纯电动汽车整车控制器设计开题报告.docx

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纯电动汽车整车控制器设计开题报告

开题报告

文献综述

1.1课题研究背景

众所周知，能源问题已不再是某个国家的问题，它已成为一个世界性的问题。

对于汽车行业来说，世纪年代的石油危机使人们认识到自然资源的有限性与合理利用自然资源、促进国民经济可持续发展的迫切性。

而伴随能源问题的出现，环境问题也日趋严重。

由于传统的发动机动力主要来自石燃料，并且排放的尾气中含有大量的有害气体，因此汽车及发动机的发展正承受着来自上述两方面的巨大挑战。

据统计年我国汽车保有量为万辆，低于日本的万辆汽车保有量，相当于美国亿辆汽车保有量的四分之一。

由此可见我国汽车发展的空间非常大。

汽车保有量的不断攀升，虽然给人类带来经济的繁荣，但同时也给城市带来了大气污染和汽车能源的压力。

面对如此严峻的形式，电动汽车的研究与开发引起了世界各国的关注。

电动汽车与传统汽车相比，具有以下优点：

[1]

1.电动汽车与传统汽车相比，其最大的优点是能量利用率高，噪声低，对环境污少。

电动汽车的能源是由蓄电池提供的，而蓄电池的电能是由电网提供的。

电能可由太阳能、风能、核能、水能、潮汐能等新型能源提供，所以电动汽车不依赖于石油能源，减少了石油的消耗。

2.电动汽车的量转换率高，同时具有更快更精确的转矩控制能力。

电动汽车能量利用效率大大超过传统汽车。

电动汽车在运动中停车时不消耗能量，在制动时可回收制动能量，给蓄电池充电再次利用，从而提高了电动车辆的能量利用率。

3.电动汽车的结构比传统车辆简单，机械传动部件少，减少机械谁损失，并且驾驶员在操作时更加方便。

由于少了很多机械传动设备，使其维修很方便，节省了开支。

电动汽车除了在能源、环保和节能方面显示出优越性和具有强大的竞争力外，在车辆性能方面也显示出了巨大的优势。

电动汽车的转矩响应迅速、加速快，比燃油汽车高出个数量级，电机可分散配置，通过线控技术直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向[2]。

随着网络技术、信息技术和线控技术的广泛应用，智能交通系统（的实现也会变得非常简单。

电动汽车是20世纪最伟大的20项工程技术成就中前两项技术的融合，即“电气化”和“汽车”的融合产物[3]。

1831年世界上就有了第一辆电动汽车，其构想与研制均早于传统燃油车，但由于性能不如燃油车，使其研究与开发工作一度停滞；20世纪70年代的能源危机和石油短缺，又使电动汽车获得了生机，到了20世纪80年代，随着人们对于空气污染和温室效应的关注，对电动汽车的研究热情进入了空前高涨期；从20世纪90年代初起，世界各大汽车集团公司如Ford、GM、Toyota和Honda等，都在电动汽车上投入了较大的资金，并研制出多种电动汽车及电动汽车概念车，如Ford的Thinkcity，GM的EV1，Toyota的RAV4、Prius和FCEV，Honda的EVPlus、Insigt和FCX-V3等[4][5]。

国内随着国家十五计划“863”电动汽车重大科技专项的正式启动，全国各地对电动汽车研制和开发更加重视。

一般而言，电动汽车可分为3类，分别是纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池汽车。

目前，这三种电动汽车都处于不同的发展阶段，面临着不同的困难和挑战。

业内人士认为，混合动力电动汽车是传统汽车和纯电动汽车之间的一个过渡，未来的汽车发展趋势必将是纯电动汽车。

纯电动汽车又称为蓄电池电动汽车，它具有高效、节能、低噪声、零排放等显著优点，在节能和环保方面具有不可比拟的优势，因此它是解决传统汽车所带来的环境污染、能源短缺等方面问题的有效办法。

