和右轮[8]

图1-1丰田公司整车控制器原理图

2)日立公司整车控制器

图1-2 日立公司整车控制器原理图

日立公司纯电动汽车整车控制器的原理图如图1-2所示,该款电动汽车为四轮驱动,与上文中的丰田汽车的整车控制器差距较大,其中前轮由低速永磁同步电机通过差速器驱动,后轮由高速感电机通过差速器驱动。该款整车控制器的控制策略是在不同的道路及天气情况下使用不同的电驱动电动汽车,或者按照一定的扭矩分配比例,联合使用两台电机驱动电动汽车,使系统动力传动效率最大。该款控制器设计时之所以是四轮驱动,是为了适应不同的路况。比如,当电动汽车起步或爬坡时,将由低速、大扭矩永磁同步电机驱动前轮,通过前轮驱动来控制车;而当电动汽车高速行驶时,则是由高速感应电机驱动后轮,以此来进行整个汽车不同情况的控制。

3)日产公司整车控制器

日产聆风汽车由层叠式紧凑型锂离子电池驱动,该款车型在完全充电情况下能够实现160km以上的里程。充电时若采用200 V的家用交流电,大约需要8个小时可以将电池充满;而快速充电则只需要10 min的时间,就可以拥有供其行驶50 km的用电量。其原理图如图1-3所示:

图1-3 日产公司整车控制器原理图

1.2.2国内发展现状分析

国内市场目前没有纯电动汽车整车控制器产品的生产和销售,整车控制主要由一些高校在研发,这其中包括天津大学、北京理工大学、湖南大学等。其技术方案是通过微处理器的嵌入结构,编写控制软件代码,实现高效率驱动纯电动汽车的功能,它一般采集加速踏板、制动踏板、换档位置、车速等信号,使用CAN总线与电机控制器和电池管理系统通信,实现对整车的管理与控制[9]

1.3本论文主要研究内容

本论文的核心内容是设计纯电动汽车整车控制器的硬件电路,研究和分析整车控制策略,并设计控制软件,即:

1)整车控制器硬件设计

分析整车控制器的结构及功能,通过研究整车控制器的网络结构以及需要实现的功能,得出要达到的技术要求,并将其硬件结构模块化,最后将各个模块连接起来得到硬件电路。

2)整车控制器控制策略研究

整车控制策略的制定是软件设计的前提。整车控制策略一般包括以下三部分:行驶驱动控制策略、能量管理控制策略和再生制动能量回馈控制策略。

3)整车控制器控制软件设计。

软件的设计是对以上研究的整合,在纯电动汽车整车运行中,控制器软件接收各种信号如踏板信号、开关信号和电机状态信号等,通过整车控制策略子程序计算,得出电机转矩和电源能量输出功率分配。

第2章 纯电动汽车整车控制系统分析

整车控制器(VCU)主要是用来协调和控制车辆动力系统。从整车的角度进行扭矩和转速的控制,能够十分有效地改善驾驶员感受,降低油耗和排放,因此它是整个纯电动汽车整车电子控制系统中的关键设备。而电控单元是整车控制器中最重要的部分,是整车控制器系统的核心。随着对电动汽车整车控制器的研究越来越深入,开发出了越来越多的功能,所以电动汽车上的电子设备接口日趋增多,因此而导致的就是控制系统越来越复杂,基于此,我们研究出先进精密的整车控制结构对于确保车辆安全行驶以及提高控制系统之间的数据传递效率都具有重要意义。

2.1整车控制器的研究概况

当前对整车控制器的研究主要集中在再生制动控制、牵引力控制等方面。国外的学者对纯电动汽车的各方面研究都较多,相对于此国内的研究水平还达不到要求,同时国外的大型汽车企业在电动汽车领域也具有较高的研究水准和技术水平。另外在标准化方面,国外的汽车开放系统架构标准已经建立的较为完善,他们的标准是由整车厂商来负责研发整车控制软件,而由汽车零部件厂商来提供硬件和部分底层驱动软件,分工合作。

图2-1国外某专利电动汽车整车控制系统

一个申请了国外专利的某电动汽车整车控制系统如上图所示,该系统是由传感器输入及开关系统、系统驱动输出、控制单元输出系统等分系统组成。每个系统也有自己单独的子系统。相比于国外的研究,我国整车控制器的研究主要偏向于工程应用,因此只是在整车控制器的硬件实现和控制策略等方面的研究上取得了一些进展,并没有达到国外的技术水平。高校方面,天津大学等科研单位共同参与研制了一款纯电动汽车整车控制器。总体而言,目前我对于整车控制器的研究还只是处于试验阶段,主要研究方向就是根据电动汽车功能的需求来进行设计,现在已经可以初步实现整车控制器的一些基本硬件结构,但是在软件设计方面,各种功能研究等还需进一步完善,另外在整车通信控制方面因为技术水平低,我国还没有建立一个安全统一的网络通信协议,整体的研究水平来说我国和国际高端水平相比仍然存在着不小的差距。

2.2整车控制系统组成和工作原理

纯电动汽车整车控制系统主要由整车控制器、踏板、驱动电机、外电源、整车通信网络和电机控制器等组成。纯电动汽车整车控制器通过收集点火信号、踏板信号、能源管理系统信号以及电机控制器信号,对驾驶员意图和车辆行驶状态两方面来进行各种工况的判断,得到结果后根据情况来控制电动汽车进入不同的运行模式。我们所见到的整车控制系统按照执行任务的层级可大概的分为三部分:决策层、协调层、执行层。其中决策层由驾驶员构成,具有主观性;协调层是整车控制器,它根据车辆行驶状态和决策层的指令对驾驶员的操作目的做出合理的判断;然后整车控制器将控制指令发送给执行层,由相应的执行层来执行控制命令,具体图如下。

图2-2 整车控制器系统组成

2.3整车控制器主要功能

整车控制器是整车控制系统的核心,其硬件结构组成如下所示。在整车控制系统中,整车控制器通过接收传感器传送的数据和驾驶员的操作指令,能够按照所设定好的控制策略进行处理,并且发送控制指令到电机控制单元、电池管理系统和车内服务设施等控制单元,同时可以对车辆的运行状态进行实时监控。整车控制器在其中扮演着重要的角色,它可以直接或者通过CAN总线和其他电控单元进行数据的收集和控制指令的传递,以整车控制器为中心的通信网络的存在使数据的传递十分迅速且可靠,可以控制汽车更安全可靠的行驶,并修正在此过程中产生的误差。在电动汽车制动过程中我们也可以通过制动能量回馈控制来提高纯电动汽车的续航能力。控制器实现的主要功能有:

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