CN104210372A - 短途纯电动车驱动电机、变速器、dc/dc转换器一体化控制器 - Google Patents

Abstract

一种短途纯电动车驱动电机、变速器、DC/DC转换器一体化控制器，涉及新能源汽车电控领域，包括控制器壳体和散热器，控制器壳体内设有微控制器、主驱动电机驱动电路、主驱动电机三相H桥电路、换档电机驱动电路和换档电机H桥电路，微控制器上连接有5VDC/DC转换电路、有12V直流外接供电电流采集电路、12V直流电压采集电路、动力电池直流母线电压采集电路、主驱动电机三相电流采集电路、主驱动电机温度采集电路、加速踏板采集电路、制动踏板采集电路、MOSFET温度信号采集电路、换档直流电机驱动电流采集电路、主驱动电机转子位置信号采集电路、车速信号采集电路、档位位置信号采集电路，本发明集成度高、可靠性高、响应速度快、反应灵敏，大大提升电动车整体性能。

Description

短途纯电动车驱动电机、变速器、DC/DC转换器一体化控制器

技术领域

本发明涉及新能源汽车电控领域，详细讲是一种具有集成度高、可靠性高、响应速度快、反应灵敏，大大提升电动车整体性能的短途纯电动车驱动电机、变速器、DC/DC转换器一体化控制器。

背景技术

短途纯电动乘用车满足《纯电动乘用车技术条件》（GB/T 28382-2012），定位为取代目前市场上的低速纯电动乘用车。短途纯电动乘用车的设计要求是在保证系统高可靠性的前提下尽量降低成本。短途纯电动乘用车驱动系统的主流配置为单电机串联两档变速器，如果考虑舒适性和降低驾驶难度，需要配置自动变速器。在电控系统上，主要包括三个控制器，分别是主驱动电机控制器、两档自动变速器控制器以及DC/DC转换器，目前这三个控制器在车上为分立单元，三者单独设计、制造，使用过程中相互间需要传递电信号，三者之间协调的好坏直接影响整车的性能。短途纯电动乘用车对空间体积的要求较为严格，各控制器独立分布布置，占用较大空间。专利《电动汽车用驱动电机-变速器一体化系统控制方法及系统》（200910076778.X）设计了一种电动汽车用驱动电机-变速器一体化系统控制，该系统包括四个分立控制器，控制器之间需要通过电信号的传递完成整车的一体化控制。这类控制系统存在如下问题：（1）控制系统拓扑结构复杂，采用多个分立单元，成本较高；（2）采用多个分立单元，需要占用较多的车辆空间进行布置；（3）需要在四个分立的控制单元之间传递大量的控制和反馈信号，如果采用硬线连接，则接线复杂，影响可靠性；如果采用硬线连接的方式，如下信号需要引出多个并联分支：（1）主驱动电机转子位置信号，需要同时给主驱动电机控制器和换档控制器；（2）主驱动电机温度信号，需要同时给主驱动电机控制器和换档控制器；（3）主驱动电机各相电流信号，需要同时给主驱动电机控制器和换档控制器；（4）加速踏板信号，需要同时给主驱动电机控制器和换档控制器；（5）制动踏板信号，需要同时给主驱动电机控制器和换档控制器；（6）12V直流电压信号，需要同时给换档控制器和DC/DC转换器。（4）对于在四个分立的控制单元之间传递大量的控制和反馈信号，如果采用车载总线连接，虽然可以避免接线复杂的问题，但是由于车载总线采用了多路复用的传输结构，报文的传输周期受到限制，根据《汽车控制系统局域网络（CAN 总线）通信协议 第5部分：应用层—车辆》规定，最短采用10ms的周期传输，并且在多个报文同时发送时，优先级低的报文会丢失仲裁，进一步影响传输周期，进而影响控制系统的实时性。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种集成度高，占用空间小、空间利用率高，接线简洁，响应速度快、反应灵敏，可靠性高，成本低的短途纯电动车驱动电机、变速器、DC/DC转换器一体化控制器。