纯电动汽车起源于美国，发展于日本，并随着纯电动汽车研究热潮的不断高涨，迅速在世界范围内普及。

德国和法国的纯电动汽车技术水平也得到迅速发展[6]。

就目前而言，日本对纯电动汽车的研究和开发处于国际领先水平。

国内纯电动汽车的发展与世界其他国家一样，电动汽车研发工作在我国也正在如火如茶的进行着。

从十五、十一五，到现在的十二五，国家从维护我国能源安全、改善大气环境、提高汽车工业竞争力、实现我国汽车工业的跨越式发展的战略高度考虑，设立电动汽车重大科技专项，通过组织企业、高等院校和科研机构，集中国家、地方、企业、高校、科研院所等方面的力量进行联合攻关。

国内主要汽车制造商对纯电动汽车的开发和研制也投入了相当的人力和物力，并取得了一定的成果[7]。

北京奥运会期间，奇瑞、长安、东风、一汽、京华及福田等汽车生产企业联合清华大学、北京理工大学等单位，向社会提供了自主研发的55辆纯电动锂电池汽车、25辆混合动力客车、75辆混合动力轿车、20辆燃料电池轿车，以及400辆纯电动场地车等各种新能源汽车为奥运会服务。

奥运会后，科技部连续3年在国内10个以上有条件的大中城市开展千辆级混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车、以及提供基础设施的大规模示范，2010年底节能与新能源汽车达到1万辆[8][9]。

2011年上海车展，国内很多汽车企业展示了自主研发的纯电动汽车。

长安奔奔MINI纯电动车采用锂电池，最高车速120km/h，充电6小时，续航里程达150公里；比亚迪e6采用磯酸铁电池，最高车速140km/h，标准充电6小时，续航里程300公里；江淮同悦纯电动车采用磯酸铁锂电池，标准充电8小时，60km/h等工况下续驶里程150km；奇瑞瑞麟M1-EV采用高性能锂电池，最高车速120km/h，标准充电时间6-8小时，续驶里程可达120多公里。

长城腾翼C20EV纯电动车搭载高效率锂离子电池，续驶里程150km；力帆620EV纯电动车最高车速120km/h，单次充电续驶里程160km。

可以说，国内各研究单位及汽车企业对电动汽车的研究开发，已处于百家争鸣的态势。

1.2纯电动汽车关键技术

纯电动汽车作为机械、电子、能源、计算机、汽车，信息技术等多种高新技术的集成，是典型的高新技术产品，其最终目标是实现智能化、数字化和轻量化。

纯电动汽车关键技术的研究是发展纯电动汽车的重点。

纯电动汽车的关键技术主要有：

1.动力电池技术

动力电池为纯电动汽车提供能量，是纯电动汽车的动力源泉，也是制约纯电动汽车发展的关键因素。

纯电动汽车使用动力电池的主要性能指标有比能量（E）、比功率（P）、能量密度（Ed）、循环寿命（L）和成本（C）等。

纯电动汽车能与传统汽车相竞争，必须要研究幵发出比功率大、比能量高、使用寿命长的高效动力电池。

到目前为止，纯电动汽车上使用的动力点出电池经过了3代的发展，并取得了突破性的进展。

第1代是铅酸电池，目前主要是阀控铅酸电池（VRLA），由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电，因此是目前惟一能大批量生产的纯电动汽车用电池。

第2代是碱性电池，主要有镍氢（Ni-MH）、镍镉（NJ-Cd）、钠硫（Na/S）、锂离子（Li-ion）和锌空气（Zn/Air）等多种动力电池，其比功率和比能量都比铅酸电池高，因此此类动力电池在纯电动汽车上使用，可以大大提高纯电动汽车的动力性能和续驶里程，但是此类电池价格却比铅酸电池要高出许多，并且锂离子电池等对环境的安全条件要求比较高。

第3代是以燃料电池为代表的动力电池，例如氢燃料电池等。

燃料电池可以直接将燃料的化学能转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都比前两代电池高，并且可以反应过程进行控制，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用动力电池，但目前还处于研制阶段，一些关键技术还有待突破[10]。

