纯电动汽车整车控制器设计

纯电动汽车整车控制器设计
摘要：当今世界由于环境问题和能源问题日益突出，使用电动汽车已经成为了趋势，电动车行业轮毂电机的使用已经非常广泛，但是电动汽车控制器的研发和使用尚未完善，本课题设计内就是以轮毂电机为动力的电动汽车整车控制器。

本课题对纯电动汽车控制系统分析和研究，对整车控制器输入输出信号的类型和功能来明确整车控制器的设计要求及控制器的设计要求本课题首先选定MC9S08DZ60芯片为纯电动汽车控制器,使用软件Protl99SE对纯电动汽车的整车控制器的硬件进行设计。

然后结合分层设计思路和模块化设计思路，对纯电动汽车的整车控制器的软件架构、软件主程序进行构思设计，实现了纯电动汽车整车控制器各模块的功能和作用。

关键词：纯电动；Protl99SE；轮毂电机；控制器
Design of vehicle controller for electric vehicle
Abstract：Due to the increasingly prominent environmental problems and energy problems, the use of electric vehicles has become a trend, the use of electric vehicle hub motor is very extensive, but the development and use of electric vehicle controller is not perfect, this paper design is a wheel motor as the power of electric vehicle controller. Through the analysis and research of the control system of pure electric vehicle, combined with the type and function of the vehicle controller input and output signal, the requirements of the pure electric vehicle controller design, determine the pure electric vehicle controller design. This paper first selects mc9s08dz60 chip as pure electric vehicle controller, using software protl99se to design the hardware of the vehicle controller of pure electric vehicle. Then combined with the layered design idea and modular design idea, the software architecture and software main program of pure electric vehicle controller are designed, the function and function of each module of pure electric vehicle controller.
Key words: pure electric; Protl99se; Wheel hub motors; Controller
目录
摘要 (I)
Abstract. (II)
目录...................................................................................................................................... I II 1绪论 . (1)
1.1纯电动汽车发展现状 (1)
1.2纯电动汽车关键技术 (2)
1.3纯电动汽车的电子控制系统的研究现状 (5)
1.4本文的主要工作内容 (9)
2 纯电动汽车控制系统的方案设计 (10)
2.1 纯电动汽车行驶工况分析 (10)
2.2各工况控制策略研究 (10)
2.3纯电动汽车结构特点分析 (12)
2.4纯电动汽车控制系统总体设计 (14)
2.5纯电动汽车控制器设计方案 (16)
3 纯电动汽车整车控制器硬件设计 (19)
3.1整车控制器MCU选型设计 (19)
3.2最小系统设计 (19)
3.2.1 供电电路 (19)
3.2.2时钟电路 (20)
3.3信号处理电路 (21)
3.3.1开关信号处理电路 (21)
3.3.2踏板信号处理电路 (21)
3.3.3通讯接口电路 (22)
4 纯电动汽车整车控制器软件开发 (25)
4.1控制器软件架构总体设计 (25)
4.2控制器底层软件开发 (27)
4.2.1初始化子程序 (27)
4.2.2 信号采集处理子程序 (28)
4.3 通讯接口子程序 (31)
参考文献 (33)
致谢 (34)
1 绪论
1.1纯电动汽车发展现状
大家都知道，当今世界能源问题和环保问题的日益突出，随之而来的就是新能源的开发和利用，新能源中电能几乎是最清洁的燃料，因为它在使用过程中几乎没有污染，现在人们的正常生活离不开汽车，燃油汽车的如果能够被取缔，那么将大大的有利于能源的节约和环境的保护，因为纯电动汽车[1]的出现时必然的。

纯电动汽车比普通燃油汽车有优点如下：
1）纯电动汽车有高的利用能量率，“零”污染。

2）电动汽车有着更加合理的能量回收装置，在制动时，电能可以回收到蓄电池中，不会有燃油汽车那种怠速时仍然消耗能量的缺陷。

3）电动汽车没有燃油汽车复杂的的发动机，离合器等动力传输机构，设计简化，操作简单。

4）电动汽车的转矩输出更加迅速快捷，所以起步快，动力性能好。

5）电动汽车的结构简单，多线束、多电路，更容易实现转向操作和四驱布置。

自从1883年10月1日，科尔•本茨制造了世界上第一台汽车起，一直有许多人构思着纯电动汽车的研发和制造，但是由于当时燃油车所需的燃料简单、廉价而且使用方便，所以很快地大量推广和使用。

