基于Mototron的纯电动汽车整车控制器设计与开发

【摘要】：随着石油等不可再生燃料的日益减少，环境问题的愈发严重，低污染、低能耗的新能源汽车在世界各地都受到了越来越广泛的关注。日本及欧美的主要发达国家政府都出台了大量政策推动电动汽车的发展，国际大型车企也同步积极地开展了电动汽车的研发工作，推出了Pruis、Volt、Leaf等先进的电动汽车产品。一般认为，电动汽车研发的三大关键技术是电池、电机和电子控制系统。而从整车研发的角度，其中的电子控制系统又是实现整车正常高效运行的关键。电动汽车的电子控制工作主要由整车控制器(VCU，Vehicle Control Unit)来完成，VCU独立于电机、电池、ABS等传统的底层控制器，负责协调控制整车底层主要部件的工作，并保证整车系统的安全可靠运行。本文基于快速原型开发平台Mototron，面向典型的纯电动轿车应用，进行了VCU的硬件匹配及软件设计工作。本文的主要研究工作分为以下四个方面： (1)VCU总体方案设计：根据纯电动汽车的车型选择及主要零部件的选型，确定VCU整车控制的电气架构。在该架构基础上，进一步明确传感器信号采集、执行器驱动、通信等功能的技术指标，综合考虑可扩展性和多样性的要求，确定Mototron的硬件选型，并完成了相关的管脚的功能定义。基于V流程的汽车电子软件开发模式，确定了基于模型的Mototron软件设计方案。 (2)整车控制策略研究：分别针对不同层面的整车功能需求，研究设计了相应的控制策略。在整车功能调度层面，研究了纯电动汽车主要工作模式的划分及各模式间的跳转机制；在转矩控制层面，研究了电动汽车的能量再生控制策略和驾驶员扭矩需求的解析方法；在整车安全层面，除了设计了相应的故障停车和跛行回家的故障保护安全机制外，还针对纯电动汽车的特点，设计了高压电安全管理策略。 (3)基于Mototron的VCU软件开发：利用Mototron提供的硬件底层基础模块，针对传感器信号调理、执行器驱动和通信的需求，结合相应的数字信号处理方法及CAN协议的封装算法，完成VCU底层功能模块的设计。利用SIMUlink的状态机功能，实现整车状态的调度控制。设计结合加速踏板开度、制动踏板开度、电池SOC等因素的扭矩需求解析算法。 (4)VCU的硬件在环验证：将基于Mototron开发的纯电动汽车VCU与课题组开发的电动汽车模拟器相连，通过给定工况的输入和人机界面的操作，使VCU工作于不同的工作模式下，验证本文开发的整车控制策略。主要验证内容包括：整车状态及状态跳转的遍历，VCU对不同工况下扭矩需求的解析，以及制动能量再生控制等功能。验证结果表明，本文所开发的纯电动汽车VCU实现了整车驱动、制动、安全管理等主要功能，可以应用于未来的实车测试，以期通过进一步的软硬件完善，使本文的工作在实际车辆中得以应用。 【关键词】：纯电动汽车 整车控制器 Mototron 软件设计 算法验证
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U469.72
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-24
• 1.1 引言10-12
• 1.2 电动汽车的发展12-18
• 1.2.1 电动汽车发展的历史12-13
• 1.2.2 电动汽车分类13-15
• 1.2.3 电动汽车发展现状15-17
• 1.2.4 纯电动汽车关键技术与存在的难题17-18
• 1.3 汽车电子控制系统开发流程18-21
• 1.4 本文主要研究内容21-24
• 第2章 纯电动汽车整车控制器总体方案设计24-34
• 2.1 整车总体技术方案分析24-26
• 2.2 整车控制器总体方案设计26-32
• 2.2.1 VCU整车控制的电气架构26-27
• 2.2.2 整车控制器功能需求分析27-28
• 2.2.3 VCU硬件选型以及管脚的功能定义28-31
• 2.2.4 基于Mototron的VCU软件设计方法31-32
• 2.3 本章小结32-34
• 第3章 整车控制策略34-52
• 3.1 纯电动汽车整车功能调度控制策略34-37
• 3.1.1 纯电动汽车典型行驶工况分析34-35
• 3.1.2 纯电动汽车工作模式划分以及跳转机制35-37
• 3.2 扭矩需求控制策略37-49
• 3.2.1 纯电动汽车能量再生制动系统及其控制策略研究37-44
• 3.2.1.1 能量再生制动系统38-39
• 3.2.1.2 前后轮制动力分配策略39-41
• 3.2.1.3 能量再生控制策略41-44
• 3.2.2 驾驶员扭矩需求解析44-49
• 3.2.2.1 纯电动汽车动力学模型44-45
• 3.2.2.2 电机典型工况下运行点分布45-47
• 3.2.2.3 驾驶员扭矩需求解析47-49
• 3.3 高压电安全管理策略49-50
• 3.3.1 整车上、下电控制流程49
• 3.3.2 预充电控制策略49-50
• 3.4 本章小结50-52
• 第4章 基于Mototron的VCU功能模块设计52-78
• 4.1 VCU控制算法结构设计52-53
• 4.2 VCU底层功能模块设计53-61
• 4.2.1 信号采集及解析模块设计53-54
• 4.2.2 执行器驱动模块设计54-55
• 4.2.3 CAN通信模块设计55-61
• 4.3 整车状态的调度控制模块设计61-75
• 4.4 扭矩需求计算模块设计75-76
• 4.5 本章小结76-78
• 第5章 VCU的硬件在环验证78-86
• 5.1 VCU的硬件在环验证方案设计78-80
• 5.2 VCU的硬件在环验证80-83
• 5.2.1 整车状态的调度控制算法验证80-82
• 5.2.2 扭矩需求及能量再生控制算法验证82-83
• 5.3 本章小结83-86
• 第6章 全文工作总结与展望86-88
• 6.1 全文工作总结86-87
• 6.2 工作展望87-88
• 参考文献88-92
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果92-94
• 作者简介92
• 在学期间所取得的科研成果92-94
• 致谢94

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