純電動汽車整車控制器技術及發展

高力，楊依楠

純電動汽車整車控制器技術及發展

高力1，楊依楠2

（1.華晨汽車工程研究院新能源工程處，遼寧 沈陽 110411； 2.華晨汽車工程研究院電控工程處，遼寧 沈陽 110411）

整車控制器是純電動汽車的核心控制部件，相當于純電動汽車的大腦，它的主要功能是采集加速踏板信號、制動踏板信號及其他零部件的信號，在進行綜合、分析和判斷后，控制相關的零部件完成指定的動作，以實現被控車輛的正常行駛。文章首先對整車控制器的設計技術進行了概要式的闡述，其次對整車控制器技術的發展歷程進行了描述，最后，對在當前智能駕駛和物聯網技術的發展趨勢下，整車控制器技術的今后的發展進行了展望。

整車控制器；AUTOSAR；功能安全；域控制器

前言

純電動汽車是由多個子系統構成的一個復雜控制系統，除了傳統車具備的各種功能和系統外，還包括動力電池系統、電機及其控制系統等。各子系統都通過自己的控制單元來實現各自的功能和目標。

汽車作為單體，有整體目標和要求，如動力性、經濟性、駕駛性等目標，為了滿足這些要求，一方面各部件必須具有智能化的人車交互接口；另一方面，各系統之間還必須彼此進行緊密的配合和有序的協作，以實現互相之間的動態優化和匹配。因此，純電動汽車控制系統必須需要一個整車控制器來完成這些協調匹配的工作，統籌管理各電子控制部件。

1 整車控制器設計概述

整車控制器的技術、性能的好壞直接決定了電動汽車整車性能的優劣，起到了至關重要的作用，被稱為電動汽車的三大核心技術之一。

1.1 硬件電路設計

總的來說，硬件電路通常分為以下幾個部分[1-3]：

1）微處理器電路

2）傳感器信號采集電路

3）負載驅動電路

4）電源電路

5）通訊電路

6）輔助單元電路

微處理器部分一般都是最小工作電路系統，我們下面只描述外圍的功能電路的設計技術。

1.1.1傳感器信號采集

低壓車用傳感器分為3種類型，電壓型，電阻型和PWM信號型。

電壓型傳感器一般根據信號電壓的最大值，分為5V和12V，采集電路只需要將濾波后的信號通過電阻網轉換成芯片采集管腳兼容的電壓范圍，采集芯片就可進行模數轉換了。

電阻型傳感器還需要對電阻網的電阻值進行匹配，以保證采集芯片管腳能采集到合適電壓值。

PWM信號型傳感器采集電路應該有滯回比較電路，否則難以避免邊沿抖動導致的采集錯誤。

1.1.2負載驅動器

負載驅動器用于驅動各類負載，按照驅動方式又分為低邊驅動和高邊驅動方式。

1.1.3電源

整車控制器的電源系統也分為以下幾類：

一是系統電源，整車控制器的主芯片和輔助芯片需要穩定的1.2~1.3V、3.3V和5V三種電源，我們設計的時候可采用集成式設計，并且需對電源的供電參數和負載額定參數進行詳細的匹配，以保證整車控制器核心電路可靠工作。

二是傳感器供電電源，如油門踏板、剎車踏板等電壓信號型傳感器，都是需要外部電源供電才能正常工作的。這些傳感器的額定電流較小，范圍在50mA~150mA，目前都是采用專用芯片的解決方案。

1.1.4通訊

目前整車控制器主要通過CAN總線與其他設備進行信息交互。

CAN總線電路包括CAN控制器和CAN物理層（收發器）二部分，一般CAN控制器都會集成在主芯片中，所以外部電路一般只有CAN收發器、終端電阻網絡和抗干擾網絡幾個部分。如果需要CAN喚醒功能的話，需要支持此功能的收發器芯片。

1.1.5輔助單元

此外，電路設計上必須額外設計一塊輔助單元電路，用以對主芯片、主通訊電路及各個重要電子功能部件進行實時監控。

總體上來說，輔助單元雖功能不多，但比較關鍵，其具體功能要基于需求進行詳細和系統設計。

1.2 軟件功能

1.2.1整車驅動控制

根據司機駕駛意圖、車輛狀態、工況，對驅動電機的工作狀態及功率輸出進行合理分配、協調和控制，精確滿足駕駛員對車輛控制的具體要求。主要包括加減速、恒速、制動和后退等工況。

1.2.2制動能量回饋

根據制動踏板和加速踏板數據、車輛行駛綜合信息、動力電池狀態，對制動模式進行判斷，通過計算制動力矩分配，對部分制動能量進行適當回收并將此能量回存到儲能裝置中，再在適當的時候（滿足充電條件），將能量反向充電給動力電池。

1.2.3整車能量管理和優化

在純電動汽車中，電池除給電機供電以外，還要給電動附件供電，因此，為了獲得最大的續駛里程，整車控制器將負責整車的能量管理，以提高能量利用率。在電池SOC值較低時，整車控制器將對某些電動附件發出限制功率指令，來增加續駛里程。