本发明解决上述现有技术的不足采用的技术方案是：

一种短途纯电动车驱动电机、变速器、DC/DC转换器一体化控制器，包括控制器壳体和散热器，控制器壳体内设有微控制器、主驱动电机三相MOSFET驱动电路、MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路、换档直流电机MOSFET驱动电路和MOSFET组成的换档直流电机H桥电路，其特征在于微控制器的电源和地线接口与5V（伏）DC/DC转换电路输出端连接，5V（伏）DC/DC转换电路的输入端经12V（伏）DC/DC转换电路与动力电池直流母线输入接线相连，微控制器的（不同）AD（模拟量转数字量）采集端口上分别连接有12V直流外接供电电流采集电路、12V直流电压采集电路、动力电池直流母线电压采集电路、主驱动电机三相电流采集电路、主驱动电机温度采集电路、加速踏板采集电路、制动踏板采集电路、MOSFET温度信号采集电路和换档直流电机驱动电流采集电路，微控制器的（不同）捕捉端口上分别连接有主驱动电机转子位置信号采集电路和车速信号采集电路，微控制器的三路数字IO（输入输出）采集端口上连接有档位位置信号采集电路；12V直流外接供电电流采集电路和12V直流电压采集电路的输入端与12V（伏）DC/DC转换电路的输出端相连，12V直流外接供电电流采集电路输出端上设有12V直流母线输出接线，动力电池直流母线电压采集电路与动力电池直流母线输入接线相连，主驱动电机温度采集电路、加速踏板采集电路、制动踏板采集电路、主驱动电机转子位置信号采集电路、车速信号采集电路和档位位置信号采集电路的输入端上分别设有信号采集接线；主驱动电机三相MOSFET驱动电路的输入端与微控制器的6路PWM输出端口相连、输出端与MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路的控制端（门极）相连，MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路的输出端与主驱动电机三相电流采集电路的输入端相连，主驱动电机三相电流采集电路的输出端设有三相交流电输出接线；换档直流电机MOSFET驱动电路的输入端与微控制器的4路PWM输出端口相连、输出端与MOSFET组成的换档直流电机H桥电路的控制端（门极）相连，MOSFET组成的换档直流电机H桥电路的输出端与换档直流电机驱动电流采集电路的输入端相连，换档直流电机驱动电流采集电路输出端设有输出可翻转12V直流电的输出接线；主驱动电机三相MOSFET驱动电路、换档直流电机MOSFET驱动电路和MOSFET组成的换档直流电机H桥电路的电源端与12V直流母线相连，MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路的电源端设有动力电池直流母线输入接线。

本发明种所述的动力电池直流母线接地端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与电阻R1、电阻R2、电容C2的一端相连，电容C2的另一端与5V直流母线接地端相连；12V直流母线接地端与电容C4的一端连接；电容C4的另一端与电阻R3、电阻R4、电容C5的一端相连，电容C3的另一端与5V直流母线接地端相连；电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的另一端与控制器壳体的接地端相连。上述接地端的连接结构解决了一体化控制器内多个大功率器件对微控制器的干扰问题，保证信号采集端口的检测可靠性和精度，如：保证IO口采集的电平和实际输入电平一致，避免系统不动作或者误动作，保证AD口采集的电压更接近实际电压值、精度更高，避免系统的不保护或者误保护，保证捕捉口采集的转速误差更小，避免速度匹配还未达到要求时进档，造成打齿。

经实验检测，一体化控制器可以保证IO口采集的电平和实际输入电平一致，保证AD口采集的误差小于千分之一，速度检测的误差小于1%；采用动力电池直流母线接地端、5V直流母线接地端、12V直流母线接地端与控制器壳体的接地端直接连接的方式时，IO口采集的电平和实际输入电平不一致发生的概率在1%以上，AD口采集的误差在15%以上，速度检测的误差在10%以上；采用现有的其他抗干扰电路，IO口采集的电平和实际输入电平不一致发生的概率在于万分之一以上，AD口采集的误差在1%以上，速度检测的误差在3%以上；IO口采集的电平和实际输入电平不一致，会造成系统不动作或者误动作，AD口采集的电压误差越大，系统的不保护或者误保护的概率越高，速度检测误差越大，进档时待啮合的齿轮副速差越大，打齿现象更严重，噪音更大。

本发明中所述的电阻R1、R2、R3、R4的阻值为20欧姆，电容C1、C2、C3、C4的电容值为2.2nF。

上述一体化控制器的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，系统上电，一体化控制器控制变速器档位初始化；

