纯电动轿车电动真空泵控制器技术研究

夏顺礼，陶冉

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601)



纯电动轿车电动真空泵控制器技术研究

夏顺礼，陶冉

(安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽合肥 230601)

通过对真空泵控制系统的原理进行分析，以MC9S08DZ60单片机为核心，结合压力开关信号、电压检测电路等硬件设计，完成压力信号采集、真空泵驱动控制、故障诊断等几方面软件的开发，最终通过可靠性与耐久性的台架测试，设计出一款专门用于纯电动汽车的真空助力制动系统控制器。

纯电动汽车；单片机；真空泵

0 引言

21世纪以来，世界汽车保有量逐年增加，迅速增长的石油消费和日益严峻的环保压力迫使汽车生产业必须走节能环保的发展道路[1]。传统内燃机轿车的制动系统真空助力装置的真空源来自于发动机进气歧管[2]，而纯电动汽车没有发动机总成，制动系统由于没有真空动力源而丧失真空助力功能, 仅由人力所产生的制动力无法满足行车制动的需要, 因此需要对制动系统真空助力装置进行改制, 而改制的核心问题是产生足够压力的真空源[3]。文中提出一种真空泵控制器的硬件与软件开发方法，完成真空泵控制器开发，满足纯电动轿车制动系统需求。

1 系统分析与组成

真空助力制动系统采用电压力开关为系统压力检测器件，真空泵控制器检测到系统压力不足时，电压力开关断开，启动电动真空泵为真空储气罐抽真空；当真空储气罐内部气压达到一定数值时，控制器控制电动真空泵停止工作。

电助力制动系统为车辆安全件，考虑到助力制动系统中真空泵的连续工作寿命，在系统设计中应考虑以下几个方面：

(1)考虑真空泵连续使用寿命，增加真空储能罐，通过识别压力开关状态，采用合理的控制策略，使控制器对真空泵做出实时运行或停止指令；

(2)在产品开发阶段，根据计算的纯电动车制动需求，使用压力仪表，对控制器的控制策略进行相关参数标定；

(3)考虑系统安全性，对真空泵控制采用闭环控制和安全监控的双重保护策略。

系统采用电压力开关为系统压力检测器件，当系统压力不足时，电压力开关断开，启动电动真空泵为真空储气罐抽真空；当真空储气罐内部气压达到一定数值时，电动真空泵停止工作。为纯电动车设计的电助力制动系统的基本构成图如图1所示。

图1 纯电动车电助力制动系统基本构成图

2 控制器硬件设计

在电助力制动系统中，真空泵控制器为核心器件。基于纯电动车设计的电助力制动系统控制器采用Freescale公司生产的MC9S08系列单片机为测量控制单元，控制整个系统运行。

电压力开关的输出信号通过信号处理电路输入至单片机，控制器采用扫描方式获得单片机IO管脚状态。当检测到电压力开关信号转变时，控制单元立即响应当前管脚状态值，输出相应的信号控制真空泵的工作状态。

电助力制动系统是整车的安全件，所以对安全性、可靠性要求较高。综合考虑系统的安全因素后，在真空泵控制器中使用模数转换模块实时监控驱动电流，保护动力器件电动真空泵。

同时，还为控制器设计了通信模块，电助力制动系统通过CAN线与纯电动车的整车控制器进行信息交互，实时将助力制动系统信息交由整车控制器诊断与处理，有效地提高车辆的安全等级。电助力制动系统控制器的硬件组成框图如图2所示。

图2 控制器硬件框图

3 控制器软件设计

控制器软件包含传感器信号采集与处理、真空泵工作控制、系统故障诊断与处理、系统模式识别与转换、通信信号处理共5个软件功能组，软件架构如图3所示。

图3 软件架构

3.1 传感器信号采集与处理模块

当纯电动车启动时，车内的低压供电系统为真空泵控制器提供12 V电源。真空泵控制器以5 ms为周期，实时采集压力开关与真空泵工作电流两个信号。

压力开关信号为数字量信号，软件中使用7次采样为1个循环，当识别到7次采样的结果中有大于等于4次为高电平，则认定为高电平，说明压力开关断开，真空罐内负压足；反之认定为低电平，压力开关吸合，真空罐内负压不足。

