CN107168289A - 一种纯电动方程式赛车的整车控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯电动方程式赛车的整车控制器，包括硬件部分和软件部分；硬件部分包括微控制器模块、电源接口模块、AD采样模块、CAN总线接口模块、继电器驱动模块、加速踏板采集模块、制动踏板采集模块、主开关控制状态采集模块、安全回路及电池状态采集模块；软件部分包括电池状态监测模块、踏板状态监测模块、电机状态监测模块、阻力计算模块、电池SOC计算模块、车辆规则控制模块、保护控制模块和输出控制模块；本发明将硬件部分和软件部分模块化处理，既方便开发人员进行日常的操作，在出现故障时及时准确地找出故障所在，便于维修；集成安全回路和BMS硬件和软件，节省了整车空间及硬件成本，提高了整车电控***稳定性，优化了整车线束布置。

Description

一种纯电动方程式赛车的整车控制器

技术领域

本发明涉及电动汽车控制领域，尤其涉及一种电动方程式赛车的整车控制器。

背景技术

随着纯电动方程式赛车比赛的兴起，纯电动方程式赛车以其卓越的动力性、经济性和环保性备受关注。作为电动汽车概念下的一种原型车，电动方程式赛车在动力结构上与传统燃油方程式赛车存在巨大差别，所以传统燃油方程式赛车的控制策略和方法已不再适用。目前国内纯电动方程式赛车已有电控***的应用，一般组成有电机、电机控制器、动力电池及BMS、加速踏板、制动踏板及安全回路部分控制板等。控制方案多为整车控制器通过采集踏板信号、外部BMS数据来进一步控制电机转动，为整车提供驱动力。但是现有方案存在以下明显缺点：整车控制器、BMS控制板和安全回路部分电路的分离占用了车辆大量的空间，导致了整车线束布置复杂、可靠性差且硬件成本高。

发明内容

鉴于此，本发明的目的是提供一种纯电动方程式赛车的整车控制器，以解决传统整车控制器不适用于方程式赛车，且传统的整车控制器与BMS控制板、安全回路控制板彼此分离耗费大量车内空间及硬件成本、影响整车电控***稳定性和线束布置困难的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种纯电动方程式赛车的整车控制器，包括硬件部分和软件部分；硬件部分包括微控制器模块、电源接口模块、AD采样模块、CAN总线接口模块、继电器驱动模块、加速踏板采集模块、制动踏板采集模块、主开关控制状态采集模块、安全回路及电池状态采集模块；软件部分包括电池状态监测模块、踏板状态监测模块、电机状态监测模块、阻力计算模块、电池SOC计算模块、车辆规则控制模块、保护控制模块和输出控制模块；

电源接口模块用于和外部电源相连，为整车控制器供电；

AD采样模块与外部的传感器连接，采集外部传感器的工作状态；

CAN总线接口模块接入车辆的CAN总线，与电机控制器、仪表CAN节点进行组网通信；

继电器驱动模块将控制电信号与驱动电信号进行磁隔离；

加速踏板采集模块将加速踏板两个位移传感器信号和微控制器两路ADC采样通道连接；

制动踏板采集模块将制动踏板两个开关信号及制动油压传感器信号和微控制器三路ADC采样通道连接；

主开关控制状态采集模块与微控制器ADC采样通道连接，采集赛车高低压开关状态；

安全回路包括安全回路高压部分、安全回路低压部分和将安全回路高压部、安全回路低压部分进行隔离的隔离部分；

电池状态采集模块由电池电压、电流和温度信号采样传感器模块组成，通过分布于电池端的传输模块采集传感器数据，与微控制器通过CAN总线组网通信，使整车控制器集成了BMS功能；

电池状态检测模块通过获取电池状态采集模块的电压、电流和温度原始数据，经处理后转换为当前电池电压、电流、温度状态实际值；

踏板状态监测模块通过AD采样模块采集踏板处位移传感器差分信号的原始数据，经过校准和计算后得到相应的踏板行程大小；

电机状态监测模块通过CAN协议接收总线上电机控制器传递的CAN报文原始数据，经处理后转换为当前电机的转速、电流，扭矩的实际值；

阻力计算模块结合当前车辆行驶状态和车辆自身参数，计算得出当前车辆行驶阻力，为目标转矩计算提供参考；

电池SOC计算模块处理来自电池状态采集模块的电池原始数据估算当前电池SOC；

车辆规则控制模块结合赛车规则对最后的指令发送进行约束；

保护控制模应用于对赛车高速运行时的故障处理和输出控制参数的监控及限制；

输出控制模块综合考虑车辆当前的运行情况，通过控制CAN模块进行CAN总线组网通信，控制PWM输出对相应的电机执行机构进行控制，控制数字信号输出对开关量执行机构进行控制；