第二步，一体化控制器根据驾驶员输入信号和车辆反馈信号，控制主驱动电机工作在转矩模式；

第三步一体化控制器根据车辆反馈信号和驾驶员输入信号判断是否需要换档，如果需要换档，设定目标档位值，进入第四步；如果不需要换档，进入第二步；

第四步，一体化控制器切断主驱动电机的供电，主驱动电机进入自由模式；

第五步，一体化控制器驱动换档电机运转，控制换档执行机构将两档变速器切入空档； 

第六步，一体化控制器控制主驱动电机进入转速模式，根据当前车速和待接合档位速比，计算主驱动电机的目标转速，一体化控制器控制主驱动电机调速，使主驱动电机转速和该目标转速匹配；

第七步，判断主驱动电机转速和该目标转速是否匹配，如不匹配进入第六步；如果匹配进入第八步；

第八步，一体化控制器切断主驱动电机的供电，主驱动电机进入自由模式；

第九步，一体化控制器驱动换档电机运转，控制换档执行机构将两档变速器切入待接合档位；进入第二步。

本发明的一体化控制器在工作时，12V直流母线输出接线可以连接车载低压电器设备，如车灯、车门电机、雨刷电机等设备，为其供电。动力电池直流母线输入接线与动力电池组相连，三相交流电输出接线与汽车电动机相连，可翻转12V直流电的输出接线与换档直流电机相连；主驱动电机温度采集电路、加速踏板采集电路、制动踏板采集电路、主驱动电机转子位置信号采集电路、车速信号采集电路和档位位置信号采集电路的输入端上的信号采集接线分别与相应的信号采集器相连。本发明集成度高，占用空间小、空间利用率高，接线简洁，响应速度快、反应灵敏，可靠性高，成本低廉。

附图说明

图1是本发明的电子线路结构示意图。

图2是本发明使用时控制器壳体外部连接线示意图。

图3是本发明控制方法的流程图。

图4是本发明各电源线及控制器壳体接地端电路结构示意图。

具体实施方式

如图所示的短途纯电动车驱动电机、变速器、DC/DC转换器一体化控制器，包括控制器壳体和散热器，控制器壳体内设有微控制器7（MCU）、主驱动电机三相MOSFET驱动电路16、MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路17、换档直流电机MOSFET驱动电路15和MOSFET组成的换档直流电机H桥电路14，微控制器7（MCU）选用32位的TMS320F28335，散热器与控制器壳体内的功率器件相连、为其散热，上述电路及结构为现有技术，不再赘述。本发明的特征在于微控制器7的电源和地线接口与5V（伏）DC/DC转换电路5输出端连接，5V（伏）DC/DC转换电路5的输入端经12V（伏）DC/DC转换电路1与动力电池直流母线输入接线相连，微控制器的不同AD（模拟量转数字量）采集端口上分别连接有12V直流外接供电电流采集电路4、12V直流电压采集电路6、动力电池直流母线电压采集电路2 、主驱动电机三相电流采集电路18、主驱动电机温度采集电路19、加速踏板采集电路12、制动踏板采集电路10、MOSFET温度信号采集电路9和换档直流电机驱动电流采集电路13，MOSFET温度信号采集电路9与散热器上的温度传感器相连，微控制器的不同捕捉端口上分别连接有主驱动电机转子位置信号采集电路3和车速信号采集电路11，微控制器的三路数字IO（输入输出）采集端口上连接有档位位置信号采集电路8；12V直流外接供电电流采集电路4和12V直流电压采集电路6的输入端与12V（伏）DC/DC转换电路1的输出端相连，12V直流外接供电电流采集电路输出端上设有12V直流母线输出接线，动力电池直流母线电压采集电路与动力电池直流母线输入接线相连，主驱动电机温度采集电路、加速踏板采集电路、制动踏板采集电路、主驱动电机转子位置信号采集电路、车速信号采集电路和档位位置信号采集电路的输入端上分别设有信号采集接线；主驱动电机三相MOSFET驱动电路的输入端与微控制器的6路PWM输出端口相连、输出端与MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路的控制端（门极）相连，MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路的输出端与主驱动电机三相电流采集电路的输入端相连，主驱动电机三相电流采集电路的输出端设有三相交流电输出接线；换档直流电机MOSFET驱动电路的输入端与微控制器的4路PWM输出端口相连、输出端与MOSFET组成的换档直流电机H桥电路的控制端（门极）相连，MOSFET组成的换档直流电机H桥电路的输出端与换档直流电机驱动电流采集电路的输入端相连，换档直流电机驱动电流采集电路输出端设有输出可翻转12V直流电的输出接线；主驱动电机三相MOSFET驱动电路、换档直流电机MOSFET驱动电路和MOSFET组成的换档直流电机H桥电路的电源端与12V直流母线相连，MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路的电源端设有动力电池直流母线接线。

