CN102848995B - 基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置，包括整车控制器、EtherCAT芯片和EtherCAT总线，其特征在于：所述整车控制器外围接有脚踏板加速信号、钥匙信号、制动信号、车身信号、碰撞信号、档位信号、电源、主接触器、充电机继电器、电机高压继电器和CAN总线接口，所述整车控制器通过EtherCAT芯片实现EtherCAT总线与电机驱动器、电池管理系统、空调控制器、电动助力转向泵、AMT控制器、仪表装置、故障诊断接口、充电机、DC/DC、车载终端进行双向通信。本发明通信速率快、成本低等优点。

Description

基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置及其控制方法。

背景技术

电动汽车作为一种纯净无污染的运输工具与传统汽车相比有着诸多优点，如环保、节能、噪声污染以及驾驶性能等方面。电动汽车主要包括整车控制器、电池及电池管理系统、电机和电机控制器、变速箱、空调和空调控制器、电动助力转向泵、充电机等。各个子系统都有自己的控制单元（ECU）来完成相应的功能。但是为了满足整车的动力性、经济性、安全性和舒适性，需要对电动汽车各个子系统进行协调和性能优化匹配，整车控制装置就是协调和优化各个子系统的性能的控制器。基于CAN总线电动汽车整车控制系统，在各个子控制系统（ECU）数量增加的情况下,基于CAN总线的整车控制器是无法将所有控制单元（ECU）集成在一个控制网络中，在网络集成方面受到一定限制。而现代社会对汽车的安全性、可靠性和控制网络集成也提出了更高的要求，所以整车控制器需要监测和控制较多的控制单元（ECU）来实现控制网络集成。

EtherCAT总线提出的实时工业以太网技术，具有高效率、刷新周期短（可以达到小于100微秒的数据刷新周期）、同步性好，最大通信速率可以达到100M、整个网络最多可以连接65535个设备。远远超过电动客车各个控制单元（ECU）的数量，能够满足电动客车未来安全和监控信息量的要求，而且提高了整个控制系统的控制周期。虽然EtherCAT总线目前在工业实时控制系统中多有应用，但是应用于电动汽车上，目前基本是空白。本发明将EtherCAT总线应用于电动客车，提高整车控制器与电池管理系统、电机控制器和其他控制单元（ECU）的响应时间，缩短了整个控制系统的控制周期。通过车载终端也能将每个电动客车运行状态上传到监控总站，这种控制装置尤其适用于城市的公交系统，为城市的公交安全提供保证。该控制装置预留了CAN总线接口，能够和目前电动汽车控制系统进行连接，无需做任何更改，具有良好的兼容性。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种基于高速实时以太网EtherCAT总线的电动客车整车控制装置以及其控制方法，用于改进整车控制周期，提高控制对象的响应时间和控制系统的安全性。同时能够将整车运行状态上传给监控总站，用以监控车辆的运行状况，提高车辆的运行安全。该方案尤其适用于城市的公交车辆。本发明包含整车控制器，高速实时以太网EtherCAT总线，高速AD口，以及通过高速EtherCAT总线监控整车控制系统、电池及电池管理系统、电机控制器、AMT及控制系统、空调、电动助力转向泵、DC/DC等运行状态和参数，并通过钥匙信号，脚踏板加速信号，制动信号，车身信号，碰撞信号等输入信号运算并输出信号控制相应的设备（电机控制器、电池管理系统、高压开关等）。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置，包括整车控制器、EtherCAT芯片和EtherCAT总线，其特征在于：所述整车控制器外围接有踏板加速信号、钥匙信号、制动信号、车身信号、碰撞信号、档位信号、电源、主接触器、充电机继电器、电机高压继电器和CAN总线接口，所述整车控制器通过EtherCAT芯片实现EtherCAT总线与电机驱动器、电池管理系统、空调控制器、电动助力转向泵、AMT控制器、仪表装置、故障诊断接口、充电机、DC/DC、车载终端进行双向通信。