微控制器模块通过对原始数据的采集、分析得出并传输当前所需控制参数。

进一步，采用安时法和开路电压法加权法来估算当前电池SOC。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明在设计方案上区别于国内乘务车的设计，满足赛事的特殊要求；在技术手段上将硬件部分和软件部分模块化处理，既方便开发人员进行日常的操作，在出现故障时及时准确地找出故障所在，便于维修，又可以很方便地添加或修改功能；此外，集成安全回路和BMS硬件和软件，节省了整车空间及硬件成本，提高了整车电控***稳定性，优化了整车线束布置。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是整车控制器的硬件***框图；

图2是整车控制器的工作原理示意图；

图3是程序实现鸣笛启动的流程图；

图4是程序判断加速踏板位移传感器的流程图；

图5是程序功率限制的流程图；

图6是为车手定制程序的流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1展示了整车控制器的硬件***框图，主要包括微控制器模块、电源接口模块、AD采样模块、CAN总线接口模块、继电器驱动模块、加速踏板采集模块、制动踏板采集模块、主开关控制状态采集模块、安全回路及电池状态采集模块；软件部分包括电池状态监测模块、踏板状态监测模块、电机状态监测模块、阻力计算模块、电池SOC计算模块、车辆规则控制模块、保护控制模块和输出控制模块；

微控制器模块是整车控制器数据处理和策略分析的核心，通过对原始数据的采集、分析得出并传输当前所需控制参数。

电源接口模块和外部电源相连，为整车控制器供电，保证其正常工作。

AD采样模块与外部的传感器连接，采集外部传感器的工作状态。

CAN总线接口模块接入车辆的CAN总线，与电机控制器、仪表等CAN节点进行组网通信

继电器驱动模块将芯片内的控制电信号与驱动电信号进行磁隔离，实现了微控制器模块对外部开关量执行机构的控制。

加速踏板采集模块将加速踏板两个线位移传感器信号和微控制器两路ADC采样通道连接，通过对加速踏板两路差分信号进行采集进行传感器失效分析和控制策略分析。

制动踏板采集模块将制动踏板两个开关信号及制动油压传感器信号和微控制器三路ADC 采样通道连接，通过对制动踏板两路差分信号进行采集进行传感器失效分析和控制策略分析。

主开关控制状态采集模块与微控制器ADC通道连接，采集赛车高低压开关状态。

安全回路是车辆安全可靠运行的保障，包括安全回路高压、低压和隔离三个部分，其中隔离部分采用光耦器件隔离。在整车控制器中集成安全回路，既方便了微控制器对安全回路工作状态的监控，也节省了车内空间。

电池状态采集模块由电池电压、电流和温度等信号采样传感器模块组成，通过分布于电池端的传输模块采集传感器数据，与微控制器通过CAN总线组网通信，使整车控制器集成了BMS功能。

微控制器模块采用了TI公司的TMS320F28035芯片，TMS320F28035是TI公司推出的一款C2000系列微控制器，内置64K片内flash、12位ADC模块、增强型PWM模块和增强型CAN模块，具有较高的执行速度和完善的***保护功能。TMS320F28035提供了一路CAN2.0B通道和多达16路ADC通道，支持JTAG在线调试。能在-40℃～125℃环境下工作，满足汽车工业的需求。

电源接口模块和外部3.3V的工作电源相连，用于给TMS320F28035供电。

AD采样模块包含了两个ADC转换器共16个ADC转换通道，以及一些预留的通用IO口，该模块主要用于采集踏板处的位移传感器的位移行程模拟量，通过对位移传感器的初始位置和极限位置进行校准，经过线性处理后即可得到实际中踏板位移的大小。此外，对电池电压、电池电流和温度传感器模拟输入进行采集，应用安时法估算当前电池SOC状态，进而对电池进行管理控制。