本发明进一步改进，所述的动力电池直流母线接地端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与电阻R1、电阻R2、电容C2的一端相连，电容C2的另一端与5V直流母线接地端相连；12V直流母线接地端与电容C4的一端连接；电容C4的另一端与电阻R3、电阻R4、电容C5的一端相连，电容C3的另一端与5V直流母线接地端相连；电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的另一端与控制器壳体的接地端相连，电阻R1、R2、R3、R4的阻值为20欧姆，电容C1、C2、C3、C4的电容值为2.2nF。上述接地端的连接结构解决了一体化控制器一个控制器壳体内多个大功率器件对微控制器的干扰问题，保证信号采集端口的检测可靠性和精度，如：保证IO口采集的电平和实际输入电平一致，避免系统不动作或者误动作，保证AD口采集的电压更接近实际电压值、精度更高，避免系统的不保护或者误保护，保证捕捉口采集的转速误差更小，避免速度匹配还未达到要求时进档，造成打齿。

经实验检测，一体化控制器可以保证IO口采集的电平和实际输入电平一致，保证AD口采集的误差小于千分之一，速度检测的误差小于1%；采用动力电池直流母线接地端、5V直流母线接地端、12V直流母线接地端与控制器壳体的接地端直接连接的方式时，IO口采集的电平和实际输入电平不一致发生的概率在1%以上，AD口采集的误差在15%以上，速度检测的误差在10%以上；采用现有的其他抗干扰电路，IO口采集的电平和实际输入电平不一致发生的概率在于万分之一以上，AD口采集的误差在1%以上，速度检测的误差在3%以上；IO口采集的电平和实际输入电平不一致，会造成系统不动作或者误动作，AD口采集的电压误差越大，系统的不保护或者误保护的概率越高，速度检测误差越大，进档时待啮合的齿轮副速差越大，打齿现象更严重，噪音更大。

如图1所示的短途纯电动乘用车电机、变速器以及DC/DC转换器一体化控制器的输入或输出接线及微控制器内部信号的特性和用途如下：

（1）12V直流母线，该引线为12V直流功率线，为车载低压电器设备供电，具体包括车灯、车门电机、雨刷电机等设备；

（2）12V直流外接供电电流采集电路连接到MCU的AD（模拟量转数字量）采集端口，MCU通过该端口获取12V直流外接供电电流大小，实现过流保护功能；

（3）12V直流电压采集电路连接到MCU的AD（模拟量转数字量）采集端口，MCU通过该端口获取12V直流电压大小，实现高低压保护功能；

（4）动力电池直流母线通过DC/DC转换电路输出12V直流，再通过DC/DC转换电路输出5V直流，该5V直流母线为MCU供电，接到MCU的电源和地线接；

（5）转子位置反馈，该引线为主驱动电机转子位置反馈输入信号，一般为方波信号，方波信号的低压为0V，高压为5V；

（6）主驱动电机转子位置信号采集电路连接到MCU的捕捉端口，通过捕捉方波信号的跳变沿并且计算方波信号的跳变之间的时间间隔获取主驱动电机转子速度；

（7）动力电池直流母线，该引线为48-144V的直流功率线，为主驱动电机和DC/DC转换模块提供电能；

（8）动力电池直流母线电压采集电路连接到MCU的AD（模拟量转数字量）采集端口，MCU通过该端口获取动力电池直流母线电压大小，实现高低压保护功能；

（9）主驱动电机三相MOSFET驱动电路采用12V直流母线供电，连接到MCU的6路PWM输出端口，主驱动电机三相MOSFET驱动电路输出6路功率更强的PWM信号，连接到MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路，控制三相H桥电路的6组MOSFET开关的通断；

（10）MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路在6路功率更强的PWM信号的控制下，将输入的动力电池直流母线信号逆变为初始三相交流电，逆变的方法可以采用目前主流的SVPMW方式；