2.电机及其驱动控制技术

对纯电动汽车而言，电动机与驱动系统是电动汽车的动力输出部件，它直接决定了纯电动汽车的动力性。

要使电动汽车有良好的使用性能，驱动电机应具有调速范围宽、启动转矩大、转速高、质量小、体积小、效率高且有动态制动强和能量回馈等特性[11][12]。

目前，纯电动汽车上应用的电动机主要有4类，分别是直流电动机（DCM）、永磁无刷电动机（PMBLM）、感应电动机（IM）和幵关磁阻电动机（SRM）目前，由感应电动机驱动的纯电动汽车大都采用矢量控制和直接转矩控制。

由于直接转矩控制方法直接、结构简单、控制性能优良，并且动态响应迅速，因此非常适合纯电动汽车的控制。

美国以及欧洲研制的纯电动汽车多采用此类电动机。

永磁无刷电动机可以分为由方波驱动的无刷直流电动机系统（BLDCM）和由正弦波驱动的无刷直流电动机系统（PMSM），它们都具有较高的功率密度，其控制方式与感应电动机基本相同，因此在纯电动汽车上得到了广泛的应用。

PMSM类电机具有较高的能量密度和效率，其体积小、惯性低、响应快，非常适应于电动汽车的驱动系统，有极好的应用前景。

目前，由日本研制的电动汽车主要采用这种电动机。

另外开关磁阻电动机（SRM）具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行、控制灵活、可四象限运行、响应速度快和成本较低等优点。

实际应用发现SRM存在转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点，应用受到了限制。

随着电动机及驱动系统的发展，控制系统趋于智能化和数字化。

模糊控制、神经网络、自适应控制、专家控制、遗传算法等非线性智能控制技术，都将各自或结合应用于电动汽车的电动机控制系统。

3.能量管理技术

纯电动汽车要获得良好的动力特性，必须装备比能量高、使用寿命长、比功率大的动力电池作为动力源。

然而，性能再好的动力电池，其储存的能量也是有限的。

因此，要对动力电池的有限的能量进行合理的分配，提高整车的能量利用率和续驶里程。

这就必须对动力电池进行系统管理。

能量管理系统是纯电动汽车的智能核心。

一辆设计优良的纯电动汽车，除了有良好的机械性能、电驱动性能、选择适当的动力电池外，还应该有一套协调纯电动汽车各个功能部件工作的能量管理系统，它的作用是检测单个电池或电池组的工作状态，并根据各种传感信息，包括制动力、加减速命令、行驶路况、动力电池工况、环境温度等，以及空调等用电设备工作状况，合理地调配和使用有限的车载能量；它还能够根据电池组的使用情况和充放电历史选择最佳充电方式，以尽可能延长电池的寿命[13]。

4.整车网络通讯技术

汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。

作为汽车电子的重要组成部分，汽车网络技术也成为国内外汽车电子厂商的关注热点。

通讯网络促使汽车进入络化、数字化的时代，生产商不断把这些技术融入到诸如电子刹车和驾驶系统及新兴的混合驱动等领域的创新。

现在我们可以看见，很多汽车的控制系统、驾驶系统、信息系统、传感执行系统、娱乐系统、GPS都通过如CAN总线联系在一起，使汽车成为一个智能平台[14]。

纯电动汽车整车结构基本上式电气连接，各个控制单元通过车载网络进行数据交换和控制。

随着车载网络技术的不断发展，纯电动汽车被认为是未来实现智能交通最有潜力的方式。

5.整车控制器

纯电动汽车的整车控制器（VehicleController）是纯电动汽车整车控制系统的核心部件，它对汽车的正常行驶，安全性，再生能量回馈，网络管理，故障诊断与处理，车辆的状态的监视等功能起着关键的作用[15]。

整车控制器的ECU是整车控制器的核心部件，也是衡量整车控制系统性能及功能等级的主要部件。

整车空控制器EUC通过相应的控制软件程序来对采集到的信息进行判断、分析和计算，并最终生成控制指令，发送给纯电动汽车的其他控制单元，控制整车的各个部件进行协调工作，使车辆可以安全平稳行驶。

