新能源汽車整車控制器的改進設計與應用研究

摘要：邯鄲市陸續完成了1200余臺次車用能源的轉換任務，在主城區內已全部實現了純電動化運營。公交車維修團隊歷經三年多的運行實踐，實現了同一款整車控制器硬件平臺兼容12V和24V整車電氣系統的重大突破。開發的新系統架構安全可靠，具有電源電壓等級的智能識別和自適應能力，控制器全部端口具有防濫用智能保護功能。

Abstract： Handan City has successively completed the conversion task of more than 1，200 sub-vehicle energy sources， and has fully realized pure electric operation in the main urban area. After more than three years of operation practice， the bus maintenance team has achieved a major breakthrough in the compatibility of 12V and 24V vehicle electrical systems in the same vehicle controller hardware platform. The new system architecture developed is safe and reliable， has intelligent identification and self-adaptive ability of power supply voltage level， and all ports of the controller have anti-abuse intelligent protection function.

關鍵詞：新能源汽車;公共交通;整車控制器

Key words： new energy vehicles;public transportation;vehicle controller

中圖分類號：U469.72 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）15-0132-02

0 ?引言

新時代，創新、協調、綠色、開放、共享“五位一體”的新發展理念已經深入人心，擁有安全舒適、低碳健康、綠色暢通的出行方式是廣大人民群眾的熱切期盼，是全面實現小康社會的應有之義。新能源汽車在公共交通領域的普及推廣，以其消除尾氣、降低噪音、節能環保、高效輕便的顯著特色，為新時代城市建設增加了新的亮點，同時也為公交人開啟了對新能源汽車應用技術研發創新的新征程。

1 ?新能源汽車在邯鄲市公交系統的應用現狀

邯鄲位于河北省最南部，遍布太行山東麓的鋼鐵煤炭企業是邯鄲市經濟發展的支柱產業，加上地理和氣象條件的原因，邯鄲已經成為深受霧霾之害的重污染區。2005年后城市的汽車存量逐年激增，汽車尾氣排放為大氣污染加油添醋，紅色預警致使人們對限號限行已經習以為常。

中國石油消耗對外依存度早已超過了警戒線，追求GDP高速度增長使本已貧油的能源消耗雪上加霜，能源危機正在步步逼近。推行經濟高質量發展的基本國策，大力推廣新能源汽車是勢在必行，促進汽車能源轉型是公共交通及運輸行業高質量發展的必由之路。

邯鄲市的公共交通事業起步于上世紀六十年代，半個世紀以來，燃油汽車一直是全市公共交通的一統天下。2016年，國產新能源汽車成功實現了產業化。居于環境污染和能源短缺的雙重壓力之下的邯鄲市，依托國家對新能源產業推廣政策，陸續完成了1200余臺次車用能源的轉換任務，在主城區內已全部實現了純電動化運營。煥然一新的車型為三千年古城增添了一道道靚麗風采，市民朋友再不用追逐吸吮污濁尾氣，在和諧的輕音中盡享出行的愉悅。

公交車維修團隊歷經三年多的運行實踐，對新能源汽車從初步接觸到逐漸了解，再到對整車技術的深入學習研究，取得了豐碩的成果。尤其是對整車控制器產品平臺研發，實現了同一款整車控制器硬件平臺兼容12V和24V整車電氣系統的重大突破。開發的新系統架構安全可靠，具有電源電壓等級的智能識別和自適應能力，控制器全部端口具有防濫用智能保護功能。整車控制器平臺產品已經通過專業檢測機構全面測試，并成功應用于廣通牌新能源純電動汽車的維修業務，在1200多臺車示范運營車輛中，產品運行穩定可靠。

2 ?整車控制器的功能與在新能源汽車上的作用

新能源汽車是一個由若干個子系統構成的復雜系統，其動力系統主要包括電池、電機、變速箱、制動器等，還有空調、助力轉向等多個附件。各子系統都要通過自己的控制單元 （ECU）來實現預定的功能和目標。這就需要在有一個智能化的人車交互接口，以達到各子系統之間的彼此匹配和良好協作。整車控制器（VCU）就是用來管理汽車汽車中的各個系統的核心控制部件，它將車輛動力系統平臺化，起到了“汽車大腦”的重要作用。通過這個人工“大腦”從整車的角度的“思考”，有效實現了駕駛員生理大腦的意圖，有效地解決了對汽車同一平臺多種配置的管理問題，改善了司機駕駛操作的感受，從而滿足了整車動力性和節能減排要求，展示出新能源汽車的經濟性、安全性、舒適性優勢。

整車控制器作為汽車的指揮管理中心，連接著車輛中的驅動電機控制系統、動力電池系統、DCDC等各系統，并掌握著這些系統的瞬時狀態。其主要功能包括：驅動力矩控制、制動能量的優化控制、整車的能量管理、CAN網絡的維護和管理、故障的診斷和處理、車輛狀態監視等。當整車控制器采集到駕駛員操作車輛的加速踏板信號、制動踏板信號、檔位信號及其他部件信號后，迅速對駕駛意圖作出識別判斷，開啟對下層各部件控制器的動作指令，驅動汽車維持正常行駛。因此，整車控制器對汽車的平穩起步、加速減速、制動能量回饋、網絡監管、整車故障診斷與處理等功能起著非常重要的關鍵作用。