所述电源提供24V低压电源。

所述整车控制器是通过并口与EtherCAT芯片相连，并经过网络隔离变压器，和网口与EtherCAT总线设备连接。

一种基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置的控制方法：

A、开通低压电源，给整车控制器供电，当开关置于ACC档，接通低压供电电源，整车控制器开始自身工作状态检查,如果自检无法通过，则整车控制器停止工作，并通过EtherCAT总线发送故障信息给仪表显示，直到故障被排除并且仪表显示状态信息正常后整车控制器方能开始工作。

B、整车控制器启动后，开始EtherCAT通信检查，由整车控制器发起，向电机控制器，电池管理系统，AMT控制器，空调控制器，电动助力转向控制器，DC/DC各部件询问通讯状态，所述EtherCAT通信正常后则进入电机控制器，电池管理系统，AMT控制器，空调控制器，电动助力转向控制器，DC/DC各部件控制单元(ECU)状态检查，否则上报EtherCAT通信故障，直至故障被解除。

C、所述电机控制器，电池管理系统，AMT控制器，空调控制器，电动助力转向控制器，DC/DC各部件各个控制单元（ECU）状态正常后，仪表显示无故障，则由整车控制器发出闭合主接触器、电机高压继电器指令，在检测到反馈信号后并且仪表显示一切正常，整车控制器发出闭合则等待驾驶员的操作指令，否则主接触器断开，整车控制器停止工作，直到系统故障排除，仪表显示一切正常，整车控制器重新工作等待驾驶员操作指令。

D、自检完成，仪表显示无故障，如果有故障则需要排除故障。

在步骤D中如果驾驶员将档位置于D档，踩下踏板信号，整车控制器没有检测到制动踏板信号的情况，整车控制器根据踏板行程信号，经过计算确定发送给电机控制器信号的大小和电机的运转指令，则电机正转实现车辆的前进运行；如果档位置于R档，踩下踏板信号，整车控制器没有检测到制动踏板信号的情况下，整车控制器根据踏板行程信号，经过计算发送给电机控制器信号的大小，给电机控制器发送运转信号，并给出反转指令，电机反转实现车辆的倒车运行；如果车辆在正常行驶的过程中，整车控制器检测到制动踏板信号的情况下，整车控制器根据制动踏板行程信号，经过计算发送给电机控制器信号的大小，给电机控制器发送信号，实现车辆的制动；如果档位置于空挡，踩下踏板信号，整车控制器没有检测到制动踏板信号的情况下，整车控制器给电机控制器发出停车信号，如果整车控制器检测到制动踏板信号，则整车控制器默认制动信号无效。

在步骤D中驾驶员将档位置于空挡，整车控制器检测到充电机的充电信号，并且踏板行程信号为零和电机转速为零，则整车控制器发出断开高压闭合开关，整车控制器经过运算，然后给充电机发出电池组需要充电的充电信号，当检测到电池组的SOC达到一定值（90%）后，整车控制器通过EtherCAT总线给充电机发出停止充电信号，整车控制装置接收到停止充电信号后，并自动断开充电开关，停止充电，并通过EtherCAT总线给仪表发出充电完成信号。

在整车控制器低压供电的情况下,整车控制器能够各个子控制系统(ECU)的状态，包含整车控制器的自检信息、电机驱动器的自检信息、电池的自检信息、直流变DC/DC的自检信息、电动助力转向泵的自检信息、仪表自检信息、充电机自检信息，以及车辆运行过程中驾驶员的指令信号，整车控制器的运算的中间信号以及处理情况，电机控制器的运行状况以及车辆的位置、速度以及故障信息，整车控制器将这些信息除了通过EtherCAT总线发送给仪表显示外，还同时发给车载终端。

整车控制器能对整车的运行状况进行初步判断,并做出合理的处理，在车辆运行过程中，整车控制器能够对自身发生的问题以及车辆动力系统发生的问题做出智能处理。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、 因为EtherCAT总线，完全符合以太网标准，无需协议转换通过车载终端即可将电动客车的运行状况发送到监控站，便于监控每辆电动客车的运行状况。这种控制装置尤其适用于城市的公交客车。