上世纪末，由于工业发展消耗了大量的不可再生能源，温室效应严重，生态破坏日益严重，纯电动汽车又被许多人所重视。

20世纪初，许多大的汽车企业使用许多的经费来研究和制造纯电动汽车，如福特投入生产Think city、通用投资研发的EV 1、丰田创新设计的EV Plus、本田研发生产的的EV Plus, Insight和FCX-V3，这些公司不但付出了巨大的资金来研发纯电动汽车而且完整研发一辆纯电动汽车需要消耗了很多的时间，有时候即使时间和资金全部投入了，并不一定能见到回报。

但是为了把握汽车向纯电动方向发展的趋势和引领世界的潮流，更为关键的是为节能和环保作了巨大贡献，这些都是值得的。

电动汽车包括纯电动、混合动力电动（传统转为纯电动的中间产物）和燃料电池三个分支，显而易见，由于纯电动汽车具有高的效率、零排放、低的噪声、节能等先天的优势，纯电动是趋势和潮流，纯电动汽车将是未来占领汽车市场的主力军。

业内人士认为纯电动汽车的研发过程最早是在美国等发达国家，研发过程在日
本、中国等国家不断延伸和扩张。

美、德、法由于开始较前，因而纯电动汽车技术比较先进。

相比而言，我国纯电动汽车研发起步较晚，所以我国制定了许多积极的政策和制度去让人们研究开发，现在我国的纯电动汽车的研发在国内各大汽车企业如火如荼地进行，例如比亚迪[2]投资研发的秦、比亚迪唐、比亚迪宋等纯电动汽车，最值得关注的是比亚迪e6已经在国内许多大城市里充当了出租车的角色，据官方统计显示，比亚迪e6的续航里程可以达到400多公里，最大速度可达140Km/h,可见比亚迪公司研发的纯电动汽车已经达到了全球的靠前面的水平。

我国自主研发的纯电动汽车虽然没有发达国家的续航远、速度快、稳定性能高，但是我国国内的各大汽车研发机构的的研发劲头十足，国内纯电动汽车已经形成了百家争鸣、百花齐放的良好发展状态。

1.2纯电动汽车关键技术
纯电动汽车是一个包括了机械、计算机、能源、电子等很多的先进科学技术的集合产品，要想实现纯电动汽车环保、节能、续航远、速度高而且稳定性能好，需要我们攻克如动力电池技术、动力电机技术以及整车控制器等许多的先进技术堡垒。

1）动力电池技术
纯电动汽车要想在未来激烈的汽车行业中兴起，必须要有较大的比功率和比能量而且长得使用寿命的高效动力电池。

回顾纯电动汽车的动力电池的发展，可以按照其更新历程分为三步：一代铅酸汽车动力电池，二代碱性汽车动力电池和三代燃料动力电池[3]。

第一代铅酸动力电池的表能量高，放电率高，最重要的是生产成本低，价格便宜，所以可以在市面上大量流通和使用，特别，市面上销量最好的动力电池是阀控铅酸（VRLA）。

第二代碱性动力电池的性能比铅酸电池更好，有着更大的比能量(E)和比功率(P)，最重要的是能量密度(Ed)远远超过了铅酸动力电池，碱性电池主要包括以下几类：镍氢(Ni-MH)、镍(NJ-Cd)、钠硫(Na/S), 离子(Li-ion)和锌空气(Zn/Air)，总的来说，碱性电池各个方面的性能都优于铅酸电池，碱性电池在电动自行车和电池汽车上的使用都大大地增加了车的动力性能和车的续航里程，但是由于它的造价成本高，使用环境要求比较苛刻，所以并没有铅酸电池使用广泛，但是只要技术有突破
时，成本降低的碱性电池的销量绝对可以超过铅酸性的。

