電動汽車整車控制器開發

姜朋昌 戴能紅 王春芳 于海燕 孫飛

（南京汽車集團有限公司汽車工程研究院）

整車控制器（VCU）是電動汽車的核心部件，VCU技術是體現整車企業自主知識產權和產品水平的核心技術；VCU技術水平的高低和成熟度直接影響整車的動力性、經濟性及安全性[1]。為滿足某款即將上市的電動汽車的整車需求，文章開發了一款VCU。

1 需求分析

1.1 整車控制器的功能

VCU作為上層控制單元負責協調動力系統各個部件的運行，根據駕駛員操作信號進行駕駛意圖解釋、根據各部件和整車工作狀態進行整車安全管理和能量分配決策，向各部件控制器發送控制指令，并向儀表及多功能顯示單元等設備輸出動力系統狀態信息。各部件控制器根據其指令控制相應部件，驅動汽車正常行駛。概括起來整車控制系統的功能主要是實現：1）動力系統的控制（信號采集及處理、駕駛意圖識別、能量管理、上下電管理）；2）附件管理；3）整車網絡管理；4）汽車狀態的監示和故障診斷及保護。

1.2 整車控制器的組成

電控系統一般由傳感器、ECU及執行器三部分組成。傳感器又叫“轉換器”，把非電量（物理量）變為電量，以模擬量和數字量的形式輸出給ECU；ECU是許多半導體基片制成模擬電路、數字電路和邏輯分析、運算電路，其中中央處理器CPU是核心部件；執行器多為繼電器、電機及閥等部件，它把電量變成非電量，定時、定量地完成ECU的指令任務，實現隨機伺服控制[2]。VCU是一種車用ECU，作為電動汽車的“大腦”，采集汽車傳感器的相關信號，控制汽車上相關的執行器，實現駕駛員的意圖，保證汽車的安全行駛。VCU主要由VCU硬件、VCU基礎軟件和VCU應用軟件三部分組成，其中硬件是軟件運行的載體；應用軟件實現駕駛員意圖解析、路況及汽車運行狀態的判斷、能量管理、故障診斷及處理等功能，是VCU的核心；基礎軟件是應用軟件與硬件的橋梁和通道，三者相互配合，缺一不可。

2 VCU硬件開發

2.1 整車電氣原理

VCU通過控制智能配電箱控制其他部件高低壓電路的通斷；通過CAN網絡與電機控制器、電池管理系統BMS、電動儀表、BCM及遠程監控等ECU單元實現通訊；通過采集鑰匙、油門、制動、擋位及手剎等信息，進行駕駛意圖識別；通過總線或硬線命令，控制電機、電池及電附件的工作；通過高端驅動或低端驅動，控制相應繼電器閉合或斷開，實現各部件的上下電動作。

2.2 VCU硬件設計

VCU需求硬件資源和功能如下：

1）供電電壓12 V；

2）低端驅動通道10路、高端驅動通道4路、開關量輸入12路、模擬量輸入6路、頻率量輸入4路、CAN總線通道2路；

3）具備內部延時掉電功能、板載溫度監測、12 V供電電壓檢測、板載5 V電源電壓檢測、板載電源指示燈、總線支持最大500 kB/s通訊速率、內置硬件看門狗電路；

4）存儲溫度 ：-20～60℃，工作溫度：-40～85℃，防護等級IP67。

2.2.1 初始設計方案

1）CPU采用Freescale芯片的MC9s12XEP100；

2）電源采用TLE4471；

3）開關量采集:濾波+分壓+濾波+反相器；

4）模擬量：RC濾波；

5）CAN網絡：采用TJA1050T驅動芯片；

6）低端驅動：TLE6240G驅動芯片。

對根據初始設計方案設計的VCU硬件在整車上進行了實際應用測試，采集、運算、存儲、控制及網絡通訊等基本功能都已實現，但也發現了一些問題，如：在真空泵啟停瞬間、剎車踩下瞬間及高壓上電瞬間等情況下，VCU出現硬件復位情況，另外油門AD值和采集的12 V電壓值在某些情況下出現異常等情況。

2.2.2 改進設計方案

采用將最小單元進行隔離的處理思想，VCU改進方案設計原理，如圖1所示。

改進后經過實車測試，VCU硬件功能齊備，上述復位及AD值采集有偏差的問題已解決，測試結果，如圖2所示。其可靠性有待進一步的測試驗證。

VCU硬件是軟件運行的載體，VCU硬件的可靠性至關重要，根據設計經驗，在VCU硬件設計中應注意3個方面：1）部件的冗余設計；2）磁兼容設計：布局、布線、屏蔽、接地、濾波及靜電放電防護；3）控制器散熱設計。

