專利名稱：基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置及其控制方法。
背景技術：
電動汽車作為一種純凈無污染的運輸工具與傳統(tǒng)汽車相比有著諸多優(yōu)點，如環(huán)保、節(jié)能、噪聲污染以及駕駛性能等方面。電動汽車主要包括整車控制器、電池及電池管理系統(tǒng)、電機和電機控制器、變速箱、空調和空調控制器、電動助力轉向泵、充電機等。各個子系統(tǒng)都有自己的控制單元(ECU)來完成相應的功能。但是為了滿足整車的動力性、經濟性、 安全性和舒適性，需要對電動汽車各個子系統(tǒng)進行協(xié)調和性能優(yōu)化匹配，整車控制裝置就是協(xié)調和優(yōu)化各個子系統(tǒng)的性能的控制器?；贑AN總線電動汽車整車控制系統(tǒng)，在各個子控制系統(tǒng)(ECU)數量增加的情況下，基于CAN總線的整車控制器是無法將所有控制單元(ECU)集成在一個控制網絡中，在網絡集成方面受到一定限制。而現(xiàn)代社會對汽車的安全性、可靠性和控制網絡集成也提出了更高的要求，所以整車控制器需要監(jiān)測和控制較多的控制單元(ECU)來實現(xiàn)控制網絡集成。EtherCAT總線提出的實時工業(yè)以太網技術，具有高效率、刷新周期短(可以達到小于100微秒的數據刷新周期)、同步性好，最大通信速率可以達到100M、整個網絡最多可以連接65535個設備。遠遠超過電動客車各個控制單元(ECU)的數量，能夠滿足電動客車未來安全和監(jiān)控信息量的要求，而且提高了整個控制系統(tǒng)的控制周期。雖然EtherCAT總線目前在工業(yè)實時控制系統(tǒng)中多有應用，但是應用于電動汽車上，目前基本是空白。本發(fā)明將EtherCAT總線應用于電動客車，提高整車控制器與電池管理系統(tǒng)、電機控制器和其他控制單元(ECU)的響應時間，縮短了整個控制系統(tǒng)的控制周期。通過車載終端也能將每個電動客車運行狀態(tài)上傳到監(jiān)控總站，這種控制裝置尤其適用于城市的公交系統(tǒng)，為城市的公交安全提供保證。該控制裝置預留了 CAN總線接口，能夠和目前電動汽車控制系統(tǒng)進行連接，無需做任何更改，具有良好的兼容性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供了一種基于高速實時以太網EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置以及其控制方法，用于改進整車控制周期，提高控制對象的響應時間和控制系統(tǒng)的安全性。同時能夠將整車運行狀態(tài)上傳給監(jiān)控總站，用以監(jiān)控車輛的運行狀況，提高車輛的運行安全。該方案尤其適用于城市的公交車輛。本發(fā)明包含整車控制器，高速實時以太網EtherCAT總線，高速AD 口，以及通過高速EtherCAT總線監(jiān)控整車控制系統(tǒng)、電池及電池管理系統(tǒng)、電機控制器、AMT及控制系統(tǒng)、空調、電動助力轉向泵、DC/DC等運行狀態(tài)和參數，并通過鑰匙信號，腳踏板加速信號，制動信號，車身信號，碰撞信號等輸入信號運算并輸出信號控制相應的設備(電機控制器、電池管理系統(tǒng)、高壓開關等)。