因此，整车控制器的性能好坏直接影响到整个纯电动汽车控制系统的控制效果。

无论纯电动汽车的其他总成性能如何完好，如果整车控制器出现了问题，车辆就将无法正常行驶，无法实现能量回馈，甚至出现安全事故。

因而开发出功能完备的整车控制器是纯电动汽车车控制系统产品化过程中必不可少的工作任务。

1.3纯电动汽车分类

1纯电动汽车（BEV）：

由电动机驱动的汽车。

电动机的驱动电能来源于车载可充电蓄池或其他能量储存装置。

大部分车辆直接采用电机驱动，有一部分车辆把电动机装在发动机舱内，也有一部分直接以车轮作为四台电动机的转子，其难点在于电力储存技术。

本身不排放污染大气的有害气体，即使按所耗电量换算为发电厂的排放，除硫和微粒外其他污染物显著的减少，而且电力可以重很多一次能源获取如煤、水力、风力、光、热等解除了人们对石油的逐渐减少的担心。

电动汽车可以充分利用晚间用电低谷时富余的电力充电使发电设备能充分的利用，大大的提高了经济效益。

而且纯电动汽车有利于减少二氧化碳的排量和节约能源，正是这个优点电动汽车的研究和应用成为了汽车工业的一个热点。

2混合动力电动汽车（HEV）：

分为串联式混合动力汽车和并联式混合动力汽车和混联式混合动力汽车

1.串联式混合动力汽车（SHEV）：

车辆的驱动力只来源于电动机的混合动力（电动）汽车。

其结构特点：

发动机带动发电机发电，电能通过电机控制器送给电动机，由电动机驱动汽车行驶。

2.并联式混合动力汽车（PHEV）：

车辆的驱动力由电动机及发动机同时或单独供给的混合动力（电动）汽车。

其结构特点并联式驱动系统可以单独使用发动机或发电机作为动力源，也可以同时使用电动机和发电机作为动力源驱动汽车行驶。

3.混联式混合动力汽车（CHEV）:

同时具有串联式，并联式驱动方式的混合动力（电动）汽车。

其结构特点可以在串联混合模式下工作，也可以在并联混合模式下工作，同时兼顾了并联和串联式的特点。

3燃料电池汽车：

燃料电池是燃料电池电动汽车的动力源，对燃料电池的基本要求是：

①高的比能量和比功率；②安全性好且成本低；③对环境无危害，可回收性好。

利用重整技术，采用改质型燃料电池以提高燃料的储存、保管、充加、随带的方便性和安全性。

驱动电机是燃料电池电动汽车的心脏，当前驱动电机主要有感应电动机（IM）和永磁无刷电动机（PMBLM），电机转矩的动态性能好，能够迅速和平滑地控制电机的转矩，功率密度高，自身质量和体积小，电控系统是燃料电池电动汽车的大脑，它负责对燃料电池系统、电机驱动系统、动力转向系统、再生制动系统和其他辅助系统进行监测和管理。

电控技术主要包括各总成部件子系统和整车系统的控制策略和控制方法。

1.4国内外研究现状

英国人罗伯特·戴维森在1873年制造了第一款可供实用的纯电动汽车。

而最早的以汽油为燃料、内燃机为动力的汽车由卡尔·奔驰在1885年制成并获得了专利权，纯电动汽车的产生比以燃油为动力的汽车早了十多年。

在十九世纪下半页，电动汽车曾经有过辉煌，在人类交通史上留下过光彩的记忆。

然而进入二十世纪以后，内燃机技术经历了不断的发展与进步，此外福特公司发明了以流水线方式大批量生产制造汽车，这使得燃油汽车得以普及，造就了其无可撼动的地位，曾经在市场中与之竞争的蒸汽机汽车被岁月无情的淘汰，而电动汽车在很长的一段时间内不断萎缩，几乎要退出市场。

几次石油危机过后国际油价暴涨，世界主要能源进口国都在积极开发节能技术和寻找替代能源，同时人们的环保意识不断加强、对环境污染问题日益关注，这引发了国际能源市场长远性的结构变化，电动汽车再一次进入了人们的视线。

