基于CCP協議的純電動車整車控制器標定研究*

汪春華，劉洪飛，2，白穩峰，段婷婷

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300； 2.森陽汽車科技（天津）有限公司，天津 300300；3.天津中德應用技術大學，天津 300350）

前言

純電動汽車以其節約能源、低碳環保等特點成為未來交通工具的發展方向，整車控制器（vehicle control unit，VCU）作為純電動車的核心部件，負責采集車輛狀態和駕駛員意圖信息，統一調度、協調各控制器，完成驅動控制和故障處理［1］。VCU的控制效果不僅取決于完善的控制策略，還依賴于合適的控制參數。整車設計確定后，調試過程中需要根據實車情況和性能指標，實時監控并不斷調整控制參數，此過程即為標定［2］，是設計開發電控系統的重要步驟。隨著控制策略的復雜度不斷提高，控制對象和控制參數越來越多，造成了標定難度和工作量持續增加。后續功能升級優化相關參數和手動更改軟件程序可能會引入編程錯誤，且頻繁的燒寫代碼必然影響開發效率。

陳振輝［3］對混合動力汽車整車控制器的標定進行了研究，以改善車輛的動力性、排放性和燃油經濟性。楊攀［4］針對車輪容易抱死和電磁閥線圈不匹配問題，對電子穩定程序系統進行了在線標定研究，以改善車輛的操縱穩定性，提高了匹配效率。本文中設計了基于控制器局域網標定協議（CAN calibration protocol，CCP）的純電動車VCU標定系統，研究了核心控制策略，針對控制策略利用CAN總線快速傳輸數據的特性，對VCU進行有效的監控和標定，驗證了VCU的各項性能。

1 CCP協議

1.1 通信方式

CCP是基于CAN的應用層協議，CAN總線通信速率最高為1 Mbps，且每幀報文可緩存8個字節數據，故通過CAN總線傳輸數據實時性好。采用主從通信模式，上位機標定工具作為主設備，可以連接多個控制器從設備。但任意時刻，只允許一個從設備與主設備進行通信，需要斷開與當前控制器的連接，才能建立與其他控制器的通信。基于該CCP協議可隨機讀取控制器中 RAM和 ROM數據，進行FLASH編程來測量和標定數據。

1.2 消息對象

使用命令接收對象CRO（command receive object）和數據發送對象 DTO（data transmit object）兩條報文完成信息交互。CRO報文用于上位機向控制器傳輸命令，DTO報文用于控制器反饋給上位機應答數據。控制器接收CRO后，會響應DTO報文。根據ID不同可將DTO分為3類：ID＝255的CRM（command return message）是 VCU反饋給上位機CRO命令的執行情況；ID＝254是VCU檢測到內部發生錯誤時，向上位機報告其運行狀態，并請求暫停當前任務以處理錯誤；ID＝0－253用在DAQ模式（data acquisition command）中，由從設備組織周期性向主設備發送。

1.3 工作模式

CCP協議規定了查詢（Polling）和數據獲取（data acquisition，DAQ）命令兩種工作模式。Polling模式是上位機發送CRO命令，VCU接收該命令后再反饋，兩者之間不斷交互實現數據交換，實現簡單、占用資源小，但效率較低。DAQ模式不需要請求，VCU自主按照一定周期向CANape上傳數據，通信效率高，但過程復雜，且數據較多時會占用較大的空間。

2 整車控制器的控制策略

VCU作為整車的核心主控制器，通過采集加速踏板行程等信號并由總線與控制器進行信息交互，來處理接收的信息以判斷整車狀態，并輸出指令協調各控制器，實現整車的加電、斷電、擋位切換、駕駛驅動、能量回饋和故障處理等功能。

2.1 整車加電、斷電策略

只要出現斷電重新連接電源、鑰匙切換至非OFF擋、通信網絡上檢測到CAN信號任意一種情況，就執行低壓加電策略進行自檢。未處于高壓電時，檢測到OFF擋或無網絡管理報文，才允許進入低壓斷電處理。

電池管理系統和VCU共同控制高壓繼電器，以滿足高壓負載的加電、斷電需求，同時通過高壓連接互鎖確認高壓插件的可靠連接。低壓加電成功的前提下，檢測到ON擋、插槍充電請求、DC／DC請求等高壓連接需求后，執行高壓加電流程。檢測到鑰匙關閉、充電完成，執行高壓斷電，然后執行主動放電，放電結束后進入休眠狀態。

2.2 擋位切換策略

當鑰匙處于ON擋時，檢測由擋位執行器發出的硬線信號。若請求擋位和當前目標擋位相同，表明不需要切換擋位；若不同，則根據制動踏板、車速和擋位等條件進行換擋判斷，解析得到當前擋位信號，并將其發送至其他控制器。