本發(fā)明的目的通過以下技術方案來實現(xiàn)一種基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置，包括整車控制器、EtherCAT芯片和EtherCAT總線，其特征在于所述整車控制器外圍接有踏板加速信號、鑰匙信號、制動信號、車身信號、碰撞信號、檔位信號、電源、主接觸器、充電機繼電器、電機高壓繼電器和CAN總線接口，所述整車控制器通過EtherCAT芯片實現(xiàn)EtherCAT總線與電機驅動器、電池管理系統(tǒng)、空調控制器、電動助力轉向泵、AMT控制器、儀表裝置、故障診斷接口、充電機、DC/DC、車載終端進行雙向通信。所述電源提供24V低壓電源。 所述整車控制器是通過并口與EtherCAT芯片相連，并經過網絡隔離變壓器，和網口與EtherCAT總線設備連接。一種基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置的控制方法
A、開通低壓電源，給整車控制器供電，當開關置于ACC檔，接通低壓供電電源，整車控制器開始自身工作狀態(tài)檢查，如果自檢無法通過，則整車控制器停止工作，并通過EtherCAT總線發(fā)送故障信息給儀表顯示，直到故障被排除并且儀表顯示狀態(tài)信息正常后整車控制器方能開始工作。B、整車控制器啟動后，開始EtherCAT通信檢查，由整車控制器發(fā)起，向電機控制器，電池管理系統(tǒng)，AMT控制器，空調控制器，電動助力轉向控制器，DC/DC各部件詢問通訊狀態(tài)，所述EtherCAT通信正常后則進入電機控制器，電池管理系統(tǒng)，AMT控制器，空調控制器，電動助力轉向控制器，DC/DC各部件控制單元(ECT)狀態(tài)檢查，否則上報EtherCAT通信故障，直至故障被解除。C、所述電機控制器，電池管理系統(tǒng)，AMT控制器，空調控制器，電動助力轉向控制器，DC/DC各部件各個控制單元(E⑶)狀態(tài)正常后，儀表顯示無故障，則由整車控制器發(fā)出閉合主接觸器、電機高壓繼電器指令，在檢測到反饋信號后并且儀表顯示一切正常，整車控制器發(fā)出閉合則等待駕駛員的操作指令，否則主接觸器斷開，整車控制器停止工作，直到系統(tǒng)故障排除，儀表顯示一切正常，整車控制器重新工作等待駕駛員操作指令。D、自檢完成，儀表顯示無故障，如果有故障則需要排除故障。在步驟D中如果駕駛員將檔位置于D檔，踩下踏板信號，整車控制器沒有檢測到制動踏板信號的情況，整車控制器根據踏板行程信號，經過計算確定發(fā)送給電機控制器信號的大小和電機的運轉指令，則電機正轉實現(xiàn)車輛的前進運行；如果檔位置于R檔，踩下踏板信號，整車控制器沒有檢測到制動踏板信號的情況下，整車控制器根據踏板行程信號，經過計算發(fā)送給電機控制器信號的大小，給電機控制器發(fā)送運轉信號，并給出反轉指令，電機反轉實現(xiàn)車輛的倒車運行；如果車輛在正常行駛的過程中，整車控制器檢測到制動踏板信號的情況下，整車控制器根據制動踏板行程信號，經過計算發(fā)送給電機控制器信號的大小，給電機控制器發(fā)送信號，實現(xiàn)車輛的制動；如果檔位置于空擋，踩下踏板信號，整車控制器沒有檢測到制動踏板信號的情況下，整車控制器給電機控制器發(fā)出停車信號，如果整車控制器檢測到制動踏板信號，則整車控制器默認制動信號無效。在步驟D中駕駛員將檔位置于空擋，整車控制器檢測到充電機的充電信號，并且踏板行程信號為零和電機轉速為零，則整車控制器發(fā)出斷開高壓閉合開關，整車控制器經過運算，然后給充電機發(fā)出電池組需要充電的充電信號，當檢測到電池組的SOC達到一定值(90%)后，整車控制器通過EtherCAT總線給充電機發(fā)出停止充電信號，整車控制裝置接收到停止充電信號后，并自動斷開充電開關，停止充電，并通過EtherCAT總線給儀表發(fā)出充電完成信號。在整車控制器低壓供電的情況下，整車控制器能夠各個子控制系統(tǒng)(ECU)的狀態(tài)，包含整車控制器的自檢信息、電機驅動器的自檢信息、電池的自檢信息、直流變DC/DC的自檢信息、電動助力轉向泵的自檢信息、儀表自檢信息、充電機自檢信息，以及車輛運行過程中駕駛員的指令 信號，整車控制器的運算的中間信號以及處理情況，電機控制器的運行狀況以及車輛的位置、速度以及故障信息，整車控制器將這些信息除了通過EtherCAT總線發(fā)送給儀表顯示外，還同時發(fā)給車載終端。整車控制器能對整車的運行狀況進行初步判斷，并做出合理的處理，在車輛運行過程中，整車控制器能夠對自身發(fā)生的問題以及車輛動力系統(tǒng)發(fā)生的問題做出智能處理。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點