真空泵工作电流为模拟量信号，软件采用中值滤波法完成信号处理，即采集信号5次，去除最大最小值后求取平均值。

3.2 真空泵工作控制模块

控制器以5 ms为周期完成压力开关的采集和检测，通过识别压力开关的状态控制真空泵运行或停止。当真空罐内部压力为-40 kPa时，压力开关闭合，真空罐内压力不足，控制器控制真空泵工作；当真空罐内部压力为-55 kPa时，压力开关断开，为了让真空储气罐内的负压能提供3次制动的助力，压力开关断开后，真空泵继续工作10 s后停止，此时真空罐内的压力为-75 kPa。控制时序图如图4所示。

图4 控制时序图

3.3 系统故障诊断与处理模块

真空泵系统故障主要有真空泵故障、压力开关故障、系统漏气与通信异常4种。根据所采集的压力开关状态、真空泵工作电流和制动踏板3个信号，实现对故障的判断和处理。

3.3.1 真空泵故障

真空泵故障包含真空泵无法按照额定功率输出和真空泵无法停止两类故障。真空泵正常工作的电流范围是10～12 mA，当控制器检测电流小于10 mA时，则认为真空泵无法按照额定功率输出，此时若制动踏板踩下，则控制真空泵连续工作10 s后停止。

当真空罐压力为-75 kPa，压力开关断开，真空泵应停止工作，但若控制器检测到真空泵仍有电流，则认为真空泵无法停止。

3.3.2 压力开关故障诊断

压力开关故障包含开关断开与粘连两类故障。

基于标定参数，真空罐压力达到-75 kPa时，可满足3次制动的需求。当检测到用户多次踩下制动踏板，压力开关仍处于断开状态表示真空罐内真空度足够，则认为压力开关无法吸合；当检测到无制动踏板信号，压力开关连续15 s处于吸合状态，表示真空罐内真空度不足，则认为压力开关粘连。

当控制器识别到压力开关故障时，当控制器每次接收到制动踏板信号，控制真空泵连续工作10 s后停止，并发送故障码至仪表显示车辆故障。

3.3.3 系统漏气故障诊断

真空罐内的气压从-40 kPa到-75 kPa，标定的真空泵正常工作时间为12 s，当真空泵的工作时间超过12 s，则认为系统有漏气故障。

当控制器识别到压力开关故障时，并接收到制动踏板信号，则控制真空泵连续工作10 s后停止，发送故障码至仪表显示车辆故障。

3.3.4 通信异常故障

真空泵控制器通过与CAN通信接收整车控制器发送的制动踏板信号，当真空泵控制器连续10次未接收到整车控制器的报文，则认为真空泵控制器通信异常。当控制通信异常，同时发生其他故障时，则真空泵工作15 s、停止10 s，依次循环；当控制器通信异常，但未发生其他故障，则控制器接收到制动踏板信号，控制真空泵连续工作10 s。

3.4 系统模式识别与转换

系统包含控制器初始化、正常工作模式、有通信故障模式与无通信故障模式共4种工作模式，系统模式转换图如图5所示。

图5 系统模式转换

系统上电后，完成控制器自检与初始化，以1 ms为周期实时监控压力开关与真空泵工作电流，系统上电100 ms后控制器进入正常模式。

正常模式下，以5 ms为周期采集和检测压力开关，通过识别压力开关的状态控制真空泵运行或停止。当真空罐内部压力为-40 kPa时，压力开关闭合，控制器控制真空泵工作；当真空罐内部压力为-55 kPa时，压力开关断开，为了让真空储气罐内的负压能提供较长时间的助力，压力开关断开后，真空泵继续工作10 s后停止，此时真空罐内的压力为-75 kPa。

