集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器.pdf

集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器，将原本整车控制的功能，BMS主控功能与MCU数字信号处理功能全部集中到整车控制器中实现，从而不再需要专门的BMS主控模块与MCU数字信号处理模块；在控制器电路板上通过内部连线与内部总线连接在一起，共同构成完整的控制器硬件电路；集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器软件通过整车控制算法、电机控制算法、电池主控算法实现。本发明减少了控制器数量，简化了整车线束，从而降低整车电子系统的复杂程度，使得系统更简单，更可靠；在控制器数量更少的情况下需要的专用诊断设备也更少，从而降低售后成本，同时有利于车辆使用数据的收集，便于售后工作。

1.  集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器，其特征在于：该控制器集成了BMS主控模块的功能与MCU数字信号处理模块的功能，即将原本整车控制的功能，BMS主控功能与MCU数字信号处理功能全部集中到整车控制器中实现，从而不再需要专门的BMS主控模块与MCU数字信号处理模块；新型新能源汽车动力系统基本结构中，动力电池与采集模块相连；动力电池为功率驱动模块供电，功率驱动模块用以控制驱动电机的启停；采集模块、功率驱动模块与VCU相连；所述VCU集成BMS主控功能与MCU数字信号处理功能；
集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器电气结构中，电源管理部分负责整车控制器的供电，中央处理器负责运算，通信部分负责接采集模块并与其它控制器通信；模拟量输入、开关量输入与频率量输入与各传感器相连；电机信号输入与电机转速与位置传感器相连；功率驱动部分与各类执行器相连；电机控制信号部分与接功率驱动模块相连；以上各个部分之间在控制器电路板上通过内部连线与内部总线连接在一起，共同构成完整的控制器硬件电路；
集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器软件结构中，整车输入信号处理部分负责处理整车控制输入信号，电机输入信号处理部分负责处理电机控制输入信号，电池输入信号处理部分负责处理电池主控输入信号；整车控制输出部分负责控制整车相关执行器，电机控制输出部分负责控制功率驱动模块，电池主控输出部分负责控制电池采集模块与其它电池相关执行器；集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器软件通过整车控制算法、电机控制算法、电池主控算法实现。

2.  根据权利要求1所述的集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器，其特征在于：整车控制算法具体实现如下；
(1)整车驱动控制，基于扭矩为核心的整车驱动控制算法根据驾驶员需求及车辆状态等向电机控制算法部分发出控制指令，以满足车辆的驾驶工况；
(2)整车能量管理，通过对电动汽车的电机驱动系统、电池、传动系统以及其它车载能源动力系统的协调和管理，以获得最佳的能量利用率；
(3)整车状态监控与显示，控制器通过传感器和CAN总线，检测车辆状态及其各子系统状态信息，驱动显示仪表，将状态信息和故障诊断信息经过显示仪表显示出来；显示内容包括：车速，里程，电机的转速、温度，电池的电量、电压、电流，故障信息等；
(4)制动优先，对于驾驶员需求指令的处理，汽车制动需求优先于加速需求，即制动踏板位置信号处理优先级高于加速踏板位置信号处理优先级，以保证安全性；
(5)制动能量回收，电动汽车制动能量回收要求实现提高整车的能量回收率以及优化驾 驶员感受，为回收尽可能多的动能，必须控制牵引电动机产生特定量的制动力，同时要控制机械制动系统满足由驾驶员发出的需求制动力，共有三种制动控制策略：最佳驾驶员体验的串联制动、最佳能量回收率的串联制动和并联制动；