2.3 駕駛驅動策略

通過牽引電機逆變器將鋰離子電池的直流電轉換為交流電，并用該交流電操作牽引電機以產生牽引力。綜合考慮加速踏板行程、制動踏板行程、車速（或電機轉速）、電池狀態、電機狀態、擋位、轉矩限制信號，根據整車設計要求的踏板軟硬屬性要求制定的比例圖計算得出目標轉矩命令請求［5］，通過該信號驅動電機輸出轉矩，通過模式指令控制電機旋轉方向。

若檢測到加速踏板和制動踏板信號同時有效，則制動功能優先，僅響應制動請求。若判斷車輛充電連接線為連接狀態，則禁止車輛驅動。一旦觸發高壓斷電流程，無論條件是否滿足，均須快速將轉矩降到0。

2.4 能量回饋策略

車輛滑行或減速制動時，根據擋位、車速、制動踏板、加速踏板、電池、制動防抱死系統狀態等信息計算目標轉矩，并將其發送至電機控制器。此時，電機工作在發電狀態，在保證滑行或制動需求的基礎上，最大程度地將能量回饋給蓄電池，以延長行駛里程。

2.5 故障處理策略

各控制器負責檢測自身故障并上報故障等級，整車故障分為無故障、輕微故障、一般故障、嚴重故障和重大故障。發生故障時，根據故障等級協調整車故障處理，記錄故障并施行報警顯示、降功率保護和切斷高壓等保護措施。故障消除后，依據自身定義的故障恢復機制解除故障。

3 標定系統總體設計

為實現標定功能，設計了如圖1所示的標定系統，該系統主要由下位機VCU、CAN通信工具CAN-case和上位機CANape組成。上位機和下位機都集成了CCP驅動，故通過通信工具可相互解析。如今，CAN網絡廣泛應用于汽車中，大多數微控制器都集成了CAN模塊且可參與網絡通信，只要控制器支持CAN通信，通過集成CCP驅動即可使用該系統對其進行標定，具有較好的擴展性。

CANape是用于測量、標定和診斷電子控制單元的工具［6］，可以使用多種窗口進行圖形化顯示、通信報文的跟蹤分析和數據的記錄與管理。A2L文件是工業標準文件，描述變量在控制器中的存儲地址、存儲結構、數據類型、限值和轉換公式［7］。設計VCU應用程序時，會根據需要為每個標定參數和測量數據命名，如電機驅動轉矩和制動回饋系數等。當需要訪問某個變量時，根據變量名即可在A2L文件中找到該變量的相關信息，通過指令對其進行讀取和修改。

3.1 硬件部分

VCU硬件平臺主要由單片機、單片機外圍、電源調理、數字與模擬輸入調理、低邊與高邊驅動和CAN通信模塊組成。選用英飛凌公司的XC2267M芯片作為主控芯片，處理速度快，片上和外設資源豐富，832 KB的FLASH存儲區和32 KB的RAM存儲區。內部集成了CAN通信模塊，可直接收發數據。中斷節點多，采樣速率快，滿足系統喚醒需求且性能穩定、功耗較低。

3.2 軟件部分

為高效管理復雜的軟件系統，采用模塊化方案設計了CCP驅動、CAN驅動和FLASH驅動程序，通過調用 I／O、時鐘、定時器、串口通信、ADC、看門狗和外圍芯片等基礎驅動程序訪問硬件實現各功能，提高程序的復用率和可移植性。

3.2.1 CCP驅動

CCP驅動由頭文件ccp.h、源文件ccp.c和配置文件ccpar.h 3部分組成，通過調用CAN驅動程序收、發報文實現數據交換。ccp.h文件中包含了28條命令的宏定義，定義了相關數據結構，聲明了驅動的所有函數。ccp.c文件包含了DAQ處理模塊和命令處理模塊程序。首先進行初始化，解釋并執行CRO命令，然后確認前一個DTO發送成功，再發送下一個DTO命令。DAQ模式下根據事件通道發送DAQ-DTO消息。ccpar.h是配置文件，通過更改配置實現不同的功能。定義ECU地址、CRO和DTO的ID標識符，匹配DAQ通信模式信息，配置可選命令等。

3.2.2 CAN驅動

CAN通信程序包括接收報文和發送報文兩部分。在主程序中發送CAN報文，采用中斷方式接收報文，可降低系統功耗。由于初始化時已經設置了報文的ID等內容，所以發送報文時，只需要按照通信協議，編輯準備發送報文的數據內容，主程序以一定周期循環發送報文。由于設置了接收中斷，在中斷服務函數中接收報文，一旦相應的消息對象發生中斷，則從接收FIFO（緩沖區）獲取報文。