第三代燃料电池是目前为止，世界上最先进的电池，只有在美国等少数发达国家有使用，燃料电池直接将燃烧产生的化学热能转化为热能，实现了最快速的能量的转化使用，燃料电池的比能量和比功率都远远超过了铅酸电池和碱性电池，燃料电池的转化效率也远远高出了铅酸电池和碱性电池，它的优点不仅仅于此，燃料电池还可以实现化学反应的能力转化的过程控制，这在电池技术中具有突破性的里程碑的意义，此项动力电池技术应用到电动汽车上，可以实现在需要电时燃料电池工作产生电量，在不需要电量时，燃料电池停止化学反应，燃料停止燃烧，减少不必要的能源浪费。

总体来说，燃料电池的各个方面性能都是最优的，但是优于目前的燃料电池的技术不够完善，研发仍然在攻坚阶段，并且制造成本极高，并没有得到大量推广和使用。

2) 电机及其驱动控制技术
电机和驱动控制技术的先进与否直接决定了纯电动汽车的动力的优与差，一般情况下，考察一个他的动力性能的优差通常从以下几个方面入手：启动转矩、调速范围、最高转速、传动效率、制动能量回收率和加速最大转矩等。

一套性能优良的电机以及其驱动控制系统往往拥有如下性能：大的启动转矩、体小量小、大的调速范围、高的转速、强的动态制动、高的效率以及能量的回馈等。

市面上常见的驱动电机的类型：直流、永磁无刷、感应和开关磁阻，下面我们分别介绍它们的工作特性。

直流电动机(DCM)是世界上，目前为止使用最为广泛，最为流行的电动机，因为它对电池性能要求低，对工作环境要求低，而且输出转矩相对来说还算稳定，工作性能较优良，所以常常应用在对工作要求不高的地方，纯电动汽车上也有使用。

永磁无刷电动机(PMBLM)按照驱动类型分为无刷直流电动机系统((BLDCM)和无刷直流电动机系统印（MSM)，前者属于方波驱动，后者属于正弦波驱动，都具有较高的工作效率和能量密度，因为它的设计体积小，所以整体惯性小，因为它的反应比较迅速，所以很适合与纯电动汽车的驱动系统，在纯电动汽车上广泛使用，采用矢量控制和直接转矩控制，有着很好的发展前景，西方发达国家，日本等国家的纯电动汽车经常使用此类电动机作为纯电动汽车的驱动系统。

感应电动机(IM)在发达国家的纯电动汽车驱动系统中也经常可见，采用矢量控
制和直接转矩控制。

感应电动机(IM)的结构较前者更为简单，反应更急迅速，而且控制方便，所以也有着很好的发展前景。

开关磁阻电动机(SRM)在驱动系统电机选择中一直以来都备受争议，因为它集许多优点和缺点于一身，所以工程师在设计选择纯电动汽车的驱动系统时经常很纠结。

开关磁阻电动机(SRM)的优点有反应灵敏，速度范围宽，控制简单而且制造成本低，他的综合优点比上述三个都多，但是它的缺点也很多，比较转转矩较大时容易产生波动和噪音，低速时转矩输出不足。

3) 能量管理技术
能力回收系统也是纯电动汽车的一个重要系统，它同纯电动汽车的动力电池和电动机一样直接决定着汽车的动力性能。

能量管理系统顾名思义就是负责管理纯电动汽车动力电池的系统，他主要功能是合理地分配动力电池的电能，把有限的汽车电量进行最大化的使用，以使汽车的续航里程达到最大而且使动力输出最稳定。

一款纯电动汽车，如果有着很好的动力电池并且有着功能完善的电动机系统，可是如果此电动汽车的能量管理系统不完善，就会照成大量的能力浪费，即使动力电池的容量再大也抵不住浪费，技术电动机驱动系统再完善也怕动力电池没有电量输入，由此可见能量管理系统技术的先进与否至关重要，良好的能量管理系统的优点主要有以下几个：可以根据工作工况发出最优的加速命令和制动命令；可以根据动力电池剩余电量实时地进行节能控制；可以根据纯电动汽车用电设备情况和动力电池剩余电量合理分配各部分所使用的电量。