2、由于采用的高速EtherCAT总线，比采用CAN总线通信速率快，最高通信速率可以达到100M，提高整车控制器与其他控制单元（ECU）的问答时间，缩短了整个控制周期, 同时EtherCAT总线支持CANopen协议，符合IEC 61800-7-301标准，同时预留CAN总线接口,能够和基于CAN总线电动汽车控制系统进行连接。

3、因为EtherCAT总线最多可以连接65535个EtherCAT从站，所以基于EtherCAT总线的整车控制器有能力将电动客车各个控制单元（ECU）集成到一个控制网络中，从而达到对车辆性能更好的协调和控制。而基于CAN总线的整车控制器在集成控制单元数量上受到限制，无法大容量的集成基于CAN总线的控制单元（ECU）。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

图2为整车控制器通过并口与EtherCAT芯片相连，并经过网络隔离变压器，和网口与EtherCAT总线相连的结构示意图；

图3为整车控制器与EtherCAT芯片通过总线具体连接示意图；

 具体实施方式：

    为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

如图1-3示出了本发明因为采用了高速EtherCAT总线，比采用CAN总线通信速率快（CAN总线最大通信速率1M），最高通信速率可以达到100M，用于改进和提高的整车控制器与电池管理系统，电机控制器和其他控制单元（ECU）的问答时间，提高整车控制周期以及系统的安全性，而且高速实时以太网EtherCAT总线也支持CANopen协议，可以和现有的基于CAN总线的电动汽车控制系统兼容。EtherCAT总线，完全符合以太网标准，通过车载终端无需更改协议，即可以将电动汽车的运行状况发送到监控总站，监控每辆电动客车车辆的运行状况。这种控制装置尤其适用于城市的公交客车。更为将来电动汽车整车网络集成提供便利，解决了CAN总线在控制网络子控制系统（ECU）数量受限的难题，EtherCAT总线最多可以连接65535个EtherCAT从站，也就是说基于EtherCAT总线的整车控制器有能力将电动客车各个控制单元(ECU)集成到一个控制网络中，从而达到更好的协调和控制。也为电动客车控制系统网络化提供便利，为电动客车控制系统的扩展提供便利。本发明整车控制装置由高速信号处理芯片，EtherCAT处理芯片，以及主控制芯片外围接口信号（踏板加速信号、钥匙信号、制动信号、车身信号、碰撞信号、档位信号以及主接触器、电机继电器和充电机继电器等数字输出信号。

基于EtherCAT总线的电动客车整车控制装置的控制方法如下：

1、整车控制器自检：开通低压电源，给整车控制器供电，当开关置于ACC档，接通低压供电电源，整车控制器开始自身工作状态检查。如果自检无法通过，则整车控制器停止工作，并通过EtherCAT总线发送故障信息给仪表显示，直到故障被排除并且仪表显示状态信息正常后整车控制器方能开始工作。

2、系统通信检查：控制器启动后，开始EtherCAT通信检查，由整车控制器发起，向各个EtherCAT从站询问通讯状态，EtherCAT通信正常后则进入各个控制单元(ECU)状态检查，否则上报EtherCAT通信故障，直至故障被解除。各个EtherCAT从站如电机控制器，电池管理系统，AMT控制器，空调控制器，电动助力转向控制器，DC/DC等部件上报自己目前状态，如果各个控制单元(ECU)状态正常，则进入下一步，否则由整车控制器通过EtherCAT总线发送故障信息给仪表并报警，并且整车控制器停止工作。

3、各个控制单元（ECU）状态正常后，仪表显示无故障，则由整车控制器发出闭合主接触器、电机高压继电器指令，在检测到反馈信号后并且仪表显示一切正常，整车控制器发出闭合则等待驾驶员的操作指令，否则主接触器断开，整车控制器停止工作，直到系统故障排除，仪表显示一切正常，整车控制器重新工作等待驾驶员操作指令。