CAN总线接口模块只需3.3V供电的CAN总线收发驱动芯片SN65HVD230，提供对总线的差动发送和接收功能。

继电器驱动模块将控制电信号与驱动电信号进行磁隔离；

由于TMS320F28035工作电压3.3V，无法直接驱动外部硬件如12V的鸣笛和5V的继电器工作，故在继电器驱动电路中设计了相应的外部接口。在电平转换方面，利用光耦元件隔离了芯片供电的低电压平台和相对较高的外部电压平台，保护了DSP***免受外部电压波动的影响，提高了***整体工作的稳定性。

电池状态检测模块通过获取电池状态采集模块的电压、电流和温度等原始数据，经处理后转换为当前电池电压、电流、温度状态等实际值。

电机状态监测模块通过CAN协议接收总线上电机控制器传递的CAN报文原始数据，经处理后转换为当前电机的转速、电流，扭矩的实际值。

踏板状态监测模块通过AD采样模块采集踏板处位移传感器差分信号的原始数据，经过校准和计算后得到相应的踏板行程大小。

阻力计算模块结合当前车辆行驶状态和车辆自身参数，计算得出当前车辆行驶阻力，为目标转矩计算提供参考。

电池SOC计算模块处理来自电池状态采集模块的电池原始数据，应用安时法和开路电压法加权估算当前电池SOC。

车辆规则控制模块结合赛车规则对最后的指令发送进行约束，包括功率限制、传感器失效控制、车辆的启动、油门和制动信号的逻辑控制等

保护控制模应用于对赛车高速运行时的故障处理和输出控制参数的监控及限制，包括传感器失效时切断动力输出，过温保护和输出门限等。

输出控制模块综合考虑车辆当前的运行情况，通过控制CAN模块进行CAN总线组网通信，控制PWM输出对相应的电机执行机构进行控制，控制数字信号输出对开关量执行机构进行控制等。例如，在电机状态异常或者电池状态异常的情况下，会通过CAN协议给电机控制器发送指令，切断所有的动力来源；在车手按照大赛规定的逻辑对赛车进行操作时，会根据车手的操作做出相应的响应。

图3展示了整车控制器的工作原理示意图，开关检测模块对安全回路主开关状态进行检测，进一步的可以检测车辆当前工作状态。AD采样模块采集加速踏板传感器和制动踏板传感器信号得到车手行驶意图，结合赛事规则，逻辑分析后发送电机控制器转矩控制报文对车辆行驶进行控制；采集电池检测模块传感器传输的电池电压、电流和温度等信号，应用安时法与开路电压法的加权计算电池SOC，控制相应的电池管理执行机构如安全回路对电池的放电进行保护管理，此外结合SOC、车辆当前计算出的行驶阻力和车手当前行驶意图对转矩进行优化输出。

接下来结合具体规则对软件部分的功能进行详细的阐述。

车手在踩下刹车踏板同时在舱内按下档位开关要求启动鸣笛。图4是实现这一功能的程序流程图。按下开关时产生下降沿中断，在中断内部检测制动信号，在制动信号为1时输出高电平启动鸣笛。

当加速踏板处的两个位移传感器误差大于10％时，要求切断所有动力输出。图5是实现这一功能的程序流程图。两个位移传感器AD采样的数值经校准处理后若误差大于10％时，error1置位，整车控制器通过CAN给电机控制器发送指令，断开所有动力。

大赛规则要求，在行驶过程中踩下刹车踏板同时加速踏板位移大于25％，断开动力输出， 只有加速踏板恢复至15％再踩下才会有动力输出。为此，程序内设置专门的标志位，当油门信号超过25％且踩下制动踏板才会置位，一直到制动复位并且油门恢复到15％以内才能清除。

当车上的任意一个传感器失效时，要求断开所有输出。程序中对于每一传感器设置了双通道差分信号采样，当满足失效条件时，error3置位。

大赛规则要求，行驶过程中功率不可以超过80kW。图6是实现这一功能的程序流程图。程序内部设置了转矩系数，默认为1，整车控制器通过CAN协议实时和电机控制器通信，采集电机的电流和转速报文，当接近或达到临界功率时，降低转矩系数，限制转矩输出。

