CN1112493A - 电动车辆节能和辅助驾驶监控器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动车辆节能和辅助驾驶监控 器，由主控制单元、显示接口单元、电机接口控制单元 和汽车接口控制单元等组成。主控制单元通过I/O 接口与其他单元相联接，通过I/O接口获取信息、 发出控制指令，控制系统的执行部件和显示单元。该 监控器通过传感器接收驾驶员的操作及汽车运行状 况，通过剩余电量计获得电池使用情况，最后将优化 处理的控制指令发送给汽车的执行机构，实现高效合 理的运行，从而使电动车辆行驶更远的距离。

Description

本发明涉及一种电动车辆节能和辅助驾驶监控器，属电动车辆自动控制技术领域。

目前，电动汽车的研制和使用在国际和国内又重新兴起，出现了多种新型的电动汽车，但考虑把计算机用于电动汽车节能控制和辅助驾驶的却很少。而在普通汽车上，计算机的使用已经比较普遍，主要是用来实现高性能的自动控制，如点火，喷油燃烧，防侧滑不抱死，安全保护以及空调设备等等。在电动车辆上使用微处理器，也是十分必要的，它有着非常好的前景，可以使汽车性能更加优良，更加安全，驾驶更加方便，维护更为容易。

一般电动车辆由蓄电池提供电能，由交流或直流电机及电机调控器提供驱动力，再配以其它电子系统，如电量计、指示仪表等组成。而电动车辆的运行状态怎样，是否实现节能、高效，则完全由驾驶员的操作决定。不合理的驾驶或误操作，非但不安全，而且会过多地消耗车载有限的宝贵电能。使用计算机的高速处理能力和灵活的控制功能，监视电池、电机、车体的运行状态，调整系统的运行参数，使各个系统高效运行，系统之间实现最优匹配，可以实现节能和提高车辆的行驶里程，同时计算机可以用多种方式显示车辆行驶中电池、电机、车体的各种状态信息，给驾驶员提供一个很好的驾驶参考，能够有效地减轻驾驶员的负担，提高驾驶水平。

本发明的目的是设计一种电动车辆节能和辅助驾驶监控器，以实现用计算机对电动车辆的节能控制和辅助驾驶。通过监视电池组的电压、电流、电量，使其运行在最佳工作区，限制最大放电电流，提高电池的利用率，延长电池的使用寿命。通过对踏板信号变化的处理，实现节能启动，通过对车辆行驶状态的分析和计算，完成最佳的速比选择，使电机长期运行在高效率区；通过外接的能量回收电路，最大限度地回收制动时的能量，将制动时的机械能转化为电能，重新输入电池，一般情况下，可以将制动时能量的20-35%进行回收；通过对行驶过程的监视和分析，给出车辆行驶过程中的信号指示和状态显示，提供比较合理的操作过程，同时可以指出发生错误时的故障来源，方便了司机的驾驶和车辆的维护。节能是电动车辆最关键的技术之一，其目的就是最大限度地利用电池组的有限能量，通过监控实现高效合理的运行，从而使电动车辆行驶更远的距离。

本发明设计的电动车辆节能和辅助驾驶监控器，由主控单元、汽车接口控制单元、电机控制接口单元和显示系统组成，主控单元通过I/O接口控制单元与汽车接口控制单元、电机控制接口单元和显示系统相连接。其中的主控单元包括：