二十世纪末，美国和日本的汽车生产厂商推出了一系列电动汽车，比如通用公司的EV1电动轿车和丰田公司的RAV4EV。

进入二十一世纪，美国政府斥资24亿美元用于支持新型电动汽车与电池的研发和生产，这极大地影响了美国电动汽车的产业化进程。

似乎在一夜之间，美国的特斯拉电动汽车成为外界关注的焦点。

在2008年，特斯拉汽车公司推出了电动跑车Roadster，它使用锂电池技术，充满电后能够行驶320公里以上，百公里加速只需4s，最高速度达到200km/h，其优异的性能与超前的理念使消费者眼前一亮。

在2012年，特斯拉汽车公司发售了ModelS车型，它具有最大480公里的巡航里程，从该车型上我们能够看到最前沿的技术在电动汽车上的实际应用。

中国的电动汽车技术起步较晚，经历了从无到有、由弱到强、持续进步的发展历程，目前颁布了56项电动汽车的国家和行业标准，已经建立起了具有自主知识产权的电动汽车技术体系及其产业链。

在2001年我国启动了“863”计划电动汽车重大专项，将电动汽车的研发细化为“三纵三横”，“三纵”指的是将电动汽车的研究方向分为纯电动汽车、混合动力汽车和燃料电池汽车三个大类，“三横”指的是将对电动汽车核心技术的研究分为动力总成控制系统、电机及其控制系统和电池及其管理系统三个部分。

经过“十五”、“十一五”的技术积累以及奥运、世博和“十城千辆”范平台的不断拉动，中国电动汽车产业蓬勃发展，但是目前取得的成果与产业化的发展要求还有一定差距。

1.5课题研究的意义

纯电动汽车被认为是本世纪解决汽车面临的石油能源危机和环境污染问题的有效方案之一。

各国相继研发的电动汽车随着世界各国对环保意识和节能意识的增强，必将取代传统的内燃机汽车，或将成为未来社会主要的交通工具，21世纪汽车领域重要的发展趋势。

而纯电动汽车则是公认的电动汽车的最佳选择方案，因为它的最主要优点是零排放和高能量转换率。

整车控制器作为纯电动汽车的大脑，整车控制系统的主要部件，是研发纯电动汽车的关键技术。

的主要工具。

其中纯电动汽车是国际公认的新能源汽车的最佳解决方案，它最直接的优点就是零排放和较高的能量转换效率。

整车控制器是纯电动汽车的核心部件，是研发纯电动汽车的关键技术。

其基本思想是：

根据驾驶员的意图（加速踏板、制动踏板、档位）和车辆的状态（SOC、车速），依据适当的控制规律，借助相应的开关器件和电子装置对车辆的各个系统进行协调控制，它在纯电动汽车正常运行过随着能源危机、环境保护等问题的产生，新能源汽车将取代传统内燃机汽车，成为交通运输程中，起着至关重要的作用。

许多研究机构和汽车企业投入了大量的人力和物力用于研发和完善纯电动汽车整车控制器。

参考文献

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（2）;1-29.

[5]RiazenmanMJ.EngineeringtheEVfuture[J].IEEESpecteum，1998，35（11）;18-20.

[6]胡名一.胡伟.国内外电动汽车发展状况.汽车情报.2003年.第35期.16-26.

[7]孙逢春.德国和法国电动汽车的发展和现状科[J]科技潮.2004.8.38-39.

[8]张立国.宁国宝.国内电动汽车发展综述明.汽车工业研究.2006年.第12期.30-33.

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[10]曹秉刚.张传伟.白志峰.等.电动汽车技术进展和发展趋势[J]西安交通大学学

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（1）.1-5.

[11]ChanCC.Englineeringphilosophyofelectricvehicles[J].ElectricMachinesandDrives，1999（5）;255-257.

[12]WyczalekFA.Hybridelectric;year2000status[J].IEEEAcrospaceandElectronicsSystemMsgazine，2001，16（3）;15-25.