4、整车控制系统都自检完成，仪表显示无故障，如果有故障则需要排除故障。如果驾驶员将档位置于D档，踩下踏板信号，整车控制器没有检测到制动踏板信号的情况，整车控制器根据踏板行程信号，经过计算确定发送给电机控制器信号的大小和电机的运转指令，则电机正转实现车辆的前进运行。如果档位置于R档，踩下踏板信号，整车控制器没有检测到制动踏板信号的情况下，整车控制器根据踏板行程信号，经过计算发送给电机控制器信号的大小，给电机控制器发送运转信号，并给出反转指令，电机反转实现车辆的倒车运行。如果车辆在正常行驶的过程中，整车控制器检测到制动踏板信号的情况下，整车控制器根据制动踏板行程信号，经过计算发送给电机控制器信号的大小，给电机控制器发送信号，实现车辆的制动。如果档位置于空挡，踩下踏板信号，整车控制器没有检测到制动踏板信号的情况下，整车控制器给电机控制器发出停车信号。如果整车控制器检测到制动踏板信号，则整车控制器默认制动信号无效。

5、如果驾驶员将档位置于空挡，整车控制器检测到充电机的充电信号，并且踏板行程信号为零和电机转速为零，则整车控制器发出断开高压闭合开关，整车控制器经过运算，然后给充电机发出电池组需要充电的充电信号，当检测到电池组的SOC达到一定值（90%）后，整车控制器通过EtherCAT总线给充电机发出停止充电信号，整车控制装置接收到停止充电信号后，并自动断开充电开关，停止充电，并通过EtherCAT总线给仪表发出充电完成信号。

6、在整车控制器低压供电的情况下,整车控制器能够各个子控制系统(ECU)的状态，包含整车控制器的自检信息、电机驱动器的自检信息、电池的自检信息、直流变DC/DC的自检信息、电动助力转向泵的自检信息、仪表自检信息、充电机自检信息等，以及车辆运行过程中驾驶员的指令信号，整车控制器的运算的中间信号以及处理情况，电机控制器的运行状况以及车辆的位置、速度以及故障等信息，整车控制器将这些信息除了通过EtherCAT总线发送给仪表显示外，还同时发给车载终端，车载终端通过无线发送给服务器监控总站，提供每辆车的各个子系统的运行状态以及车辆的运行状态，便于监控。也同时将车辆运行状态发送给故障诊断接口，方便外部监测设备监控车辆的运行状态。

整车控制器具有智能处理功能，整车控制器也能对整车的运行状况进行初步判断,并做出合理的处理。在车辆运行过程中，整车控制器能够对自身发生的问题以及车辆动力系统发生的问题做出智能处理；如动力电池的SOC小于20%，整车控制器接收到电池管理系统上报的信号后，整车控制器会给仪表发出对应的报警，并降功率运行，以便于车辆停车充电；如整车控制器接收到电池管理系统的电池的最高温度高于50℃也会发出对应的报警。如在车辆进行档位切换的时候，从D档(R档)向R档（D档）切换的时候，中间没有N档的转换，电机转速不为零，整车控制器将默认为该操作无效，不予执行驾驶员指令。如车辆在进行倒车的过程中，整车控制器会自动将车速限制在30km/h以下；当整车控制器接收到车身信号，车身倾斜达到一定值则整车控制器发出停车信号给电机控制器，使车辆停止运行，确保车辆和驾驶员安全。当整车控制器接收到碰撞信号时，整车控制器立即发出停车信号然后切断主接触器和电机继电器。

Claims (6)

1.一种基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置，包括整车控制器、EtherCAT芯片和EtherCAT总线，其特征在于：所述整车控制器外围接有脚踏板加速信号、钥匙信号、制动信号、车身信号、碰撞信号、档位信号、电源、主接触器、充电机继电器、电机高压继电器和CAN总线接口，所述整车控制器通过EtherCAT芯片实现EtherCAT总线与电机控制器、电池管理系统、空调控制器、电动助力转向泵、AMT控制器、仪表装置、故障诊断接口、充电机、DC/DC、车载终端进行双向通信，所述电源提供24V低压电源，所述整车控制器是通过并口与EtherCAT芯片相连，并经过网络隔离变压器，和网口与EtherCAT总线设备连接。

2.一种基于如权利要求1所述的高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置的控制方法，其特征在于：

