电动物流车的整车控制器设计

李冰林，朱书林 LI Binglin,ZHU Shulin

（南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京 210037）

物流行业中，运输环节占据着整个物流过程的大部分成本，同时由于燃油物流车会带来节能环保的问题，不符合国家倡导的绿色可持续发展的政策方针。更进一步，现在城区内都是对燃油货车限行[1-2]。因此，物流车辆纯电动化显得很有必要，也很有实际意义。为了应对这些问题，目前普遍采取的策略是将现有的燃油车改装成油电混用或者纯电动车。因此，为了协调驾驶员意图与驱动电机控制器与电池管理系统的工作，必须进行整车控制器的研究与开发[3-4]。

论文以电动物流车为应用研究对象，对其整车控制器进行设计，采用NXP的K60芯片为控制器核心，与电机控制系统、蓄电池管理系统进行CAN网络通信，同时采集驾驶员操作信息等，使车辆按要求行驶，开发出电动汽车整车控制器，达到整车控制行驶目的。

1 系统总体方案的设计

图1 整车控制系统组成

所研究的电动物流车采用的是双电机驱动，整车控制器的总体方案设计组成如图1所示。整车控制器通过采集加速踏板信号、制动踏板信号、挡位信号，并通过CAN网络总线从电机控制器获得电机的转速与转矩信号等，从而判断车辆当前的行驶状态及驾驶员的操作意图，通过设计的控制策略，发送给电机控制器等，驱动电机进行相应的指令执行，使车辆按照驾驶员的意图行驶[5]。

根据以上系统方案设计，整车控制器系统主要组成部分如图2所示，包括K60主控芯片模块、模拟信号输入模块、开关信号输入模块、CAN通信模块、外部驱动模块、串口收发模块、液晶显示模块等。K60主控芯片将采集各路传感器信号，根据控制策略及算法做出控制决策，发送给整车各部分执行单元控制器，控制车辆的行驶。CAN通信模块主要是实现整车控制器与电机控制器、蓄电池管理系统等之间的数据交互。外部驱动模块主要实现电动汽车中的空调系统制冷、制热，电池系统加热，以及倒挡信号的控制等；串口收发模块、液晶显示模块主要作用是为了便于软件设计过程中程序的调试及后续策略研究。

2 硬件电路设计

2.1 传感器信号输入模块

信号输入模块包括加速踏板传感器和制动踏板传感器的信号、开关信号等，为了保证信号的稳定性，需对其进行滤波，以确保控制器能够采集到的信息准确，实现对整车的精确控制。根据整车功能需求，整车控制系统的信号采集电路分为脉冲输入信号、模拟输入信号等信号处理电路等部分。

模拟信号采集电路，主要是对电动汽车中供电电压和踏板开度等模拟信号进行采集。具体设计电路如图3所示。该电路主要由低通滤波放大电路、钳位保护电路所组成。

开关信号处理电路，主要是对开关信号、挡位信号进行采集与处理。通过K60芯片的FTM模块检测出信号的输入，如图4所示。电路具有滤波和钳位功能。

图2 系统电路设计框图

图3 模拟信号输入电路

图4 开关量信号输入

2.2 CAN通信模块

整车控制器与电机控制器和电池管理系统通过CAN网络总线进行信息交互。K60芯片内含两个CAN控制器，因此只需设计CAN总线收发器。芯片MCP2551能够给CAN协议控制器提供差分收发功能，也能为CAN控制器及总线上的高压尖峰信号之间提供缓冲器的功能，过滤这些由外部器件产生的高压尖峰信号。通信模块设计如图5所示。

2.3 外部驱动模块

为驱动包括继电器在内的一些负载，提高电路电流的驱动能力，需要设计信号输出驱动电路，ULN2003A芯片是高耐压、大电流、具有7路的复合晶体管，可以直接用于驱动继电器等负载，如图6所示。

图5 CAN通信模块

图6 外部驱动模块

2.4 信号输出模块

信号输出模块主要是将控制器GPIO口产生的电平信号转换为外部控制信号。Q6可以实现当外部信号异常时对GPIO端的信号进行屏蔽，起到保护电路的作用。

3 系统软件程序设计

3.1 主程序

系统工作的主程序流程是整车控制器上电进行初始化，通过检测加速踏板信号、制动踏板信号、电机转速、挡位状态、电机温度、电池电流、电池SOC值等控制整车驱动力矩的主要参数，判断车辆状态并检查有无异常，如异常进入故障诊断模式；如系统状态正常，整车控制器根据驾驶员的行驶要求、车辆运行时的实际状态进行分析，判断汽车是起步、加速、减速还是充电状态，从而满足驾驶员的驾驶意图，使之进入相应的工作模式。然后将控制指令发送给电机控制器，电机控制器计算出电机的期望转矩，控制电机使其快速准确的输出相应的电机驱动力矩。主程序流程图如图8所示。

图7 信号输出电路

图8 系统主程序流程图

3.2 信号采集处理子程序

模拟信号的采集包括加速踏板、制动踏板等位置信号的采集，具体地信号进行AD转换后进行处理和计算踏板的位置，判断出加速或者制动强度。为了保证采集到的数据可靠有效，采用“算数平均滤波法”对干扰信号进行滤除。模拟信号采集处理子程序流程如图9所示。

图9 模拟信号采集处理子程序流程图

3.3 CAN通信子程序

在电动物流车当中，整车控制器与2个电机控制器通过CAN总线进行数据的传输。CAN总线采用串行数据通信的模式，因此其能工作在接收和发送两种状态。在车运行过程中，整车控制器向电机控制器、电池管理系统发送控制指令控制电机按要求运行，或者接收它们的状态信息，获取车辆状态参数[6-7]。具体数据接收处理流程图如图10所示。

4 实验结果

采用硬件在环仿真仿真技术能对控制器的性能进行研究[8]。根据所设计系统的硬件和软件，对其进行CAN通信试验和模拟信号采集试验，试验平台如图11所示。

图10 CAN报文的接收处理

图11 系统测试平台

首先，试验了整车控制器与电机控制器之间的CAN总线通信，图12为CAN模块发送和接收报文数据，发送时间间隔20ms。试验证明整车控制器能实现正确的数据发送和接收，同时对接受的报文数据进行解析，通过液晶可具体显示其数值。

其次，利用采集加速踏板信号来检测AD功能模块工作情况，踏板开度与对应AD转换结果如图13所示。结果表明，随着踏板开度的变化，采集信号的AD值几乎成线性变化，符合要求。

5 结束语

针对电动物流车的整车控制器进行了硬件电路和软件程序设计，最后通过模拟平台对各个功能模块进行了验证，证明设计可行。

图12 整车控制器CAN总线通信的波形

图13 加速踏板对应的AD转换值