I、因為EtherCAT總線，完全符合以太網標準，無需協(xié)議轉換通過車載終端即可將電動客車的運行狀況發(fā)送到監(jiān)控站，便于監(jiān)控每輛電動客車的運行狀況。這種控制裝置尤其適用于城市的公交客車。2、由于采用的高速EtherCAT總線，比采用CAN總線通信速率快，最高通信速率可以達到100M，提高整車控制器與其他控制單元(ECT)的問答時間，縮短了整個控制周期，同時EtherCAT總線支持CANopen協(xié)議，符合IEC 61800-7-301標準，同時預留CAN總線接口，能夠和基于CAN總線電動汽車控制系統(tǒng)進行連接。3、因為EtherCAT總線最多可以連接65535個EtherCAT從站，所以基于EtherCAT總線的整車控制器有能力將電動客車各個控制單元(ECU)集成到一個控制網絡中，從而達到對車輛性能更好的協(xié)調和控制。而基于CAN總線的整車控制器在集成控制單元數量上受到限制，無法大容量的集成基于CAN總線的控制單元(ECU)。


圖I為本發(fā)明的結構示意 圖2為整車控制器通過并口與EtherCAT芯片相連，并經過網絡隔離變壓器，和網口與EtherCAT總線相連的結構示意 圖3為整車控制器與EtherCAT芯片通過總線具體連接示意具體實施例方式 為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步詳述，該實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構成對本發(fā)明保護范圍的限定。如圖1-3示出了本發(fā)明因為采用了高速EtherCAT總線，比采用CAN總線通信速率快(CAN總線最大通信速率1M)，最高通信速率可以達到100M，用于改進和提高的整車控制器與電池管理系統(tǒng)，電機控制器和其他控制單元(ECU)的問答時間，提高整車控制周期以及系統(tǒng)的安全性，而且高速實時以太網EtherCAT總線也支持CANopen協(xié)議，可以和現(xiàn)有的基于CAN總線的電動汽車控制系統(tǒng)兼容。EtherCAT總線，完全符合以太網標準，通過車載終端無需更改協(xié)議，即可以將電動汽車的運行狀況發(fā)送到監(jiān)控總站，監(jiān)控每輛電動客車車輛的運行狀況。這種控制裝置尤其適用于城市的公交客車。更為將來電動汽車整車網絡集成提供便利，解決了 CAN總線在控制網絡子控制系統(tǒng)(ECU)數量受限的難題，EtherCAT總線最多可以連接65535個EtherCAT從站，也就是說基于EtherCAT總線的整車控制器有能力將電動客車各個控制單元(ECU)集成到一個控制網絡中，從而達到更好的協(xié)調和控制。也為電動客車控制系統(tǒng)網絡化提供便利，為電動客車控制系統(tǒng)的擴展提供便利。本發(fā)明整車控制裝置由高速信號處理芯片，EtherCAT處理芯片，以及主控制芯片外圍接口信號(踏板加速信號、鑰匙信號、制動信號、車身信號、碰撞信號、檔位信號以及主接觸器、電機繼電器和充電機繼電器等數字輸出信號?；贓therCAT總線的電動客車整車控制裝置的控制方法如下