3 基礎軟件開發

VCU基礎軟件設計采用模塊化與平臺化的設計思想，其軟件架構，如圖3所示。實現了數字輸入/出（DIO）驅動、ADC驅動、DAC驅動、PWM驅動及CAN驅動等基本及復雜的驅動程序，以及微處理器驅動、內存驅動、通訊驅動和I/O驅動等微處理器抽象層驅動；設計了基于CAN通訊的Bootloader、標定、故障診斷、監測模式、自測試及調試等功能，使得開發的VCU具備多種工作模式；通信模塊實現了網絡管理及與其他ECU單元的通信（與驅動電機、動力電池、儀表、車身控制器及遠程監控等）。

4 應用軟件開發

VCU應用軟件作為電動汽車“大腦”的“指揮官”，主要根據駕駛員動作分析其駕駛意圖，并實時考慮行駛工況及電池SOC等影響因素，根據規則將轉矩合理地分配給電機。同時限定電機的工作區域和SOC值的范圍，確保電機和動力電池能夠長時間保持高效狀態。在滿足汽車行駛安全性、動力性和舒適性的前提下，采用制動能量回收技術，大大增加了電動汽車的續駛里程。當系統出現故障時，系統能夠根據預先設定的規則對汽車的工作模式進行判斷和選擇，能夠先于零部件自身的保護，或者在零部件控制失效時發現并處理故障[3]。

基于MBD的設計方法已成為當前車輛控制系統開發的主流方法[4]，本VCU應用軟件正是采用Matlab/Simulink/Stateflow實現的，通過input和output模塊與底層軟件進行接口[1]，VCU應用軟件架構，如圖4所示。基于轉矩控制的設計思想，綜合考慮動力電池系統、驅動電機系統及傳動系統的工作能力，根據駕駛員意圖以及故障診斷情況，進入相應工作模式，發給電機相應的目標扭矩指令。同時對上下電進行邏輯設計實現和儀表顯示信息的實現。特別是故障診斷及處理是應用軟件設計的一個核心工作之一，根據故障級別，分為報警提醒、限制功率運行及緊急下電等多種情況處理。實現了電機系統、電池系統、油門、制動、繼電器、附件（DC-DC故障等）、冷卻系統、網絡、換擋手柄故障診斷和保護以及誤操作保護（如同時踩油門和剎車，剎車優先；D擋與R擋瞬間切換的平滑處理保護等）。

5 集成實現與驗證

應用層軟件是在Matlab/Simulink環境下開發的，通過RTW自動代碼生成工具將控制策略模型生成C代碼，之后與VCU基礎軟件（手工寫的C代碼）進行膠合，在CodeWarrior環境下進行編譯調試，調試通過后生成S19目標文件代碼，通過Bootloader服務程序和下載工具（如CANape、VESION）將目標文件下載到目標VCU硬件中。

在進行RTW代碼生成之前，首先對應用層的控制模型進行了單元測試和MIL測試，其次采用RCP技術對控制策略進行了實際的功能邏輯測試，最后采用上述介紹的VCU集成開發模式的辦法將VCU的軟硬件結合起來，進行了HIL測試和實車測試。經測試驗證發現部分bug，并進行了改進設計，最終VCU功能不斷完善，使開發的整車性能逐漸提高。實車的測試結果，如圖5所示，從5a圖可以看出，車速隨駕駛員油門開度大小而正向變化，油門變大時，汽車加速，油門變小或踩下制動踏板時，汽車減速，很好地實現了駕駛員意圖；從圖5b可以看出，汽車在行駛過程中，電機有一個瞬間的電壓上升，從正常的340 V上升到580 V左右，該情況是由于VCU監測到整車出現了嚴重故障后切斷電機繼電器導致的。后來對控制算法進行了優化，在保證乘客安全的前提下，避免在高速情況下直接切斷電機的繼電器，以避免損壞電機控制器。

6 結論

文章通過分析純電動汽車對VCU的功能需求，進行了VCU硬件、基礎軟件和應用軟件的設計，并進行VCU系統的集成實現和測試驗證。改進后VCU的電磁兼容性能得到提升，控制策略及故障診斷處理功能得到完善；完成了3萬km的實車測試，測試結果表明，搭載所開發VCU的純電動汽車具有良好的動力性、經濟性和安全性，所開發的VCU達到了預期目標。