4) 整车网络通讯技术
总所周知，一辆汽车的高端与否，关键是看这个车上的与先进科技有关的电器设备的多与少，汽车先进的电器设备多的汽车一般都属于中高端型车系，而汽车电器设备的正常工作就设计到了整车的网络通讯技术。

汽车网络通讯正常是汽车电气设备正常工作前提和基础，纯电动汽车的整车网络通讯技术是现代汽车设计技术中领先的科学技术，我们生活中可见的ABS系统、GPS系统、传感执行系统等都涉及到了整车的网络通讯技术，因为这些系统与CAN或者LIN总线相连，间接与整车控制器相连，整车网络通信使得整车各个电器和控制单元进行了实时的信息互动和资源共享。

随着车身电器设备的不断增加，整车控制网络会越来越复杂，这就更加需要整车网络通讯技术的不断进步和改善，所以说，未来纯电动汽车的整车网络
通讯技术的发展前景也是很大的。

5) 整车控制器
整车控制器(Vehicle Controller)是纯电动汽车关键核心，整车控制器的功能主要包括确保汽车的转向、制动、起步、加速等的正常行驶，确保汽车动力的稳定输出，确保纯电动汽车制动时能量的合理回收，除此之外，当汽车出现故障时，还可以对汽车的故障进行智能的分析和处理，确保汽车的安全和平稳的行驶，它的主要作用通过对软件的操控实现衡量整车的功能等级和衡量整车的控制系统，通过向不同的控制单元发送不同的命令来实现对各个部件的合理的、协调的工作。

纯电动汽车的整车控制器的地位非常重要，如果它出了问题，那么纯电动汽车将无法安全行驶。

1.3纯电动汽车的电子控制系统的研究现状
1) 国外研究现状
前面我们已经了解到了电动汽车研发的必要性和迫切性，随着这种发展趋势，全球已经有很多汽车行业着手研究和开发纯电动汽车，至于纯电动系统的整车控制系统，美国的开发和研究技术最为先进，日本由于资源匮乏，对纯电动的研究投入很大，日本丰田的整车控制器的设计也趋于了世界的先进地位，下面列举三个日本纯电动汽车的整车控制结构示意图。

图1-1为一丰田的整车控制系统的结构示意图，这个是从日本丰田公司提供的新概念的电动汽车资料，资料显示，这个纯电动汽车的后轮电机都是采用了轮毂，所以是后轮驱动的，此结构设计可以把驾驶室发出的操作信号和汽车自身传感器所采集的信号进行整合分析，然后再将信号输出给各个部位控制器进行汽车行驶操作控制。

图1-2是日立的整车控制结构示意图，该纯电动电动的整车控制器相当智能，可以通过不同的行驶工况，智能识别各类信号，进行自动控制行驶。

它的四个车轮两类不同的电机驱动，这样就可以实现了纯电动汽车的四轮驱动模式，它的前轮使用的是永磁同步电机驱动，它的后轮使用的是感应电机，四轮驱动，两类电机驱动在整车控制器的接受不同的工况信号的前提下实现了最佳的行驶操作的控制，当然这种设计复杂，虽然高度智能，但是设计和制造的成本高，而且对纯电动汽车的整车控制系统要求严格，因此，只有在高端的纯电动汽车上才得以使用。

图1-3是日产公司的控制系统结构示意图。

这个整车控制系统包括了许多个不
同的控制单元，整车控制器通过收集不同的控制信号，进行大量信息的综合汇总处理，结合各个传感器接受的行驶状态反馈，进行汽车稳定安全行驶的控制，由于此类整车控制器比前面两类收集和处理的信号更为复杂，所以此类控制器对MCU的工作性能要求更高。

图1-1 丰田公司-控制系统示意图
图1-2 日立公司-控制系统示意图
图1-3 日产公司-控制系统示意图
总之，国外的纯电动汽车的发展较为先进，整车控制器的类型已经很多，技术相对成熟了许多，一个整车控制器可以实现控制不同驱动类型的不同车轮，以及结合各个复杂的工作状况，实现各个部位的协调工作，实现纯电动汽车在不同工况下的稳定的工作。