I、整車控制器自檢開通低壓電源，給整車控制器供電，當開關置于ACC檔，接通低壓供電電源，整車控制器開始自身工作狀態(tài)檢查。如果自檢無法通過，則整車控制器停止工作，并通過EtherCAT總線發(fā)送故障信息給儀表顯示，直到故障被排除并且儀表顯示狀態(tài)信息正常后整車控制器方能開始工作。 2、系統(tǒng)通信檢查控制器啟動后，開始EtherCAT通信檢查，由整車控制器發(fā)起，向各個EtherCAT從站詢問通訊狀態(tài)，EtherCAT通信正常后則進入各個控制單元(EOT)狀態(tài)檢查，否則上報EtherCAT通信故障，直至故障被解除。各個EtherCAT從站如電機控制器，電池管理系統(tǒng)，AMT控制器，空調控制器，電動助力轉向控制器，DC/DC等部件上報自己目前狀態(tài)，如果各個控制單元(EOT)狀態(tài)正常，則進入下一步，否則由整車控制器通過EtherCAT總線發(fā)送故障信息給儀表并報警，并且整車控制器停止工作。3、各個控制單元(E⑶)狀態(tài)正常后，儀表顯示無故障，則由整車控制器發(fā)出閉合主接觸器、電機高壓繼電器指令，在檢測到反饋信號后并且儀表顯示一切正常，整車控制器發(fā)出閉合則等待駕駛員的操作指令，否則主接觸器斷開，整車控制器停止工作，直到系統(tǒng)故障排除，儀表顯示一切正常，整車控制器重新工作等待駕駛員操作指令。4、整車控制系統(tǒng)都自檢完成，儀表顯示無故障，如果有故障則需要排除故障。如果駕駛員將檔位置于D檔，踩下踏板信號，整車控制器沒有檢測到制動踏板信號的情況，整車控制器根據踏板行程信號，經過計算確定發(fā)送給電機控制器信號的大小和電機的運轉指令，則電機正轉實現(xiàn)車輛的前進運行。如果檔位置于R檔，踩下踏板信號，整車控制器沒有檢測到制動踏板信號的情況下，整車控制器根據踏板行程信號，經過計算發(fā)送給電機控制器信號的大小，給電機控制器發(fā)送運轉信號，并給出反轉指令，電機反轉實現(xiàn)車輛的倒車運行。如果車輛在正常行駛的過程中，整車控制器檢測到制動踏板信號的情況下，整車控制器根據制動踏板行程信號，經過計算發(fā)送給電機控制器信號的大小，給電機控制器發(fā)送信號，實現(xiàn)車輛的制動。如果檔位置于空擋，踩下踏板信號，整車控制器沒有檢測到制動踏板信號的情況下，整車控制器給電機控制器發(fā)出停車信號。如果整車控制器檢測到制動踏板信號，則整車控制器默認制動信號無效。5、如果駕駛員將檔位置于空擋，整車控制器檢測到充電機的充電信號，并且踏板行程信號為零和電機轉速為零，則整車控制器發(fā)出斷開高壓閉合開關，整車控制器經過運算，然后給充電機發(fā)出電池組需要充電的充電信號，當檢測到電池組的SOC達到一定值(90%)后，整車控制器通過EtherCAT總線給充電機發(fā)出停止充電信號，整車控制裝置接收到停止充電信號后，并自動斷開充電開關，停止充電，并通過EtherCAT總線給儀表發(fā)出充電完成信號。6、在整車控制器低壓供電的情況下，整車控制器能夠各個子控制系統(tǒng)(ECU)的狀態(tài)，包含整車控制器的自檢信息、電機驅動器的自檢信息、電池的自檢信息、直流變DC/DC的自檢信息、電動助力轉向泵的自檢信息、儀表自檢信息、充電機自檢信息等，以及車輛運行過程中駕駛員的指令信號，整車控制器的運算的中間信號以及處理情況，電機控制器的運行狀況以及車輛的位置、速度以及故障等信息，整車控制器將這些信息除了通過EtherCAT總線發(fā)送給儀表顯示外，還同時發(fā)給車載終端，車載終端通過無線發(fā)送給服務器監(jiān)控總站，提供每輛車的各個子系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及車輛的運行狀態(tài)，便于監(jiān)控。也同時將車輛運行狀態(tài)發(fā)送給故障診斷接口，方便外部監(jiān)測設備監(jiān)控車輛的運行狀態(tài)。整車控制器具有智能處理功能，整車控制器也能對整車的運行狀況進行初步判斷，并做出合理的處理。