（11）三相交流电，该引线为三相交流功率线，连接到主驱动电机，在驱动时为主驱动电机提供电能，在制动能量回收时将主驱动电机的发出的电能反馈给动力电池；

（12）主驱动电机三相电流采集电路连接到MCU的AD（模拟量转数字量）采集端口，MCU通过该端口获取主驱动电机三相电流大小，实现过流保护功能，由于三相电流和为零，因此在实际使用中仅需采集三相中的任意两相电流，接入MCU的两路AD（模拟量转数字量）采集端口即可；

（13）电机温度反馈，该引线为主驱动电机温度反馈输入信号，一般为温敏电阻信号，根据电机温度的变化反馈不同的电阻值，通过测量温敏电阻的分压大小获取反馈信号，温敏电阻的分压一般为0-5V连续变化的模拟信号；

（14）主驱动电机温度采集电路连接到MCU的AD（模拟量转数字量）采集端口，MCU通过该端口获取主驱动电机温度大小，实现高低温保护功能；

（15）车速反馈信号，该引线为变速器输出轴转速反馈输入信号，一般为方波信号，方波信号的低压为0V，高压为5V；

（16）车速信号采集电路连接到MCU的捕捉端口，通过捕捉方波信号的跳变沿并且计算方波信号的跳变之间的时间间隔获取变速器输出轴的转速，变速器输出轴的转速和车速的比例固定，由驱动桥的主减速器速比决定；

（17）加速踏板信号，该引线为加速踏板输入信号，一般为0-5V连续变化的模拟信号；

（18）加速踏板采集电路连接到MCU的AD（模拟量转数字量）采集端口，MCU通过该端口获取加速踏板输入信号电压的大小，感知驾驶员的加速意图，如果测量到的加速踏板输入信号电压超过正常的范围，则进入加速踏板异常保护功能；

（19）制动踏板信号，该引线为制动踏板输入信号，一般为0-5V连续变化的模拟信号；

（20）制动踏板采集电路连接到MCU的AD（模拟量转数字量）采集端口，MCU通过该端口获取制动踏板输入信号电压的大小，感知驾驶员的制动意图，如果测量到的制动踏板输入信号电压超过正常的范围，则进入制动踏板异常保护功能；

（21）位于散热器上的温度传感器信号，该信号为散热器温度反馈输入信号，一般为温敏电阻信号，根据电机温度的变化反馈不同的电阻值，通过测量温敏电阻的分压大小获取反馈信号，温敏电阻的分压一般为0-5V连续变化的模拟信号；

（22）MOSFET温度信号采集电路连接到MCU的AD（模拟量转数字量）采集端口，MCU通过该端口获取散热器温度大小，实现高低温保护功能；

（23）档位位置反馈信号，该引线为变速器换档拨叉位置反馈输入信号，一般为0V或者5V的数字信号，可通过接触开关或者接近开关实现，根据信号的电压反馈当前变速器换档拨叉的位置，档位位置反馈信号为三路，分别对应高档、低档和空档位置；

（24）档位位置信号采集电路连接到MCU的三路数字IO（输入输出）采集端口，MCU通过该端口获取档位位置；

（25）换档直流电机MOSFET驱动电路采用12V直流母线供电，连接到MCU的4路PWM输出端口，换档直流电机MOSFET驱动电路输出4路功率更强的PWM信号，连接到MOSFET组成的换档直流电机H桥电路，控制H桥电路的4组MOSFET开关的通断；

（26）MOSFET组成的换档直流电机H桥电路在4路功率更强的PWM信号的控制下，将输入的12V直流母线转换为初始可翻转12V直流电，初始可翻转12V直流电的极性由换档的目标档位决定；

（27）可翻转12V直流电，该引线为可翻转12V直流功率线，连接到换档直流电机，可根据可翻转12V直流的极性控制换档直流电机的转动方向，实现高低档位间的切换。

（28）换档直流电机驱动电流采集电路连接到MCU的AD（模拟量转数字量）采集端口，MCU通过该端口获取换档直流电机驱动电流大小，实现过流保护功能；

本发明将主驱动电机控制分为三种模式：（1）转矩模式；（2）自由模式；（3）转速模式。

（1）转矩模式：车辆正常行驶，不需进行换档操作，一体化控制器通过采集的驾驶员信号和车辆信号采用转矩闭环的模式控制主驱动电机，驱动车辆行驶；

（2）自由模式：需进行换档操作，一体化控制器切断主驱动电机的供电，主驱动电机空转，以便变速器切入空档；

（3）转速模式：变速器位于空档，根据当前车速和待接合档位速比，计算主驱动电机的目标转速，一体化控制器采用转速闭环的模式控制主驱动电机，使主驱动电机转速和该目标转速匹配，满足换档条件。对转速匹配的定义为主驱动电机转速和该目标转速的差值绝对值小于设定阈值，例如，小于50r/min；