（1）用以控制监控器运行的主控制芯片（U19）；

（2）用以存储程序的32K程序存储器（U16）；

（3）用以存储数据的32K数据存储器（U17）；

（4）用以接收和发送数据的I/O口数据总线驱动器/缓冲器（U13）；

（5）用于产生程序存储器和数据存储的片选信号以及I/O口的控制信号的地址译码控制器（G2）；

其中的显示系统包括用来显示汽车运行中状态指示信号的高亮度发光二极管和液晶显示器；

其中的电机接口控制单元包括：

（1）使电机控制具有手动和自动切换功能的切换开关（S1）；

（2）用以将电机发来的信号进行阻容滤波的阻容滤波器（R50-57和C43-C50）；

（3）用以切换控制电机的各种信号的二选一数据选择器（U4）；

（4）用以将通过切换开关的信号和电机复位脉冲信号驱动后输出至电机控制器的驱动器（U6）；

（5）将和电机状态有关的显示信号放大后送往显示单元的显示驱动器（U27）；

其中的汽车接口控制单元包括：

（1）对来自汽车的状态信号进行去抖动处理的开关输入去抖动部件R-S触发器（U2和U3）；

（2）对车体电源系统与计算机电源系统进行隔离的光电隔离器件（TLP1）；

其中的I/O接口控制单元包括：

（1）提供32路数字量输出的锁存器（U20-U23）；

（2）提供16路数字量输入的缓冲器（U24和U25）；

（3）用以产生输入输出芯片的控制管脚的可编程逻辑器件G3；

（4）用来控制电机的加速力矩和制动力矩的D/A转换器，由可编程逻辑门阵列（G1）、12位D/A转换芯片（U17和U12）和二级运算放大器（U8-U10）组成。

附图说明：

图1是本发明设计的监控器用于电动车辆中时的系统框图。

图2是监控器的系统框图。

图3是监控器的主控制单元的电路原理图。

图4是监控器的电机接口控制单元的电路原理图。

图5是汽车接口控制单元电路原理图。

图6是I/O接口控制单元电路原理图。

图7是I/O接口控制单元中D/A转换电路原理图。

图8是支持监控器运行的主程序流程框图。

图9是车速计算流程框图。

图10是错误指示流程框图。

图11是串行通讯处理流程框图。

图1是本发明设计的监控器用于电动车辆中时的系统框图。监控器通过传感器接收驾驶员的操作及汽车运行状况，通过剩余电量计获得电池组的使用情况，并将经过优化处理的控制指令发送给汽车上的执行机构-电机，控制汽车的车速。

该监控器由软硬件两部分组成，下面先结合系统框图和电路图，介绍硬件组成及其可以实现的控制。

监控器的硬件组成系统框图如图2所示。

硬件控制主要包括下列部分：主控制单元（ROM，RAM等），显示接口单元（点阵或七段液晶显示器及高亮度发光二极管），电机接口控制单元（开关控制量及模拟控制量，能量回收控制接口），汽车接口控制单元（油门及刹车踏板传感器，汽车档位传感器，钥匙开关测量装置，自动换档控制接口）。

主控单元和其他几个单元的连接一般都是通过I/O接口控制单元进行的，通过I/O接口单元，主控单元获得自己所需到状态信息，通过I/O接口控制单元，主控单元同时可以发出的控制指令，控制系统的执行部件和显示单元。

主控单元的电路原理如图3所示。主控单元是系统的控制中心，主要包括主控制芯片U19、32K程序存储器U16、32K数据存储器U17、I/O口数据总线驱动器/缓冲器U13、地址译码控制器G2，使用了U19的八级中断控制中的高速输入中断、软件定时器中断、串行通讯中断，以及高速输出部件，四路模拟量输入通路。G2用来译码产生程序存储器和数据存储器的片选信号（CSROM和CSRAM），以及I/O口的控制信号（IORQ和IORW）。

高速输入.HSI端口主要有以下几种功能：

接收电机接口单元的紧急故障信号（HSI.1）

接收电机接口单元的普通故障信号（HSI.2）

接收电机的转速测量信号（HSI.0）DM_MOTOR_PULSE

接收解除电机封锁的复位开关输入信号（HSI.3）

高速输出.HSO端口主要有以下几种功能：

主回路通断的控制信号（HSO.2）

电机复位脉冲信号的控制（SHO.3）

模拟量输入通路完成的功能包括：

测量油门角度的ACH4

测量制动踏板角度的ACH5

.串行口RS-232C用来和剩余电量计或其他具有标准三线RS-232C口（TXD，RXD，GND）的汽车仪表进行数据通讯，也可以作为系统数据采集的端口。

.总线信号包括地址总线信号ADD.BUS，数据总线信号DATA.BUS，以及具有驱动和缓冲功能的I/O端口数据总线I/O.BUS。

显示单元主要由高亮度发光二极管和液晶显示器组成，发光管用来显示汽车运行中的状态指示信号，有红黄绿三种颜色，液晶显示器可以选用七段数码管或点阵液晶显示器，用来显示一些文字信息。显示单元的硬件放在相关的控制单元中，实际上它也是一个单独的系统。