(6)整车故障诊断，故障诊断是整车控制器实时系统的关键性安全保护措施；检测故障，进行故障处理，进而执行车辆动力系统的降级、跛行以及关断等操作模式；
(7)车辆附件控制，包括真空泵控制，DCDC控制，空调控制，冷却风扇控制，冷却水泵控制等，以实现完整的车辆附件控制功能；
(8)车辆起步控制，通过优化起步控制算法得到合适的起步扭矩，实现车辆平地、上坡、下坡等路况下平稳起步；
(9)车速限制，为保证车速不超过安全限值，当车速超过一定值时限制电机的输出扭矩，在某些工况下还可以利用电机制动来进一步限制车速；
(10)电机转速限制，保证电机转速不超过安全限值，当电机转速超过一定值时限制电机的输出扭矩。

3.  根据权利要求1所述的集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器，其特征在于：电机控制算法具体实现如下；
(1)电机矢量控制，利用调整控制器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制电机的输出；其特性是分别控制电机的的磁场及转矩，类似他激式直流电机的特性；由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制；利用矢量控制，以类似控制他激直流电机的方式控制交流感应电机及同步电机；在他激直流电机中，磁场电流及电枢电流可独立控制，在矢量控制，磁场电流及电枢电流互相垂直，因此当控制转矩时，不会影响产生磁场的磁链，因此有快速的转矩响应，符合电动汽车的需求；
(2)电机故障处理，在电机运行过程中，会出现电压过高或过低、电流过大、温度过高等故障，需要对这些电机故障合理处理，加入过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护等故障保护功能并将故障信息传递给仪表。

4.  根据权利要求1所述的集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器，其特征在于：电池主控算法具体实现如下；
(1)电池SOC估算，电池的荷电状态SOC描述了电池的剩余电量，是电池在使用过程中最重要的参数之一；准确估计SOC可以防止电池的过充电或者过放电，有效延长电池的使用寿命，并且在电动汽车的行驶中可以预知可续驶里程；由于SOC估算受温度、老化、充放电倍率、自放电等因素的影响，使得电池在实际应用中呈现为高度的非线性，导致SOC的精确估算十分困难；采用一种以按时计量法为基础，利用电池静止状态下的开路电压法 来消除累计误差的SOC估算方法，其关键在于电池充放电状态与静止状态的准确判断；
(2)电池充电管理，电池充电方式支持慢充与快充两种充电方式，通过当前电池SOC，电池温度等信息将充电需求发送给充电机，并控制充电继电器动作从而为电池充电；
(3)电池热管理，当电池温度超过一定值时打开电池冷却装置，当电池温度超过更高的某个限值时，需要限制电池输出直至彻底关闭电池输出；
(4)电池故障处理，在电池充放电过程中，会出现电压过高或过低、电流过大、温度过高等故障，需要对这些电池故障合理处理，加入过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护等故障保护功能并将故障信息传递给仪表。

集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器
技术领域
本发明涉及集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器，属于新能源汽车技术，尤其是新能源汽车电控系统技术。
背景技术
新能源汽车尤其是纯电动汽车作为未来汽车的主要发展方向，国家一向给予支持和鼓励。随着国家政策的大力支持和关键技术的逐步突破，新能源汽车行业前景良好。
MCU(Motor control unit)即电机控制单元，又称电机控制器，负责新能源汽车主驱动电机的控制。
VCU(Vehicle control uint)即车辆控制单元，又称整车控制器，负责新能源汽车整车的控制。
新能源汽车动力系统主要包括动力电池、电机驱动系统与电控系统。动力电池包括电池本体与电池管理系统BMS，电机驱动系统包括驱动电机与电机控制器MCU。现有的新能源汽车动力系统基本结构如图1所示。