本发明将两档变速器分为三种工作状态：（1）低档；（2）高档；（3）空档。

（1）低档，两档变速器处于结合状态，能够传递功率，主驱动电机的转速和车轮转速的速比最大。

（2）高档，两档变速器处于结合状态，能够传递功率，主驱动电机的转速和车轮转速的速比最小。

（3）空档，两档变速器处于不结合状态，不能够传递功率，主驱动电机的转速和车轮转速之间没有关联。

上述一体化控制器的工作方式为：

第一步，系统上电，一体化控制器控制变速器档位初始化。

该步骤的作用是使整车启动时变速器为低档，同时防止系统档位切换的过程中异常断电，造成变速器档位位置不确定。系统上电后，一体化控制器切断主驱动电机供电，使主驱动电机没有动力输出，一体化控制器驱动换档电机，控制换档执行机构，将两档变速器切入低档。

具体控制过程：此时一体化控制器忽略实际采集的加速踏板信号和制动踏板信号，一体化控制器通过主驱动电机三相MOSFET驱动电路，关闭MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路，切断主驱动电机的供电，主驱动电机没有动力输出。一体化控制器采集档位位置反馈信号，如果档位位置反馈不是低档，包括高档、空档或者档位中间任意位置，MCU通过换档直流电机MOSFET驱动电路，控制MOSFET组成的换档直流电机H桥电路，输出特定极性的12V直流电给换档直流电机，驱动换档直流电机沿特定方向旋转，通过换档执行机构驱动拨叉动作，直到档位位置反馈信号为低档，MCU控制可翻转12V直流电停止输出，变速器挂入低档。

进入第二步。

第二步，一体化控制器根据驾驶员输入信号和车辆反馈信号，控制主驱动电机工作在转矩模式。

具体控制过程：此时一体化控制器采集实际的加速踏板信号和制动踏板信号，在MCU内部以转矩闭环的模式控制主驱动电机运转，使主驱动电机工作在驱动模式或者制动能量回收模式。

进入第三步。

第三步，一体化控制器根据车辆反馈信号和驾驶员输入信号判断是否需要换档。

具体控制过程：此时一体化控制器根据车辆反馈信号（动力电池直流母线电压信号、动力电池直流母线流信号、主驱动电机转子位置信号、主驱动电机温度信号、主驱动电机三相电流信号、变速器档位位置信号、车速信号、换档电机电流信号）和驾驶员输入信号（加速踏板信号和制动踏板信号）判断是否需要换档，判断是否换档时采用双层控制模式，包括动力性层和经济性层。动力性和安全相关，保证车辆具备最短的加速需求，可快速的完成超车等危险工况，因此在控制模式的选择上动力性层的优先级高于经济性层。在满足动力性的前提后，再尽量使主驱动电机工作在高效率区，延长短途纯电动乘用车的续驶里程。

如果需要换档，设定目标档位值，进入第四步；如果不需要换档，进入第二步。

第四步，一体化控制器切断主驱动电机的供电，主驱动电机进入自由模式。

具体控制过程：此时一体化控制器忽略实际采集的加速踏板信号和制动踏板信号，一体化控制器通过主驱动电机三相MOSFET驱动电路，关闭MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路，切断主驱动电机的供电，主驱动电机没有动力输出。

进入第五步。

第五步，一体化控制器驱动换档电机运转，控制换档执行机构将两档变速器切入空档。

具体控制过程：MCU通过换档直流电机MOSFET驱动电路，控制MOSFET组成的换档直流电机H桥电路，输出特定极性的12V直流电给换档直流电机，驱动换档直流电机沿特定方向旋转，通过换档执行机构驱动拨叉动作，直到档位位置反馈信号为空档，MCU控制可翻转12V直流电停止输出，变速器挂入空档。