[13]张巍.纯电动汽车电池管理系统的研究[硕士学位论文].北京;北京交通大学.2008.

[14]郭晞文.参照AUTOSAR标准的汽车电子通讯与应用.[硕士学位论文].浙江;浙江大学.2008.05.

[15]张劲博.纯电动客车整车控制器研究[硕士学位论文].吉林;吉林大学.2008.

毕业设计开题报告

２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

2.1研究的内容

在全球环境污染与能源短缺的情况下，作为新能源汽车的代表，纯电动汽车凭借节约能源、低碳环保等优点，成为解决传统汽车所带来的环境污染和资源短缺等问题的有效途径，将成为未来主要的绿色交通工具与。

（1）研究电动汽车的结构类型，以及每个类型的特点，以及每个类型的现状确定种中类性适合与现在的发展情况。

（2）分析纯电动汽车整车控制器的设计要求。

（3）根据纯电动汽车的结构组成和需求分析，完成了整车控制系统的总体结构和方案设计。

2.2总体方案设计

电动汽车可分为三类即纯电动汽车（EV）、混合动力电动汽车（HEV）和燃料电池电动汽车（PCEV）。

这三类电动汽车基本上可有六部分组成：

底盘、车身、蓄电池组、电动机、控制器、辅助设施蓄电池。

基本由这六部分组成。

整车控制器的设计要求：

直接向整车控制器发送信号的传感器包括：

加速踏板传感器、制动踏板传感器和档位开关，其中加速踏板传感器和制动踏板传感器输出模拟信号，档位开关输出信号是开关量信号。

整车控制器通过向电机控制器、电池管理系统发送指令间接控制电机运转和电池充放电，通过控制主继电器来实现车载模块的上下电。

根据整车控制网络的构成以及对整车控制器输入输出信号的分析，整车控制器应满足如下技术要求：

（1）设计硬件电路时，应该充分考虑汽车恶劣的行驶环境，注重电磁兼容性，提高抗干扰能力。

整车控制器在软硬件上都应该具备一定的自保护能力，以防止极端情况的发生；

（2）

（2）整车控制器需要有足够多的I/O口，能够快速准确采集各种输入信息，至少具备两路A/D转换通道用于采集加速踏板信号和制动踏板信号，应该具有多个开关量输入通道，用于采集汽车档位信号，同时应该具有多个用于驱动车载继电器的功率驱动信号输出通道；

（3）（3）整车控制器应该具备多种通讯接口，CAN通讯接口用于与电机控制器、电池管理系统和车载仪表通讯，RS232通讯接口用于与上位机通讯，同时预留了一个RS-485/422通讯接口，这可以将不支持CAN通讯的设备兼容，例如某些型号的车载触摸屏；

（4）不同的路况条件下，汽车会遇到不同的冲击和震动，整车控制器应该具备良好抗冲击性，才能保证汽车的可靠性和安全性。

整车控制器PCB电路设计架构

整车控制系的类型：

纯电动汽车整车控制系统主要分为集中式控制和分布式控制两种方案。

集中式控制系统的基本思想是整车控制器独自完成对输入信号的采集，并根据控制策略对数据进行分析和处理，然后直接对各执行机构发出控制指令，驱动纯电动汽车的正常行驶。

集中式控制系统的优点是处理集中、响应快和成本低，缺点是电路复杂，并且不易散热。

分布式控制系统的基本思想是整车控制器采集一些驾驶员信号，同时通过CAN总线与电机控制器和电池管理系统通信，电机控制器和电池管理系统分别将各自采集的整车信号通过CAN总线传递给整车控制器。

整车控制器根据整车信息，并结合控制策略对数据进行分析和处理，电机控制器和电池管理系统收到控制指令后，根据电机和电池当前的状态信息，控制电机运转和电池放电。

分布式控制系统的优点是模块化和复杂度低，缺点是成本相对较高。

整车控制器的软件构架

毕业设计开题报告

指导教师意见：

指导教师：

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所在系审查意见：

系主任：

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