信号指示包括：

L1：电机系统紧急故障指示

L2：电机系统普通故障指示

L3：电机过热指示

L4：电机系统控制电源异常指示

L5：空档指示

L6：一档指示

L7：二档指示

L8：手制动指示

L9：倒车指示

L10：制动指示

L11：提示换档指示

L12：汽车超速指示

L13：正常运行指示

L14：电池故障指示

文字指示包括：

车速，已行驶里程，可行驶里程

电池电压，电池放电电流，剩余电量，使用电量，电池温度

电机转速，电机温度

故障说明

电机接口控制单元电路原理图如图4所示。来自电机的状态信号，经过电机接口控制单元的输入通路输入，输入通路由输入缓冲器U5，驱动器U6，脉冲计数单元U1，中断产生控制器U29组成。输出通路由切换开关S1，二选一数字选择器U4，以及输出驱动器U6组成。通过切换开关S1，使电机控制具有手动和自动切换功能。在手动操作中，计算机被旁路，控制信号由相应开关产生。加速踏板的加速信号直接送往电机控制系统，但此时计算机仍可以用来监测汽车的各种信号。切换控制由切换开关S1和数据选择器U4完成，加速信号模拟量由切换开关通过，数字量经过数据选择器U4通过。显示驱动器U27，将和电机状态有关的显示信号放大后送往显示单元。

电机控制器的发来的信号经过R50-57和C43-50阻容滤波处理后，产生电机过流信号（DM_OVCURR）、电机过热信号（DM_OVHEAT）、电机系统控制电源异常信号（DM_CONPWR）、电机控制异常信号（DM_IGBT）、散热器过热信号（DM_SPRER）、电机脉冲信号（DM_MOTOR_PULSE）。这些信号送往I/O控制单元。控制电机的信号包括控制电机正反转的信号（DM_F/B或BKSWIT_S）、电机运行/制动信号（DM_MOV/BRK或BRAKE_S）、IGBT封锁/释放信号（DM_IGBT或IGBT_SW）、主回路通断控制（MAIN_RELAY或高信号）。通过双刀双掷切换开关S1，以上控制信号中的一路可以通过，这些信号和电机复位脉冲信号经过驱动器U6驱动后输出至电机控制器。

汽车接口单元的电路原理如图5所示。汽车接口单元主要由开关输入去抖动部件R-S触发器U2、U3，光电隔离器件TLP1组成，加速和制动踏板的信号都包括模拟量和一个过零检测信号，模拟信号通过阻容滤波后进入主控制芯片U19，装在车辆踏板上的过零检测开关用来检测踏板的微小动作，作为快速反应的输入部件。

经过去抖动处理，产生制动过零信号（D_BRAKE_0）、加速踏板过零信号（D_ACCEL_0）、空挡信号（D_POSI0）、一档信号（D_POSI1）、二档信号（D_POSI2）、手制动信号（D_BRMAN）、复位信号（D_RESET）、倒车信号（D_BKSWIT）。

钥匙开关信号可以检测两路，经过光电器件将车体电源系统和计算机电源系统隔离后，产生开关信号（D_BEGIN和D_BEGIN2）。

I/O接口控制单元的电路原理如图6所示。主控单元通过I/O控制单元和电机控制单元、汽车控制单元、显示单元连接。I/O单元由锁存器U20-U23提供32路数字量输出，由缓冲器U24和U25提供16路数字量输入、两路D/A输出控制单元组成。输入信号通过输入缓冲器U24，U25和I/O数据总线（I/O.BUS）相连，主要用来测量电机和汽车的信号和状态，输出信号通过U20，U21，U22，U23锁存器输出，输入输出芯片的控制管脚由可编程逻辑器件G3产生，占用了I/O空间的0X7F50-0X7F55。32路输出中的16路输出用来控制液晶显示，可以接四位七段显示或点阵显示。

D/A转换的电路原理如图7所示。D/A输出由可编程逻辑门阵列G1，12位D/A转换芯片U7，U12，以及运算放大器U8～U9组成，D/A的参考5V电压由LM336-5生成。G1通过对地址信号和控制信号进行译码，产生D/A控制的片选信号（CSDA1，CSDA2）和写信号（WR11，WR12，WR21，WR22），分别用来控制两路D/A输出的运行。D/A转换芯片为12BIT宽，低四位数据和高八位数据公用八位数据线，分时打入D/A控制器的内部12BIT锁存器。D/A转换器输出的信号经过第一级运算放大器U8（或U11）产生和输入数据对应的模拟量的反向信号，经过第二级运算放大器U9（或U10）反向后，得到-5V～+5V的控制信号（DA_OUT1和UT_OUT2）。两路输出可以分别用来控制电机的加速力矩和制动力矩，也可以用来控制制动时的能量回收强度。以满足各种控制的要求。