进入第六步。

第六步，一体化控制器控制主驱动电机进入转速模式，根据当前车速和待接合档位速比，计算主驱动电机的目标转速，一体化控制器控制主驱动电机调速，使主驱动电机转速和该目标转速匹配。

具体控制过程：此时一体化控制器忽略实际采集的加速踏板信号和制动踏板信号，根据车速反馈信号和变速器待接合档位速比计算主驱动电机目标转速，一体化控制器根据该目标转速对主驱动电机进行调速控制，使主驱动电机转速快速接近该目标转速。

进入第七步。

第七步，判断主驱动电机转速和该目标转速是否匹配。

具体控制过程：匹配条件为主驱动电机转速和该目标转速的差值的绝对值小于一定的阈值，该阈值可以选取为50r/min。

如不匹配进入第六步；如果匹配进入第八步。

第八步，一体化控制器切断主驱动电机的供电，主驱动电机进入自由模式。

具体控制过程：此时一体化控制器忽略实际采集的加速踏板信号和制动踏板信号，一体化控制器通过主驱动电机三相MOSFET驱动电路，关闭MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路，切断主驱动电机的供电，主驱动电机没有动力输出。

进入第九步。

第九步，一体化控制器驱动换档电机运转，控制换档执行机构将两档变速器切入待接合档位。

具体控制过程：MCU通过换档直流电机MOSFET驱动电路，控制MOSFET组成的换档直流电机H桥电路，输出特定极性的12V直流电给换档直流电机，驱动换档直流电机沿特定方向旋转，通过换档执行机构驱动拨叉动作，直到档位位置反馈信号为目标档位值，MCU控制可翻转12V直流电停止输出，变速器挂入目标档位。

进入第二步。

本发明中一体化控制器采用单一MCU，可以同时实现主驱动电机控制器、换档电机控制器以及DC/DC转换器的功能，充分的利用MCU的资源、降低成本。

集中设计电源处理电路，去掉分立系统主驱动电机控制器的动力电池直流母线电压转换到12V直流的电路，直接使用DC/DC转换器的动力电池直流母线电压转换到12V直流的电路，电路结构简化，电路板更小，可以有效的降低电路板制板和元器件采购成本。

采用单一外壳体，一体化设计MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路、DC/DC转换电路输出12V直流电和换档直流电机MOSFET驱动电路的散热器结构件，减少了散热器件的数量，可以降低散热件成本，使一体化控制器在空间体积上更小，更易于在整车上的布置。

接线方面，原分立系统主驱动电机转子位置信号、主驱动电机温度信号、主驱动电机三相电流信号、加速踏板信号、制动踏板信号需要同时提供给主驱动电机控制器、换档电机控制器，上述信号需要同时引出两套接线，接线复杂；本发明的一体化控制器采用单一MCU，上述反馈信号仅需一套接线即可，输入输出接口为图1中虚线框外部的引线，使用时的连接关系与图2一致。接线更加简洁，可以有效的降低在接线方面的物理连接故障和环境干扰，提升系统的可靠性，有效的降低线束成本； 

在实时性方面：对于在分立的控制单元之间传递大量的控制和反馈信号，如果采用车载总线连接，虽然可以避免接线复杂的问题，但是由于车载总线采用了多路复用的传输结构，报文的传输周期受到限制，根据《汽车控制系统局域网络（CAN 总线）通信协议 第5部分：应用层—车辆》规定，最短采用10ms的周期传输，并且在多个报文同时发送时，优先级低的报文会丢失仲裁，进一步影响传输周期，进而影响控制系统的实时性。本发明的一体化控制器采用控制周期为1ms，在系统实时性上比原有系统可提高了一个数量级，可以产生如下有益效果：（1）换档时机的选择精度更高，档位切入时机选择更加细腻，转速匹配精度更高，换档冲击更小；（2）换档周期更短，整车由于换档产生的动力中断时间也更短。

一体化控制器可以处理系统在档位切换的过程中异常断电，造成两档变速器档位位置不确定现象。具体为，系统上电后，一体化控制器控制切断主驱动电机供电，使主驱动电机保持静止，一体化控制器驱动换档电机，控制换档执行机构，将两档变速器切入低档。