2) 国内研究现状
随着国内工业的快速发展，污染日益突出，所以国内也兴起了纯电动汽车的开发和研究，相对美国等发达国家，国内的纯电动技术不是很先进，但是相关的研究和开发发展迅速，如长安的纯电动汽车奔奔MINI，长城的纯电动汽车腾C20EV。

如图是中国一汽和中国汽车技术研发中心联合开发的XLZ000纯电动汽车，它的整车控制系统如图1-4所示。

此纯电动汽车利用了现在流行的CAN总线通讯，选择集中电机驱动。

它的整车控制器可以采集到汽车上的各个控制单元的数据信号，能够准确合理的判断汽车的行驶工况，进而进行最合理的控制操作，确保了纯电动汽车在各个不同的复杂的路面上面安全行驶。

图1-4 XL2000型电动汽车控制系统
国内纯电动汽车的大多采用整车控制器控制的多电机驱动形式，这种设计虽然简单成本低、易推广和操作简单等优点，但是使用性能和发达国家的纯电动汽车使用的轮毂电机还是很有差距的，现在我国正在大力研究轮毂电机与纯电动汽车整车控制器的结合使用的研究。

但是不管是国内和国外对纯电动汽车的研究，整车控制器都是纯电动汽车关键技术，归纳整车控制器功能和原理，总结本课题设计整车控制器的要求有以下几点：
1) 整车控制器首先要满足安全行驶的控制意图，因为面对的工况复杂，控制器首先要在识别行驶工况的前提下，接受驾驶员的操作信号，进行合理的控制车辆安全行驶。

2) 整车控制器还要满足在制动时的能量回收功能，因为纯电动汽车的全部能力都来自动力电池，可以说电量是相当宝贵的，一般情况下，在制动过程中都会造成能力的浪费，所以纯电动汽车的整车控制器要能合理识别制动信号，及时切断动力输出，和电量的消耗，并且把制动所带来的化学能及时地转化为电能进行，方便回收再利用。

3) 整车控制器要实现合理的能力优化分配和最佳的管理，因为纯电动汽车的
电器设备较多，而动力电池是唯一的动力源泉，整车控制器要做到在不影响行驶里程和汽车动力性能的前提下，进行合理的电量分配。

4) 整车控制器要有实时的故障诊断和故障分析能力，因为在行驶使用过程中，难免会产生故障和问题，如果整车控制器不能实时地进行故障诊断和分析，很可能会造成不必要的财产损失，甚至是生命代价，所以这个功能必不可少。

1.4本文的主要工作内容
结合上述对纯电动汽车整车控制系以及纯电动汽车的轮毂电机驱动控制的分析，确定我们本课题主要研究内容：
1) 通过对纯电动汽车的研究以及对整车控制器的工作原理的认识，设计一套整车控制系统满足以上所列举的预期功能。

2) 通过对纯电动汽车的在不同行驶工况的设定，制定最佳的控制策略的研究设计。

3) 通过对整车控制器的了解和研究，结合本设计所需满足的功能要求，选择合理的整车控制器MCU类型，并且完善硬件电路设计工作，最后利于Prot199SE 软件完成硬件板的设计工作。

2纯电动汽车控制系统的方案设计
2.1 纯电动汽车行驶工况分析
因为城市道路的发展基本是么有太大变化的，所以纯电动汽车的形式工况可以说和传统内燃机汽车一致的，我们就把传统燃油的汽车的行驶工况应用到纯电动汽车上进行分析。