常规的BMS使用主从式的系统架构，即一个主控模块+若干采集模块的方式，主控模块与采集模块之间通过CAN通信，如图2所示。
常规的MCU包括数字信号处理模块与功率驱动模块，数字信号处理模块与功率驱动模块之间采用线缆或者电路板连接，如图3所示。BMS，MCU与VCU等多个控制器的同时存在，使得新能源汽车结构复杂，成本较高，并且多个控制器的存在使得原本有限的车内空间布置与布线更加困难，更增加了车辆出故障时检修的工作量与工作难度。
发明内容
本发明的目的是减少新能源汽车控制器数量，从而降低整车电子系统的复杂程度，使得新能源汽车更加简单可靠。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器，该控制器集成了BMS主控模块的功能与MCU数字信号处理模块的功能，即将原本整车控制的功能，BMS主控功能与MCU数字信号处理功能全部集中到整车控制器中实现，从而不再需要专门的BMS主控模块与MCU数字信号处理模块。
本发明提出的新型新能源汽车动力系统基本结构如图4所示。
动力电池与采集模块相连；动力电池为功率驱动模块供电，功率驱动模块用以控制驱动电机的启停；采集模块、功率驱动模块与VCU相连；所述VCU集成BMS主控功能与 MCU数字信号处理功能。
集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器电气结构如图5所示。
图5中，电源管理部分负责整车控制器的供电，中央处理器负责运算，通信部分负责接采集模块并与其它控制器通信；模拟量输入、开关量输入与频率量输入与各传感器相连；电机信号输入与电机转速与位置传感器相连；功率驱动部分与各类执行器相连；电机控制信号部分与接功率驱动模块相连。以上各个部分之间在控制器电路板上通过内部连线与内部总线连接在一起，共同构成完整的控制器硬件电路。
集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器软件结构如图6所示。
图6中整车输入信号处理部分负责处理整车控制输入信号，电机输入信号处理部分负责处理电机控制输入信号，电池输入信号处理部分负责处理电池主控输入信号。整车控制输出部分负责控制整车相关执行器，电机控制输出部分负责控制功率驱动模块，电池主控输出部分负责控制电池采集模块与其它电池相关执行器。集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器软件通过整车控制算法、电机控制算法、电池主控算法实现。
整车控制算法具体实现如下。
(1)整车驱动控制，基于扭矩为核心的整车驱动控制算法根据驾驶员需求及车辆状态等向电机控制算法部分发出控制指令，以满足车辆的驾驶工况。
(2)整车能量管理，通过对电动汽车的电机驱动系统、电池、传动系统以及其它车载能源动力系统的协调和管理，以获得最佳的能量利用率。
(3)整车状态监控与显示，控制器通过传感器和CAN总线，检测车辆状态及其各子系统状态信息，驱动显示仪表，将状态信息和故障诊断信息经过显示仪表显示出来。显示内容包括：车速，里程，电机的转速、温度，电池的电量、电压、电流，故障信息等。
(4)制动优先，对于驾驶员需求指令的处理，汽车制动需求优先于加速需求，即制动踏板位置信号处理优先级高于加速踏板位置信号处理优先级，以保证安全性。
(5)制动能量回收，电动汽车制动能量回收要求实现提高整车的能量回收率以及优化驾驶员感受，为回收尽可能多的动能，必须控制牵引电动机产生特定量的制动力，同时要控制机械制动系统满足由驾驶员发出的需求制动力，共有三种制动控制策略：最佳驾驶员体验的串联制动、最佳能量回收率的串联制动和并联制动。
(6)整车故障诊断，故障诊断是整车控制器实时系统的关键性安全保护措施。检测故障，进行故障处理，进而执行车辆动力系统的降级、跛行以及关断等操作模式。
(7)车辆附件控制，包括真空泵控制，DCDC控制，空调控制，冷却风扇控制，冷却水泵控制等，以实现完整的车辆附件控制功能。
(8)车辆起步控制，通过优化起步控制算法得到合适的起步扭矩，实现车辆平地、上坡、下坡等路况下平稳起步。