换档控制过程特征为：一体化控制器根据车辆反馈信号（动力电池直流母线电压信号、动力电池直流母线流信号、主驱动电机转子位置信号、主驱动电机温度信号、主驱动电机三相电流信号、变速器档位位置信号、车速信号、换档电机电流信号）和驾驶员输入信号（加速踏板信号、制动踏板信号）判断是否需要换档，判断是否换档的依据是在满足动力性的前提下，尽量使主驱动电机工作在高效率区，延长短途纯电动乘用车的续驶里程。如果需要换档，一体化控制器切断主驱动电机的供电，主驱动电机进入自由模式；一体化控制器驱动换档电机运转，控制换档执行机构将两档变速器切入空档；一体化控制器控制主驱动电机进入转速模式，根据当前车速和待接合档位速比，计算主驱动电机的目标转速，一体化控制器控制主驱动电机调速，使主驱动电机转速和该目标转速匹配；待主驱动电机转速和该目标转速匹配后，一体化控制器驱动换档电机运转，控制换档执行机构将两档变速器切入待接合档位。

本发明集成度高、可靠性高、响应速度快、反应灵敏，大大提升电动车整体性能。

Claims (3)

1.一种短途纯电动车驱动电机、变速器、DC/DC转换器一体化控制器，包括控制器壳体和散热器，控制器壳体内设有微控制器、主驱动电机三相MOSFET驱动电路、MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路、换档直流电机MOSFET驱动电路和MOSFET组成的换档直流电机H桥电路，其特征在于微控制器的电源和地线接口与5VDC/DC转换电路输出端连接，5VDC/DC转换电路的输入端经12VDC/DC转换电路与动力电池直流母线输入接线相连，微控制器的AD采集端口上分别连接有12V直流外接供电电流采集电路、12V直流电压采集电路、动力电池直流母线电压采集电路、主驱动电机三相电流采集电路、主驱动电机温度采集电路、加速踏板采集电路、制动踏板采集电路、MOSFET温度信号采集电路和换档直流电机驱动电流采集电路，微控制器的捕捉端口上分别连接有主驱动电机转子位置信号采集电路和车速信号采集电路，微控制器的三路数字IO采集端口上连接有档位位置信号采集电路；12V直流外接供电电流采集电路和12V直流电压采集电路的输入端与12VDC/DC转换电路的输出端相连，12V直流外接供电电流采集电路输出端上设有12V直流母线输出接线，动力电池直流母线电压采集电路与动力电池直流母线输入接线相连，主驱动电机温度采集电路、加速踏板采集电路、制动踏板采集电路、主驱动电机转子位置信号采集电路、车速信号采集电路和档位位置信号采集电路的输入端上分别设有信号采集接线；主驱动电机三相MOSFET驱动电路的输入端与微控制器的6路PWM输出端口相连、输出端与MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路的控制端相连，MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路的输出端与主驱动电机三相电流采集电路的输入端相连，主驱动电机三相电流采集电路的输出端设有三相交流电输出接线；换档直流电机MOSFET驱动电路的输入端与微控制器的4路PWM输出端口相连、输出端与MOSFET组成的换档直流电机H桥电路的控制端相连，MOSFET组成的换档直流电机H桥电路的输出端与换档直流电机驱动电流采集电路的输入端相连，换档直流电机驱动电流采集电路输出端设有输出可翻转12V直流电的输出接线；主驱动电机三相MOSFET驱动电路、换档直流电机MOSFET驱动电路和MOSFET组成的换档直流电机H桥电路的电源端与12V直流母线相连，MOSFET组成的主驱动电机三相H桥电路的电源端设有动力电池直流母线输入接线。

2.根据权利要求1所述的短途纯电动车驱动电机、变速器、DC/DC转换器一体化控制器，其特征在于所述的动力电池直流母线接地端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端与电阻R1、电阻R2、电容C2的一端相连，电容C2的另一端与5V直流母线接地端相连；12V直流母线接地端与电容C4的一端连接；电容C4的另一端与电阻R3、电阻R4、电容C5的一端相连，电容C3的另一端与5V直流母线接地端相连；电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4的另一端与控制器壳体的接地端相连。

3.根据权利要求2所述的短途纯电动车驱动电机、变速器、DC/DC转换器一体化控制器，其特征在于所述的电阻R1、R2、R3、R4的阻值为20欧姆，电容C1、C2、C3、C4的电容值为2.2nF。