1.2.4故障診斷和保護

整車控制器通過總線，實時監視整車電控系統，并進行故障診斷。故障產生時，控制器通過總線信息傳送部分故障碼，并點亮故障指示燈。

整車控制器可與外部診斷設備連接并診斷通訊，通過UDS診斷服務，實現數據流讀取，故障碼的讀取和清除，并且具有控制端口的調試功能。

1.2.5整車網絡管理

整車網絡管理是通過共同遵循一種提前約定的機制，以實現網絡數據的高效、安全、及時傳輸的一種方法，目前大都采用OSEK或AUTOSAR網絡管理機制。

2 整車控制器技術的發展

2.1 傳統控制器改造階段

國內新能源開發剛起步時，出現了第一代量產型整車控制器產品。

當時零部件供應商的技術主要來源于傳統汽車電控ECU，設計方法、電路、軟件、標準等都來源于發動機控制器及車身控制器等傳統技術。

圖1 整車控制器技術發展概況

2.2 專用的整車控制器產品

2013年之后國內市場迅速成長，整車控制器開發已形成一套專業方法，市場上出現成熟的專用產品，如德爾福HCU-2、聯電VCU、大陸H300等。

硬件方面設計變化并不大，軟件方面形成了基于模型自動代碼的開發方式，引入了V開發流程，專用集成工具等。

2.3 高性能，通用化和平臺化

2018年之后至今，整車控制器功能技術發展進入一個高速階段，為整車控制器高實時性需求、復雜應用和算法提供了強有力的保障和基礎。

最引人注目的技術是AUTOSAR技術和功能安全（ISO 26262）標準的引入，這些技術引入極大地加速了整車控制器產品通用化和平臺化的腳步，可以說AUTOSAR+ISO26262的組合代表了目前整車控制器開發的主要技術路線。

2.4 域控制和網絡化

汽車未來發展趨勢是電動化、智能化（甚至是軟件定義汽車），那么整車控制器未來發展必將是高度集成及高度安全可靠。

以域為單位的域控制器集成化架構就是當前最佳的解決方案[4-6]。

域控制器技術將汽車電子各部分功能劃分成幾個功能域，例如：動力域、傳動域、傳統車身電子域、智能及輔助駕駛域，安全域等，利用域內唯一的處理能力強大得多核CPU/GPU芯片，對控制域內原本歸屬各個ECU的大部分功能進行綜合監控，以此來取代傳統的分布式架構。

3 結論

有人說整車控制器的功能會在新能源技術發展和集成化的過程中被分解到其他零部件上，從而導致整車控制器最終會被自然淘汰掉。筆者認為，雖然這種思路已經被提出來很多年了，但整車控制器仍然在發揮著不可替代的作用；可以肯定得是，伴隨著新能源汽車技術的發展，市場擴大，不斷涌現的新需求等變化，最終形成整車控制器的穩定技術路線和全新架構，會形成一種在技術實現、傳統延續、功能性能、價格成本、擴展性、新型安全等方面都能夠滿足需求的一種形態，整車控制器將發揮更積極重要的作用。

[1] James Larminie,John Lowry. Electric Vehicle Technology Explained [M].UK:John WILEY&SONS,LTD.2004.

[2] 羅水平.純電動汽車整車控制器開發的探討[J].海峽科學,2010(12): 64-67.

[3] Kong H F, Ge Q G, Xia S L.Design of VCU for Pure Electric Vehicle [J].Applied Mechanics and Materials, 2011, 130-134:2203-2206.

[4] 許同盟.純電動汽車整車控制器設計與控制策略研究[D].濟南:山東大學,2019.

[5] 李俊霖.純電動汽車整車控制器進展淺析[J].大科技,2015,000 (032):276.

[6] 張翔.純電動汽車整車控制器進展[J].汽車電器,2011(02):1-5.

VCU Technology and Development Trend for the Battery Electric Vehicle

Gao Li1, Yang Yinan2

（1.Brilliance Automotive Engineering Research InstituteNew Energy Engineering Section, Liaoning Shenyang 110411; 2.Brilliance Automotive Engineering Research InstituteElectronics Control Engineering Section, Liaoning Shenyang 110411）

The Vehicle Control Unit is the core control part of the pure electric vehicle, which is equivalent to the brain of the vehicle. Its main function is to collect the acceleration pedal signal, brake pedal signal and other component signals. After the comprehensive judgment, the relevant parts are controlled to complete the specified action to realize the normal driving of the controlled vehicle. In this paper, the design technology of the Vehicle Control Unit is described briefly at first,then the development process of the Vehicle Control Unit technology is described,finally, the future development of the Vehicle Control Unit technology under the current development trend of intelligent driving and Internet of things technology is prospected.

Vehicle Control Unit;AUTOSAR;Functional Safety;Domain Controller

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.007

U461

A

1671-7988(2021)06-20-03

U461

A

1671-7988(2021)06-20-03

高力，工學碩士，工程師，華晨汽車研究院新能源中心部長、技術總監，研究方向為新能源電控、動力電池系統開發。