(9)车速限制，为保证车速不超过安全限值，当车速超过一定值时限制电机的输出扭矩，在某些工况下还可以利用电机制动来进一步限制车速。
(10)电机转速限制，保证电机转速不超过安全限值，当电机转速超过一定值时限制电机的输出扭矩。
电机控制算法具体实现如下。
(1)电机矢量控制，利用调整控制器的输出频率、输出电压的大小及角度，来控制电机的输出。其特性是分别控制电机的的磁场及转矩，类似他激式直流电机的特性。由于处理时会将三相输出电流及电压以矢量来表示，因此称为矢量控制。利用矢量控制，以类似控制他激直流电机的方式控制交流感应电机及同步电机。在他激直流电机中，磁场电流及电枢电流可独立控制，在矢量控制，磁场电流及电枢电流互相垂直，因此当控制转矩时，不会影响产生磁场的磁链，因此有快速的转矩响应，符合电动汽车的需求。
(2)电机故障处理，在电机运行过程中，会出现电压过高或过低、电流过大、温度过高等故障，需要对这些电机故障合理处理，加入过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护等故障保护功能并将故障信息传递给仪表等。
电池主控算法具体实现如下。
(1)电池SOC估算，电池的荷电状态SOC描述了电池的剩余电量，是电池在使用过程中最重要的参数之一。准确估计SOC可以防止电池的过充电或者过放电，有效延长电池的使用寿命，并且在电动汽车的行驶中可以预知可续驶里程。由于SOC估算受温度、老化、充放电倍率、自放电等因素的影响，使得电池在实际应用中呈现为高度的非线性，导致SOC的精确估算十分困难。采用一种以按时计量法为基础，利用电池静止状态下的开路电压法来消除累计误差的SOC估算方法，其关键在于电池充放电状态与静止状态的准确判断。
(2)电池充电管理，电池充电方式支持慢充与快充两种充电方式，通过当前电池SOC，电池温度等信息将充电需求发送给充电机，并控制充电继电器动作从而为电池充电。
(3)电池热管理，当电池温度超过一定值时打开电池冷却装置，当电池温度超过更高的某个限值时，需要限制电池输出直至彻底关闭电池输出。
(4)电池故障处理，在电池充放电过程中，会出现电压过高或过低、电流过大、温度过高等故障，需要对这些电池故障合理处理，加入过压保护、欠压保护、过流保护、过热保护等故障保护功能并将故障信息传递给仪表等。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1.提高可靠性；减少了控制器数量，简化了整车线束，从而降低整车电子系统的复杂程度，使得系统更简单，更可靠；
2.缩短开发周期；更少的控制器减少了控制器开发测试的工作量，相应地减少了各个控制器之间协调匹配的工作量，从而缩短整个开发周期；
3.降低成本；除了缩短开发周期降低开发成本之外，减少了控制器以及配套连接器、线束等汽车零部件，降低了零部件采购的成本；
4.方便布置；更少的控制器与线束降低了对布置空间的要求，从而方便整车布置，使得车辆内部更加简洁与美观；
5.方便检修；将原本有可能发生在多个控制器的故障集中在一个控制器中，便于故障的查找与排除；
6.便于售后；在控制器数量更少的情况下需要的专用诊断设备也更少，从而降低售后成本，同时有利于车辆使用数据的收集，便于售后工作。
附图说明
图1新能源汽车动力系统基本结构图。
图2主控模块与采集模块之间CAN通信结构图。
图3数字信号处理模块与功率驱动模块之间连接结构图。
图4新型新能源汽车动力系统基本结构图。
图5为集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器电气结构
图6为集成电机控制与电池主控功能的新能源整车控制器软件结构。
图7为实施例一中的新能源汽车动力系统基本结构。
图8为实施例二中的新能源汽车动力系统基本结构。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
对于已有完整电池管理系统的新能源汽车，通过关闭BMS主控功能，本发明一样适用，即整车控制器集成了MCU数字信号处理模块的功能，相应的新能源汽车动力系统基本结构如图7所示。
对于已有完整电机控制器的新能源汽车，通过关闭MCU数字信号处理功能，本发明一样适用，即整车控制器集成了BMS主控功能，相应的新能源汽车动力系统基本结构如图8所示。