电动汽车控制系统研究

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摘 要 电动汽车控制系统各部件的工作由整车控制系统统一协调，对于电动汽车而言，电机驱动和制动能量的最大功率都受到电池放电/充电能力的制约。增加了系统设计和控制的灵活性，使得汽车可以工作在多种模式下以适应不同行駛工况的需求，获得比传统汽车更好的燃料经济性，为了实现这一目标，首先要针对给定的车辆参数和使用条件，建立整车控制系统来协调汽车工作模式的切换。整车控制系统由整车控制器、能量控制系统、通信系统和故障诊断系统构成，其主要功能是根据驾驶员操作和当前的整车和部件工作状况，在保证安全和动力性要求的前提下选择尽可能优化的工作模式和能量分配比例，以达到最佳的燃料经济性。
关键词 电动汽车；控制系统
引言
汽车在全球保有量的不断增加使人类面临能源短缺、全球变暖、空气质量水平下降等诸多挑战，同时也推动汽车自身技术的发展，为此汽车设计人员在不断努力研究降低油耗的方法，寻求各种代用燃料以及开发不用汽油的新型车辆，越来越多的人士也认识到各种类型电动汽车是实现清洁汽车的解决方案，全世界的汽车业界也正在为此而努力。所以，汽车自身必须要有根本性的变化，能源和环境这两大因素对未来汽车技术发展的走向，起着至关重要的导向作用。许多汽车制造商正在积极研究、开发、制造低污染的汽车。本文主要研究电动汽车控制系统，介绍了整车控制器，整车控制器是整车控制系统的核心部件，同时也介绍了能量控制系统、通信系统和故障诊断控制系统。通过研究电动汽车控制系统来达到节约能源和减少环境污染。
1 电动汽车控制系统结构
电动汽车控制系统的部件都有自己的控制器，为实现分布式控制系统提供了条件。各个部件控制系统分布在汽车不同的位置上，从而减少相互之间的电磁干扰，功能分离使得各个子部件完成相对独立的功能，从而可以减少各个子系统之间的相互影响。功能的分离有利于提高汽车设计的灵活性和扩展性。如图1所示是电动汽车控制系统机构示意图。该图最下面部分是执行部分，由部件控制器和一些执行单元组成，主要作用是执行中间控制器传送来的信息，并且这些执行单元有一定的信息处理能力，能使得传送来的信息更好地被执行单元执行。中间部分是协调部分，其核心是整车控制器，它的作用是接收操作者/驾驶员输入的各种信息，并且能接收、分析系统各部件传来的信息，然后向各个系统部件传送命令，再根据执行部分的当前状态，做出最优协调控制。最后是组织部分，这部分主要是驾驶员接收外界环境因素的变化和驾驶意图的改变，或者通过驾驶仪来实现对车辆中间控制器的信息输入，实现车辆控制的闭环。
2 整车控制器
整车控制器是控制系统的核心，如图2所示它主要作用是接收驾驶员传来的操作信息和其他各个部件的工作状态信息，这是整车控制器实现其他功能的基础条件，然后将各部件传来的信息进行分析、处理，然后向执行部分传输执行数据，经过反复调整，计算出驱动系统的目标转矩和车辆的需求功率来实现驾驶员的意图。同时，还实现了电动汽车的燃料经济性。
3 能量控制系统
能量控制系统主要是动力系统工作模式选择和制动能量回收。具体来说分为两个部分，一个是建立随行使工况而改变工作模式的切换规则。另一个是制动能量回收问题[1]。工作模式的选择可以根据不同的路况来进行，不同工况下，所选择的工作模式不同，整车控制系统根据驾驶员的需求，整车和部件的工作状态来确定当前最佳的工作模式，下图是不同工况下的工作模式。
（1）双动力源驱动模式。如图3所示，
这种模式适用工况是在汽车启动、爬坡等燃料电池功率供应不足的时候，为了防止燃料电池的效率降低，需要采用燃料电池与动力电池双功率驱动模式。