A、开通低压电源，给整车控制器供电，当开关置于ACC档，接通低压供电电源，整车控制器开始自身工作状态检查,如果自检无法通过，则整车控制器停止工作，并通过EtherCAT总线发送故障信息给仪表显示，直到故障被排除并且仪表显示状态信息正常后整车控制器方能开始工作；

B、整车控制器启动后，开始通信检查，由整车控制器发起，向电机控制器、电池管理系统、AMT控制器、空调控制器、电动助力转向控制器、DC/DC各部件询问通讯状态，通信正常后则进入电机控制器，电池管理系统，AMT控制器，空调控制器，电动助力转向控制器，DC/DC各部件控制单元ECU状态检查，否则上报通信故障，直至故障被解除；

C、所述电机控制器，电池管理系统，AMT控制器，空调控制器，电动助力转向控制器，DC/DC各部件各个控制单元ECU状态正常后，仪表显示无故障，则由整车控制器发出闭合主接触器、电机高压继电器指令，在检测到反馈信号后并且仪表显示一切正常，整车控制器发出闭合则等待驾驶员的操作指令，否则主接触器断开，整车控制器停止工作，直到系统故障排除，仪表显示一切正常，整车控制器重新工作等待驾驶员操作指令；

D、自检完成，仪表显示无故障，如果有故障则需要排除故障。

3.根据权利要求2所述基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置的控制方法，其特征在于：在步骤D中如果驾驶员将档位置于D档，踩下脚踏板信号，整车控制器没有检测到制动信号的情况，整车控制器根据脚踏板行程信号，经过计算确定发送给电机控制器信号的大小和电机的运转指令，则电机正转实现车辆的前进运行；如果档位置于R档，踩下踏板信号，整车控制器没有检测到制动踏板信号的情况下，整车控制器根据踏板行程信号，经过计算发送给电机控制器信号的大小，给电机控制器发送运转信号，并给出反转指令，电机反转实现车辆的倒车运行；如果车辆在正常行驶的过程中，整车控制器检测到制动踏板信号的情况下，整车控制器根据制动踏板行程信号，经过计算发送给电机控制器信号的大小，给电机控制器发送信号，实现车辆的制动；如果档位置于空挡，踩下踏板信号，整车控制器没有检测到制动踏板信号的情况下，整车控制器给电机控制器发出停车信号，如果整车控制器检测到制动踏板信号，则整车控制器默认制动信号无效。

4.根据权利要求3所述基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置的控制方法，其特征在于：在步骤D中驾驶员将档位置于空挡，整车控制器检测到充电机的充电信号，并且踏板行程信号为零和电机转速为零，则整车控制器发出断开高压闭合开关，整车控制器经过运算，然后给充电机发出电池组需要充电的充电信号，当检测到电池组的SOC达到90%后，整车控制器通过EtherCAT总线给充电机发出停止充电信号，整车控制装置接收到停止充电信号后，并自动断开充电开关，停止充电，并通过EtherCAT总线给仪表发出充电完成信号。

5.根据权利要求4所述基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置的控制方法，其特征在于：在整车控制器低压供电的情况下,整车控制器能够控制电机控制器、电池管理系统、AMT控制器、空调控制器、电动助力转向控制器、DC/DC各控制单元ECU的状态，包含整车控制器的自检信息、电机驱动器的自检信息、电池的自检信息、直流变DC/DC的自检信息、电动助力转向泵的自检信息、仪表自检信息、充电机自检信息，以及车辆运行过程中驾驶员的指令信号，整车控制器的运算的中间信号以及处理情况，电机控制器的运行状况以及车辆的位置、速度以及故障信息，整车控制器将这些信息除了通过EtherCAT总线发送给仪表显示外，还同时发给车载终端。

6.根据权利要求4所述基于高速EtherCAT总线的电动客车整车控制装置的控制方法，其特征在于：整车控制器能对整车的运行状况进行初步判断,并做出合理的处理，在车辆运行过程中，整车控制器能够对自身发生的问题以及车辆动力系统发生的问题做出智能处理。