3.2.3 FLASH驅動

將數據寫入FLASH前，需要先給它解鎖，先擦除存儲區域，確定擦除完畢后即可寫入數據。為防止系統掉電后丟失標定參數信息，應將其存放在FLASH或ROM中，起始地址為0xE01000，VCU加電并初始化后，會將標定參數的初始值復制到RAM中。在標定工具中用來存放標定參數的RAM稱為Calibration RAM，起始地址為0xCBD000。標定工具修改該段RAM中的參數值，完成全部標定后，再將更新后的參數值統一復制回FLASH或ROM。標定區域地址映射程序如下：

4 實車標定

4.1 控制參數標定過程

使用CAN通信工具連接VCU與上位機，運行CANape軟件，新建項目工程文件。選擇CCP協議作為通信協議，配置網絡通道和波特率，導入VCU編譯生成的map文件，并根據該文件創建并編輯A2L文件。設置與VCU內部軟件相同的主、從設備和ECU地址，然后測試主、從設備的連接情況。

在Trace窗口中監控的通信報文如圖2所示。ID是43的報文為CRO報文，第0、1、2字節分別為測試命令05、命令計數值02和ECU地址00，其他字節無實際意義。ID是44的報文為DTO報文，第0、1、2字節分別為VCU反饋CRO命令的執行情況FF、命令返回值00（代表無錯誤）和命令計數值02，其他字節無實際意義。圖2中的通信報文表明測試連接成功，已建立通信。

圖2 主、從設備測試連接的通信報文

根據VCU程序保護情況確定是否勾選Seed＆key和選擇相應的dll文件，定義需要測量或標定的變量，并將其與VCU內部變量進行關聯。完成上述配置后，開始進行測量和標定。通過CANape軟件讀取RAM內存儲的控制參數，按照需求進行修改，利用CAN總線傳送修改后的參數，最后將其存儲至FLASH中。

4.2 實車控制參數的標定

標定過程中，首先在不同模式下分別調整驅動轉矩或回饋轉矩等單一控制參數，然后根據實際運行情況并行處理多個轉矩參數。對于轉矩限值等參數處理，則需要綜合考慮不同工況下的運行狀態，以提高標定的準確性。同時記錄、存儲實時數據，標定完成后，可使用存儲的數據進行離線分析。

4.2.1 驅動模式整車目標轉矩的標定

電機轉速 加速踏板行程-電機轉矩特性曲線如圖3所示。不同電機轉速和加速踏板行程下，根據該曲線可得到需求轉矩。再根據理論最大、最小限值和整車功率等條件進行修正，最后再取平均值得到目標轉矩。通過修改數據表對該曲線進行標定，優化整車需求轉矩。更換電機時無需修改程序，直接通過標定更新該曲線即可。

圖3 電機轉速 加速踏板行程-電機轉矩特性曲線

加速特性測試曲線如圖4所示。擋位為N擋時，加速踏板信號有效，轉矩為0。擋位切換至D擋后，制動踏板無效時，隨著加速踏板行程的增大，電機轉速升高，轉矩增大。轉矩達到最大值后，電機轉速繼續升高，直至當加速踏板釋放時又開始下降，轉矩逐漸減小。

圖4 加速特性測試曲線

4.2.2 滑行回饋、制動回饋模式下轉矩的標定

滑行和制動模式下的轉速 回饋轉矩特性曲線分別如圖5（a）和圖5（b）所示。不同電機轉速下，根據該曲線即可得到回饋轉矩。通過對該曲線進行標定，最大限度地回收能量。

圖5 轉速 回饋轉矩特性曲線

制動能量回饋測試曲線如圖6（a）所示。制動踏板有效時，轉矩迅速降至負值，進入制動能量回饋模式，電機轉速下降。滑行能量回饋測試曲線如圖6（b）所示，加速踏板行程下降至0時，進入滑行回饋模式，轉矩迅速降為負值，電機轉速下降，待轉速降至較小值后，轉矩緩慢上升恢復至0。整車駕駛驅動控制策略能準確響應駕駛員意圖，并在滑行和制動過程中回收能量。

4.2.3 不同工況的轉矩平滑處理

根據不同駕駛工況，分別對轉矩進行平滑處理，不同電機轉速下電機轉矩的最大、最小限值分別如圖7（a）和圖7（b）所示，通過標定滿足VCU的動力性、舒適性和經濟性要求。

5 結論

圖6 滑行、制動能量回饋測試曲線

圖7 轉速-限值轉矩特性曲線

設計了VCU的控制策略，針對控制策略使用CANape軟件對VCU的轉矩等控制參數進行測量和標定，對不同工況的轉矩進行了平滑處理。經過反復實車調試，VCU可較好地實現預期控制策略，運行穩定、可靠，達到了性能要求。基于CCP協議的標定系統可實現對變量的快速準確監控、基于地址的數據標定、FLASH編程和程序刷寫操作，能夠滿足數據采集的實時性要求，且具有較好的擴展性，縮短了VCU的開發周期，節約了開發成本。