在車輛運行過程中，整車控制器能夠對自身發(fā)生的問題以及車輛動力系統(tǒng)發(fā)生的問題做出智能處理；如動力電池的SOC小于20%，整車控制器接收到電池管理系統(tǒng)上報的信號后，整車控制器會給儀表發(fā)出對應的報警，并降功率運行，以便于車輛停車充電；如整車控制器接收到電池管理系統(tǒng)的電池的最高溫度高于50°C也會發(fā)出對應的報警。如在車輛進行檔位切換的時候，從D檔(R檔)向R檔(D檔)切換的時候，中間沒有N檔的轉換，電機轉速不為零，整車控制器將默認為該操作無效，不予執(zhí)行駕駛員指令。如車輛在進行倒車的過程中，整車控制器會自動將車速限制在30km/h以下；當整車控制器接收到車身信號，車身傾斜達到一定值則整車控制器發(fā)出停車信號給電機控制器，使車輛停止運行，確保車輛和駕駛員安全。當整車控制器接收到碰撞信號時，整車控制器立即發(fā)出停車·信號然后切斷主接觸器和電機繼電器。
權利要求
1.一種基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置，包括整車控制器、EtherCAT芯片和EtherCAT總線，其特征在于所述整車控制器外圍接有腳踏板加速信號、鑰匙信號、制動信號、車身信號、碰撞信號、檔位信號、電源、主接觸器、充電機繼電器、電機高壓繼電器和CAN總線接ロ，所述整車控制器通過EtherCAT芯片實現(xiàn)EtherCAT總線與電機控制器、電池管理系統(tǒng)、空調控制器、電動助力轉向泵、AMT控制器、儀表裝置、故障診斷接ロ、充電機、DC/DC、車載終端進行雙向通信。
2.根據權利要求I所述基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置，其特征在于所述電源提供24V低壓電源。
3.根據權利要求I所述基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置，其特征在于所述整車控制器是通過井口與EtherCAT芯片相連，并經過網絡隔離變壓器，和網ロ與EtherCAT總線設備連接。
4.一種基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置的控制方法，其特征在于 A、開通低壓電源，給整車控制器供電，當開關置于ACC檔，接通低壓供電電源，整車控制器開始自身工作狀態(tài)檢查，如果自檢無法通過，則整車控制器停止工作，并通過EtherCAT總線發(fā)送故障信息給儀表顯示，直到故障被排除并且儀表顯示狀態(tài)信息正常后整車控制器方能開始工作； B、整車控制器啟動后，開始通信檢查，由整車控制器發(fā)起，向電機控制器，電池管理系統(tǒng)，AMT控制器，空調控制器，電動助力轉向控制器，DC/DC各部件詢問通訊狀態(tài)，通信正常后則進入電機控制器，電池管理系統(tǒng)，AMT控制器，空調控制器，電動助力轉向控制器，DC/DC各部件控制單元(ECU)狀態(tài)檢查，否則上報通信故障，直至故障被解除； C、所述電機控制器，電池管理系統(tǒng)，AMT控制器，空調控制器，電動助力轉向控制器，DC/DC各部件各個控制単元(ECU)狀態(tài)正常后，儀表顯示無故障，則由整車控制器發(fā)出閉合主接觸器、電機高壓繼電器指令，在檢測到反饋信號后并且儀表顯示一切正常，整車控制器發(fā)出閉合則等待駕駛員的操作指令，否則主接觸器斷開，整車控制器停止工作，直到系統(tǒng)故障排除，儀表顯示一切正常，整車控制器重新工作等待駕駛員操作指令； D、自檢完成，儀表顯示無故障，如果有故障則需要排除故障。