上述整车控制器在控制策略上可以满足车手对不同踏板行程的动力需求，控制策略灵活，可以方便地在程序内定制输出逻辑，图6展示了程序定制的方法；在技术细节上一方面使用均值滤波的方法预处理采样数据，减小偶然误差，另一方面利用位域结构体实现CANopen报文数据格式转换，提高了程序工作效率。

本发明以赛事规则为基本控制规律设计前提，集成BMS和安全回路部分电路，节省了车辆空间及成本，提高整车电控***稳定性，优化整车线束布置，便于整车控制器直接对电池进行保护控制、对主开关状态进行采集。

在本发明中，电池状态采集模块独立于整车控制器，电池状态采集模块由电池电压、电流和温度等信号采样传感器模块组成，通过分布于电池端的传输模块采集传感器数据信号通过整车CAN总线接口模块连接整车控制器，进一步的，利用时安法和开路电压发加权计算得到电池SOC，进一步的，执行BMS的软件控制管理功能，此外也节省了独立BMS控制板所占用的空间及成本。

在本发明中，电路部分集成了安全回路的部分电路，加以高低压隔离保障整车控制器的可靠性，进一步的，通过内部走线即可实现主开关和模块开关的状态检测，此外，也节省了安全回路控制板占用的车内空间，进一步的，可以检测车辆工作状态，分析车辆故障原因等。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种纯电动方程式赛车的整车控制器，其特征在于：包括硬件部分和软件部分；硬件部分包括微控制器模块、电源接口模块、AD采样模块、CAN总线接口模块、继电器驱动模块、加速踏板采集模块、制动踏板采集模块、主开关控制状态采集模块、安全回路及电池状态采集模块；软件部分包括电池状态监测模块、踏板状态监测模块、电机状态监测模块、阻力计算模块、电池SOC计算模块、车辆规则控制模块、保护控制模块和输出控制模块；

电源接口模块用于和外部电源相连，为整车控制器供电；

AD采样模块与外部的传感器连接，采集外部传感器的工作状态；

CAN总线接口模块接入车辆的CAN总线，与电机控制器、仪表CAN节点进行组网通信；继电器驱动模块将控制电信号与驱动电信号进行磁隔离；

加速踏板采集模块将加速踏板两个位移传感器信号和微控制器两路ADC采样通道连接；

制动踏板采集模块将制动踏板两个开关信号及制动油压传感器信号和微控制器三路ADC采样通道连接；

主开关控制状态采集模块与微控制器ADC采样通道连接，采集赛车高低压开关状态；

安全回路包括安全回路高压部分、安全回路低压部分和将安全回路高压部、安全回路低压部分进行隔离的隔离部分；

电池状态采集模块由电池电压、电流和温度信号采样传感器模块组成，通过分布于电池端的传输模块采集传感器数据，与微控制器通过CAN总线组网通信，使整车控制器集成了BMS功能；

电池状态检测模块通过获取电池状态采集模块的电压、电流和温度原始数据，经处理后转换为当前电池电压、电流、温度状态实际值；

踏板状态监测模块通过AD采样模块采集踏板处位移传感器差分信号的原始数据，经过校准和计算后得到相应的踏板行程大小；

电机状态监测模块通过CAN协议接收总线上电机控制器传递的CAN报文原始数据，经处理后转换为当前电机的转速、电流，扭矩的实际值；

阻力计算模块结合当前车辆行驶状态和车辆自身参数，计算得出当前车辆行驶阻力，为目标转矩计算提供参考；

电池SOC计算模块处理来自电池状态采集模块的电池原始数据估算当前电池SOC；

车辆规则控制模块结合赛车规则对最后的指令发送进行约束；

保护控制模应用于对赛车高速运行时的故障处理和输出控制参数的监控及限制；

输出控制模块综合考虑车辆当前的运行情况，通过控制CAN模块进行CAN总线组网通信，控制PWM输出对相应的电机执行机构进行控制，控制数字信号输出对开关量执行机构进行控制；

微控制器模块通过对原始数据的采集、分析得出并传输当前所需控制参数。

2.根据权利要求1所述的一种纯电动方程式赛车的整车控制器，其特征在于：采用安时法和开路电压法加权法来估算当前电池SOC。