3 ?整車控制器硬件平臺兼容應用研究

目前，邯鄲市公交系統配備的新能源汽車多為廣通牌純電動公交車型。車輛進入的批次車型不同，每個車型平臺對整車控制器的需求也有差別，車載低壓電氣系統電壓等級也有12V和24V之分。但對其核心功能和安全可靠性要求是一致的，同時整車控制器的硬件質量優劣直接決定了車輛的穩定性和安全性。

為了統一協調新能源汽車整車電器設備的集約化管理，在全面系統總結了車載電器設備的特性和對整車控制器的系統需求、電氣需求、應用層軟件接口需求、安裝需求、診斷需求、質量要求、成本要求等的基礎上，公交維修團隊遵循最新道路車輛功能安全ISO26262標準，對整車控制器產品平臺進行了系統方案改進設計的研究與開發。

4 ?對整車控制器平臺產品的改進設計

為滿足公司新能源汽車對整車控制器的應用需求，并適當考慮部分功能預留，對整車控制器進行機械結構、硬件電路、底層平臺軟件等進行系統性改進設計。

4.1 機械結構

根據硬件尺寸，選擇高防護等級的接插件，外殼采用壓鑄鋁材質，并增加一通氣塞，用于平衡控制器內外部壓力，增加了防塵防水能力。

4.2 安全架構

硬件系統采用雙芯片安全架構，完全獨立的雙供電系統的二級電源管理、扭矩相關的關鍵信號雙路冗余采集，主控制芯片和安全監控芯片之間采用SPI和CAN冗余直接通訊。在異常情況對整車上的BMS電池管理系統及MCU電機控制器采取安全控制，通過EEPROM存儲安全故障信息。

4.3 電路改造

硬件電路采取模塊化設計，有利于優化PCB布局、提高系統抗干擾能力。

模塊化的VCU硬件電路主要有：

①處理器模塊。包括一個高性能單片機的主控芯片和一個8位單片機的安全監控芯片，兩個處理器之間采用SPI通訊和內部CAN通訊實現可靠的信息傳遞以及相互監控，還有與之相匹配的時鐘電路、程序刷寫電路、EEPROM等。

②電源模塊：電源電路改進突出防反接保護、過電壓保護、欠壓保護、電壓跌落保護功能等。將車載蓄電池供電（9-36V）的輸入轉換為主控芯片、安全監控芯片、邏輯電路所需的5V電源，轉換為控制器內部傳感器電路和控制器外部傳感器5V供電電源。

③數字輸入模塊：輸入信號分成高有效和低有效輸入兩大類，同時考慮抗ESD處理、防短路設計、濾波處理、12V和24V信號等級兼容處理等。

④傳感器輸入模塊：采集電路匹配傳感器輸入信號改進，主要考慮的是傳感器輸出驅動能力、抗ESD處理，防短路處理、濾波處理等。

⑤輸出驅動模塊：按照所連接的負載不同，將輸出驅動分為高邊和低邊兩大類，根據負載所需電流能力選擇功率器件，同時要考慮輸出短路和開路的診斷、驅動電路的過溫度、過電流和過電壓等保護功能。

⑥CAN通訊模塊：硬件電路提供了2路符合CAN2.0B通訊協議的通訊模塊，用于與其他控制模塊之間的通訊以及用于程序在線更新和CCP標定。主要考慮CAN Hi和CAN Lo端口的抗ESD處理、短路診斷和保護、預留休眠和喚醒功能。

4.4 底層平臺軟件

整車控制器底層平臺軟件是介于控制器硬件和上層應用軟件之間，是二者之間的橋梁。底層平臺軟件支持Simulink和Targetlink兩種模型平臺，集成了基于KWP2000的診斷服務功能，實現故障事件響應，故障指示燈管理等并在此基礎之上進行了KWP2000診斷協議棧管理，Bootloader模塊開發，診斷工具軟件開發，Flash在線軟件刷寫功能的開發。整車控制器底層平臺軟件集成了基于CCP協議的在線標定功能，能夠方便對內部數百個標定量進行在線標定和標定量的更新與下載。

5 ?測試成果與結論

邯鄲公交公司對經過改進的整車控制器的電氣功能、EMC、熱沖擊、耐高溫、耐低溫、密封性能、機械振動、機械沖擊、跌落、壽命測試、耐化學藥品等測試試驗，產品性能符合使用環境的特殊要求，達到了同一款整車控制器硬件平臺兼容12V和24V整車電氣系統的目標。維修人員已系統的掌握了整車控制器等的關鍵電子產品的電氣系統、系統架構、硬件系統、底層軟件和系統測試的關鍵技術。所研發改進的整車控制器平臺產品已成功小批量應用于新能源車上，VCU整車控制器平臺已經成功完成1000多套的小批量維修生產和實車示范運營應用。新能源動力汽車維修技術必將在“高技術、高情感”理念下日臻完善。

參考文獻：

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[3]王志辛.新能源汽車電子控制的關鍵性技術研究[J].價值工程，2019，38（01）：108-110.

作者簡介：任亮（1982-），男，河北邯鄲人，計算機網路本科畢業，現為中級電子工程師。