系统的硬件组成，是实现系统智能控制的基础，电动车辆是一个比较复杂的系统，在驾驶中，要考虑的运行因素比较多，比较关键的有：电池的状态（电压、电流、电量等），电机的运行特性，车体的运行特性，行驶的自然状况。

支持监控器运行的主程序流程框图如图8所示。系统加电后，开始系统初始化，设置计算机的工作环境，然后开始系统自检，系统自检包括系统板上RAM存储功能的检查，电池状态是否正常，此后，检查系统各部分是否工作正常，主要是电机系统是否正常，如果电机系统有故障，则显示出现的错误情况，系统禁止汽车运行；如果电机正常，则检查车钥匙开关是否在正常位置，如果车钥匙不在正常运行位置，则显示暂停状态，否则可以进行正常运行，在运行中，需要检测司机操作，主要包括换档操作、加速和刹车操作，则调用刹车过程，此时可以进行能量回收；如果目前档位在倒车状态，则调用倒车过程；如果正在换档，则调用换档过程；如果所有档位状态没有改变，则检测加速踏板的变化状态，根据加速踏板的变化情况优化驾驶的控制。然后重复下一轮的检测过程。

车速计算流程如图9所示。车速计算使用了软件定时器中断，通过计算在一定时间内转速脉冲的个数，计算电机的转速和汽车的速度。通过检测电机转速是否在电机系统运行的高效区，以检测是否应该换档，最后将和车速有关的状态显示出来。

错误指示流程如图10所示。因为错误处理的高级别性，所以错误的处理使用了高速输入中断，一旦有错误发生，立即执行错误处理过程。错误发生后，程序检测错误的类型，对紧急故障和普通故障，进行分别处理，并且将故障的情况显示出来，以利于维修的顺利进行。

串行处理流程如图11所示。串行通讯中断用来处理和电池管理系统（剩余电量计）之间进行信息的传送，主要是用来接收电池的信息，电池的信息以数据块的方式传送，有块首和块尾，中断处理通过检测块首字节，启动一个数据块的接收，通过计算所有数据的校验和，检查数据传送的正确性，如果传送错误，则舍掉此数据块。

Claims (1)

1、一种电动车辆节能和辅助驾驶监控器，其特征在于该监控器由主控单元、汽车接口控制单元、电机控制接口单元和显示系统组成，主控单元通过I/O接口控制单元与汽车接口控制单元、电机控制接口单元和显示系统相连接；其中所述的主控单元包括：

(1)用于控制监控器运行的主控制芯片(U19)；

(2)用以存储程序的32K程序存储器(U16)；

(3)用以存储数据的32K数据存储器(U17)；

(4)用以接收和发送数据的I/O口数据总线驱动器/缓冲器(U13)；

(5)用于产生程序存储器和数据存储的片选信号以及I/O口的控制信号的地址译码控制器(G2)；

其中所述的显示系统包括用来显示汽车运行中状态指示信号的高亮度发光二极管和液晶显示器；

其中所述的电机接口控制单元包括：

(1)使电机控制具有手动和自动切换功能的切换开关(S1)；

(2)用以将电机发来的信号进行阻容滤波的阻容滤波器(R50-57和C43-C50)；

(3)用以切换控制电机的各种信号的二选一数据选择器(U4)；

(4)用以将通过切换开关的信号和电机复位脉冲信号驱动后输出至电机控制器的驱动器(U6)；

(5)将和电机状态有关的显示信号放大后送往显示单元的显示驱动器(U27)；

其中所述的汽车接口控制单元包括：

(1)对来自汽车的状态信号进行去抖动处理的开关输入去抖动部件R-S触发器(U2和U3)；

(2)对车体电源系统与计算机电源系统进行隔离的光电隔离器件(TLP1)；

其中所述的I/O接口控制单元包括：

(1)提供32路数字量输出的锁存器(U20-U23)；

(2)提供16路数字量输入的缓冲器(U24和U25)；

(3)用以产生输入输出芯片的控制管脚的可编程逻辑器件G3；

(4)用来控制电机的加速力矩和制动力矩的D/A转换器，由可编程逻辑门阵列(G1)、12位D/A转换芯片(U17和U12)和二级运算放大器(U8-U10)组成。

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