（2）单动力源驱动模式（燃料电池）。如图4所示，
这种工况适用于在汽车以适当的速度匀速行驶时，其驱动功率完全由燃料电池提供，动力电池不参与驱动。
（3）单动力源驱动模式（动力电池）。如图5所示，
这种工况适用于道路平坦的速度不高的道路匀速行驶。
（4）驱动切充电模式。如图6所示，
这种工况适用于在驱动负荷要求不是很高时，由燃料电池为动力电池提供充电功率并且为驱动电机提供驱动功率。
（5）减速及制动回馈模式。如图7所示，
这种工况适用于汽车在减速和制动时，将回收的汽车动能经发电机转换成电能充入动力电池。
（6）纯充电模式。如图8所示，
这种工况适用于当汽车停车而动力电池的电量不足时，燃料电池继续为动力电池充电，为下一次汽车启动作准备。
制动能量回收控制系统主要分为并联式和串联式控制系统，并联式的制动能量回收控制系统是并联在原有的制动器的结构中，并且不改变原有摩擦制动力，回收的制动力与原有的摩擦制动力相加，相加后共同进行制动，串联式的制动能量回收系统是对摩擦制动力进行调节，使摩擦制动力与回收制动力相加，以满足制动踏板对制动力的需求，并联式控制系统实现比较简单，不需要对原有的制动系统进行改造，制动效果不是很好，而且制动能量的回收也不是很充足；串联式控制系统对制动过程中产生的能量回收较多，制动的效果也很好，但需要对原有制动系统进行改造，控制系统的控制功能也相对比较复杂[2]。
7 通信控制系统
现代汽车基于可靠性、环保性和经济性的要求，汽车电子化是大势所趋，电动汽车控制系统在大大改善汽车性能的同时，也增加了信号采集和数据交换的复杂程度。数据总线就是各电控系统进行数据交换和通信的通道。
由于电动汽车控制系统分为很多控制单元，线束正在向网络化方向发展，而且线束由传递基本信号的功能扩展到大量数据信息的传递。为了解决电动汽车控制系统众多电控单元之间数据交换的问题，采用基于串行总线传输的网络结构，实现多路传输，组成网络。如图9所示，通信系统网络结构，主要包括整车控制器、燃料电池控制器、驱动电机控制器、制动能量回收控制器、信息报警显示器等节点并预留了接口以备可能的扩展使用。
8 故障诊断控制单元
在电动汽车控制系统中，整车控制器、部件、导线可能出现故障或失效状态，驾驶员也可能出现误操作，总线通信系统也可能出现故障。因此，从驾驶方便和安全角度出发，需要提高整车的可靠性，使得在故障发生时，车辆仍能在安全的情况下行驶到修理厂。
目前，电动汽车控制系统的故障诊断控制系统主要包括以下几部分：
（1）模块化。把系统分解成若干个模块，如果一个模块出现故障，可以使用其他模块。
（2）故障部件。控制系统部件出现故障后，会立即停止工作，不影响整个控制系统。
（3）快速修复。控制系统出现故障以后，可以立即隔离，在不影响控制系统工作情况下，进行修复，修复后继续使用。由以上分析可知，电动汽车整车控制系统中的故障诊断对象主要是驾驶员的操作信号和来自总线的其他部件的信息。
9 结束语
本文主要研究了电动汽车控制系统，介绍了电动汽车控制系统的结构。介绍了整车控制器的作用，通过对整车控制器、能量控制系统、通信控制系统和故障诊断系统的分析、研究。可知，电动汽车控制系统主要是根据不同路况调节转换系统不同的工作模式。从而调节系统输出合适的转矩和功率，达到提高燃料经济性、节约能源、安全环保的作用。
参考文献
[1] 张建俊.汽车诊断与检测技术[M].北京：机械工业出版社，
2004：65.
[2] 陈全世.电动汽车技术[M].北京：化学工业出版社，2012：24-26.
作者简介
黄新宇（1985-），男，助教，毕业于内蒙古交通职业技术学院，本科，研究方向：汽车检测。