类似于传统燃油汽车，纯电动汽车也要有启动、起步、加速、减速、转向、制动以及停车这七个过程。

纯电动汽车的起歩和燃油汽车不同，因为其没有离合器和变速器等原件，所以起步不需要那么复杂的操作，只需要轻轻地踏下加速踏板，纯电动汽车便轻松起步。

纯电动汽车的加速和传统燃油汽车也不一样，不用复杂的换挡过程，只需要加深加速踏板的行程就可以实现加速行驶功能。

纯电动汽车的减速也是很简单的，只需要松开加速踏板，轻轻点一下刹车踏板就可以实现减速功能。

纯电动汽车的转向和传统燃油汽车的转向操作几乎一模一样，但是内部工作原理不同。

司机用适当的力矩转动方向盘的时候，转角传感器将转角信号传输到整车控制器，整车控制器综合处理汽车的各类信息后得出控制命令传输到四个轮毂电机，实现转向操作。

在司机踩下制动踏板，刹车信号传输到整车控制器，整车控制器分析计算得出切断电源，并且回收电源装置介入工作，这样既能达到刹车效果，又能达到节能的效果。

工纯电动汽车的停车和传统燃油汽车也是几乎一致的，因为纯电动汽车没有离合器和变数器，所以直接松开加速踏板，踩下制动踏板直到汽车停车，然后将档位开关拨到空挡，最后关闭总开关钥匙即可。

2.2各工况控制策略研究
通过上面论述我们可得出，纯电动汽车中起着控制作用的最关键部位就是整车控制器，纯电动汽车可以在各种工况下，正确地判断司机的操作，精确地识别各个部位传感器传来的信息进行计算分析和处理等，总之实现安全的行驶全靠整车控制器的协调控制纯电动汽车的各个部位所得到。

纯电动汽车的启动工况概括如下：司机打开启动汽车的钥匙，汽车的电路全部
接通，进入待起步的工作模式，整车控制器发出控制命检查各个部位是否有故障，么有故障发出指令给工作正常的指示灯，若有故障发出警告命令给仪表盘，总之使各个部位进入最佳的工作状态，确保可以正常起步行驶。

纯电动汽车的起步工况概括如下：司机正常起步，轻轻踩下加速踏板，加速踏板将加速信号传输到整车控制器，整车控制器分析计算后发出命令给轮毂电机，轮毂电机缓缓转动，起步完成。

特别地如果是在半坡起步时，整车控制器可以更加方便地识别到汽车向后的惯性力，然后自动控制轮毂电机设定一个恒定的向前的平衡力矩，这样就不会存在像普通燃油汽车一样有起步熄火，方便起步。

纯电动汽车的加速工况概括如下：司机踩下加速踏板，加速踏板信号传输到整车控制器，整车控制器通过分析和计算输出命令给轮毂电机，由于踏板位置随时可以改变，所以整车控制器会实时地采集信号处理信号发出命令，来进行最佳的轮毂电机的速度调节，进行实现加速功能。

纯电动汽车的减速工况概括如下：驾驶员在正常行驶过程中，制动踏板信号是未刹车信号，当制动踏板被踩下时，制动信号传输到整车控制器，整车控制器将发出制动命令，同时发出回收能量指令。

纯电动汽车的转向工况概括如下：司机转动方向盘转弯时，方向盘转角信号传输到整车控制器，整车控制器综合分析包括车速信号在内的多信号进行分析计算得出转向指令给轮毂电机，大家都知道汽车转向时内外侧车轮的转速是不同的，这就需要整车控制器的精确计算功能来实现对四个车轮最精确的速度控制，整车控制器的此项设计是有划时代意义的，这种设计不但简化了差速器等机械机构，而且增加了纯电动汽车的灵活性，为可以实现360度转向轮的研究和开发打下了基础。

纯电动汽车的制动工况概括如下：司机踩下制动踏板，制动信号传输到整车控制器，整车控制器发出指令给轮毂电机，轮毂电机处于自由轮动状态，机械制动装置开始起制动，能力回收装置在整车控制器的控制器下也起了回收能量的作用。

纯电动汽车的停车工况概括如下：司机松开加速踏板，同时踏下制动踏板，这些信号传输到整车控制器，整车控制器分析计算后发出指令给轮毂电机和能量回收装置，同时机械制动起作用，汽车行驶速度减慢直到停车，汽车的整车控制器控制电机控制器和轮毂电机等部件进入待起步状态，司机转动熄火开关，汽车所有电器设备关闭，停车结束。