5.根據權利要求4所述基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置的控制方法，其特征在于在步驟D中如果駕駛員將檔位置于D檔，踩下腳踏板信號，整車控制器沒有檢測到制動信號的情況，整車控制器根據腳踏板行程信號，經過計算確定發(fā)送給電機控制器信號的大小和電機的運轉指令，則電機正轉實現(xiàn)車輛的前進運行；如果檔位置于R檔，踩下踏板信號，整車控制器沒有檢測到制動踏板信號的情況下，整車控制器根據踏板行程信號，經過計算發(fā)送給電機控制器信號的大小，給電機控制器發(fā)送運轉信號，并給出反轉指令，電機反轉實現(xiàn)車輛的倒車運行；如果車輛在正常行駛的過程中，整車控制器檢測到制動踏板信號的情況下，整車控制器根據制動踏板行程信號，經過計算發(fā)送給電機控制器信號的大小，給電機控制器發(fā)送信號，實現(xiàn)車輛的制動；如果檔位置于空擋，踩下踏板信號，整車控制器沒有檢測到制動踏板信號的情況下，整車控制器給電機控制器發(fā)出停車信號，如果整車控制器檢測到制動踏板信號，則整車控制器默認制動信號無效。
6.根據權利要求4所述基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置的控制方法，其特征在于在步驟D中駕駛員將檔位置于空擋，整車控制器檢測到充電機的充電信號，并且踏板行程信號為零和電機轉速為零，則整車控制器發(fā)出斷開高壓閉合開關，整車控制器經過運算，然后給充電機發(fā)出電池組需要充電的充電信號，當檢測到電池組的SOC達到ー定值(90%)后，整車控制器通過EtherCAT總線給充電機發(fā)出停止充電信號，整車控制裝置接收到停止充電信號后，并自動斷開充電開關，停止充電，并通過EtherCAT總線給儀表發(fā)出充電完成信號。
7.根據權利要求4所述基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置的控制方法，其特征在于在整車控制器低壓供電的情況下，整車控制器能夠控制電機控制器，電池管理系統(tǒng)，AMT控制器，空調控制器，電動助力轉向控制器，DC/DC各控制系統(tǒng)(ECT)的狀態(tài)，包含整車控制器的自檢信息、電機驅動器的自檢信息、電池的自檢信息、直流變DC/DC的自檢信息、電動助力轉向泵的自檢信息、儀表自檢信息、充電機自檢信息，以及車輛運行過程中駕駛員的指令信號，整車控制器的運算的中間信號以及處理情況，電機控制器的運行狀況以及車輛的位置、速度以及故障信息，整車控制器將這些信息除了通過EtherCAT總線發(fā)送給儀表顯示外,還同時發(fā)給車載終端。
8.根據權利要求4所述基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置的控制方法，其特征在于整車控制器能對整車的運行狀況進行初步判斷，并做出合理的處理，在車輛運行過程中，整車控制器能夠對自身發(fā)生的問題以及車輛動力系統(tǒng)發(fā)生的問題做出智能處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于高速EtherCAT總線的電動客車整車控制裝置，包括整車控制器、EtherCAT芯片和EtherCAT總線，其特征在于所述整車控制器外圍接有腳踏板加速信號、鑰匙信號、制動信號、車身信號、碰撞信號、檔位信號、電源、主接觸器、充電機繼電器、電機高壓繼電器和CAN總線接口，所述整車控制器通過EtherCAT芯片實現(xiàn)EtherCAT總線與電機驅動器、電池管理系統(tǒng)、空調控制器、電動助力轉向泵、AMT控制器、儀表裝置、故障診斷接口、充電機、DC/DC、車載終端進行雙向通信。本發(fā)明通信速率快、成本低等優(yōu)點。
文檔編號B60R16/02GK102848995SQ20121038502
公開日2013年1月2日 申請日期2012年10月12日 優(yōu)先權日2012年10月12日
發(fā)明者陳廣博 申請人:江蘇尼歐凱汽車研發(fā)有限公司