当检测到系统有故障、但通信正常时，系统进入故障有通信模式，当控制器接收到制动踏板信号，则控制真空泵连续工作10 s后停止，并在仪表上提示车辆故障。

当检测到系统有故障，同时也无法接收整车控制器的报文时，系统进入故障无通信模式，则控制器控制真空泵工作15 s、停止10 s，依次循环。

3.5 通信信号处理

真空泵控制器开发了CAN通信功能，通过扫描方式实时接收整车控制器发送的制动踏板信号。

真空泵控制器以100 ms为周期，给仪表发送语句显示指令。

4 结论

考虑到电助力制动系统为车辆的安全件，在实车使用之前需要先进行试验台架测试。对系统进行了10组测试，每组测试分别让电动真空泵工作10次，记录的参数有电动真空泵连续工作的时间、电动真空泵启动时真空罐的压力和电动真空泵停止工作时真空罐内的压力。表1为处理后的测量结果。

表1 系统测量结果

【1】冷伟，褚博文.纯电动汽车发展趋势[J].科学导报，2015,28(4)：43-47.

【2】夏青松，杨华，徐达,等.电动真空助力制动系统设计[J].上海汽车,2007(11):4-8.

【3】张欣宇,黄妙华,夏青松.一种用于电动汽车的真空助力制动系统设计[J].北京汽车，2007(6).

电动超级跑车GLM G4终于亮相：化不可能为可能

2016年10月3日， GLM的全新豪华电动汽车在巴黎车展 (Salon Mondial de l’Automobile) 上亮相。GLM G4是一款全新概念车：豪车不应该只是对现有内燃机型的拓展。GLM在京都成立，为汽车行业带来了前所未有的电动汽车技术与美观设计，还有日本对超高效率的执着和对完美的追求。

如果EV代表电动汽车，那么GLM则将EV诠释为超级跑车。GLM G4属于超级跑车类型，堪称豪华电动汽车的卓越典范，因为它结合了流线型的突出车身造型、4开门和车内超级舒适之感，可以容纳4人以时尚方式长距离出行。

GLM致力于采用先进技术来取得良好效果， 即利用多源动力模块来提升传动效率和性能。两个电池组安装在GLM G4车身前后两端，以便控制协调并提升性能。GLM G4采用多级传动，这可以提升性能并且不受传动输出的影响。 IGBT系统实现了降低切换损耗和提升电机效率。这款车型质量较轻并且稳定地融合了由复合材料组成的底盘结构。

这款车型的系统总输出超出1 000 N·m和400 kW并采用双电机，以便根据驾驶模式来分扭：0～100 km/h加速时间不到3.7 s，巡航速度达250 km/h；最大续航里程为400 km(新欧洲行驶工况)

这种优势还结合了多级传动系统，而后者使市区和高速路况下驾车的耗电量较低。双电机系统可协调持续计算路况并提供较大的牵引力。采用轻型耐用型材料的汞合金底盘结合了采用上好材质的底盘结构。

GLM首席执行官裕康科马表示：“汽车行业正在转变，并且在未来几年内，电动汽车市场将实现显著发展，在内燃机汽车市场占据一定的份额。GLM的使命是引领电动汽车的发展并突破电动汽车的极限。我们的‘关键促成’技术和‘同一技术适用不同车型’的理念将适用于电动汽车的发展，而人们在不久的将来将见证这一切。”

(来源：俞庆华)

Research on the Electrical Vacuum Pump Assistance System for Pure Electric Vehicle

XIA Shunli, TAO Ran

(Research & Development Center,Anhui Jianghuai Automobile Co.,Ltd., Hefei Anhui 230601,China)

Through analyzing the principle of the vacuum pump, taking the microchip MC9S08DZ60 as the core component, with the hardware design of pressure switch signal and voltage detect circuit and the software development of pressure signal sample, vacuum pump drive control and error diagnosis, an electrical vacuum pump control system which was used to match pure electrical vehicle was designed based on the test of the reliability and durability.

Pure electric vehicle; Microchip; Vacuum pump

2016-08-29

夏顺礼，男，硕士，高级工程师，主要研究内燃机与新型动力的开发与量产技术。E-mail：zx.xny.jszx@jac.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.10.005

U469.72+2

B

1674-1986(2016)10-023-04