电动汽车整车控制器开发

姜朋昌 戴能红 王春芳 于海燕 孙飞

（南京汽车集团有限公司汽车工程研究院）

整车控制器（VCU）是电动汽车的核心部件，VCU技术是体现整车企业自主知识产权和产品水平的核心技术；VCU技术水平的高低和成熟度直接影响整车的动力性、经济性及安全性[1]。为满足某款即将上市的电动汽车的整车需求，文章开发了一款VCU。

1 需求分析

1.1 整车控制器的功能

VCU作为上层控制单元负责协调动力系统各个部件的运行，根据驾驶员操作信号进行驾驶意图解释、根据各部件和整车工作状态进行整车安全管理和能量分配决策，向各部件控制器发送控制指令，并向仪表及多功能显示单元等设备输出动力系统状态信息。各部件控制器根据其指令控制相应部件，驱动汽车正常行驶。概括起来整车控制系统的功能主要是实现：1）动力系统的控制（信号采集及处理、驾驶意图识别、能量管理、上下电管理）；2）附件管理；3）整车网络管理；4）汽车状态的监示和故障诊断及保护。

1.2 整车控制器的组成

电控系统一般由传感器、ECU及执行器三部分组成。传感器又叫“转换器”，把非电量（物理量）变为电量，以模拟量和数字量的形式输出给ECU；ECU是许多半导体基片制成模拟电路、数字电路和逻辑分析、运算电路，其中中央处理器CPU是核心部件；执行器多为继电器、电机及阀等部件，它把电量变成非电量，定时、定量地完成ECU的指令任务，实现随机伺服控制[2]。VCU是一种车用ECU，作为电动汽车的“大脑”，采集汽车传感器的相关信号，控制汽车上相关的执行器，实现驾驶员的意图，保证汽车的安全行驶。VCU主要由VCU硬件、VCU基础软件和VCU应用软件三部分组成，其中硬件是软件运行的载体；应用软件实现驾驶员意图解析、路况及汽车运行状态的判断、能量管理、故障诊断及处理等功能，是VCU的核心；基础软件是应用软件与硬件的桥梁和通道，三者相互配合，缺一不可。

2 VCU硬件开发

2.1 整车电气原理

VCU通过控制智能配电箱控制其他部件高低压电路的通断；通过CAN网络与电机控制器、电池管理系统BMS、电动仪表、BCM及远程监控等ECU单元实现通讯；通过采集钥匙、油门、制动、挡位及手刹等信息，进行驾驶意图识别；通过总线或硬线命令，控制电机、电池及电附件的工作；通过高端驱动或低端驱动，控制相应继电器闭合或断开，实现各部件的上下电动作。

2.2 VCU硬件设计

VCU需求硬件资源和功能如下：

1）供电电压12 V；

2）低端驱动通道10路、高端驱动通道4路、开关量输入12路、模拟量输入6路、频率量输入4路、CAN总线通道2路；

3）具备内部延时掉电功能、板载温度监测、12 V供电电压检测、板载5 V电源电压检测、板载电源指示灯、总线支持最大500 kB/s通讯速率、内置硬件看门狗电路；

4）存储温度 ：-20～60℃，工作温度：-40～85℃，防护等级IP67。

2.2.1 初始设计方案

1）CPU采用Freescale芯片的MC9s12XEP100；

2）电源采用TLE4471；

3）开关量采集:滤波+分压+滤波+反相器；

4）模拟量：RC滤波；

5）CAN网络：采用TJA1050T驱动芯片；

6）低端驱动：TLE6240G驱动芯片。

对根据初始设计方案设计的VCU硬件在整车上进行了实际应用测试，采集、运算、存储、控制及网络通讯等基本功能都已实现，但也发现了一些问题，如：在真空泵启停瞬间、刹车踩下瞬间及高压上电瞬间等情况下，VCU出现硬件复位情况，另外油门AD值和采集的12 V电压值在某些情况下出现异常等情况。

2.2.2 改进设计方案

采用将最小单元进行隔离的处理思想，VCU改进方案设计原理，如图1所示。

改进后经过实车测试，VCU硬件功能齐备，上述复位及AD值采集有偏差的问题已解决，测试结果，如图2所示。其可靠性有待进一步的测试验证。

VCU硬件是软件运行的载体，VCU硬件的可靠性至关重要，根据设计经验，在VCU硬件设计中应注意3个方面：1）部件的冗余设计；2）磁兼容设计：布局、布线、屏蔽、接地、滤波及静电放电防护；3）控制器散热设计。

3 基础软件开发

VCU基础软件设计采用模块化与平台化的设计思想，其软件架构，如图3所示。实现了数字输入/出（DIO）驱动、ADC驱动、DAC驱动、PWM驱动及CAN驱动等基本及复杂的驱动程序，以及微处理器驱动、内存驱动、通讯驱动和I/O驱动等微处理器抽象层驱动；设计了基于CAN通讯的Bootloader、标定、故障诊断、监测模式、自测试及调试等功能，使得开发的VCU具备多种工作模式；通信模块实现了网络管理及与其他ECU单元的通信（与驱动电机、动力电池、仪表、车身控制器及远程监控等）。

4 应用软件开发

VCU应用软件作为电动汽车“大脑”的“指挥官”，主要根据驾驶员动作分析其驾驶意图，并实时考虑行驶工况及电池SOC等影响因素，根据规则将转矩合理地分配给电机。同时限定电机的工作区域和SOC值的范围，确保电机和动力电池能够长时间保持高效状态。在满足汽车行驶安全性、动力性和舒适性的前提下，采用制动能量回收技术，大大增加了电动汽车的续驶里程。当系统出现故障时，系统能够根据预先设定的规则对汽车的工作模式进行判断和选择，能够先于零部件自身的保护，或者在零部件控制失效时发现并处理故障[3]。

基于MBD的设计方法已成为当前车辆控制系统开发的主流方法[4]，本VCU应用软件正是采用Matlab/Simulink/Stateflow实现的，通过input和output模块与底层软件进行接口[1]，VCU应用软件架构，如图4所示。基于转矩控制的设计思想，综合考虑动力电池系统、驱动电机系统及传动系统的工作能力，根据驾驶员意图以及故障诊断情况，进入相应工作模式，发给电机相应的目标扭矩指令。同时对上下电进行逻辑设计实现和仪表显示信息的实现。特别是故障诊断及处理是应用软件设计的一个核心工作之一，根据故障级别，分为报警提醒、限制功率运行及紧急下电等多种情况处理。实现了电机系统、电池系统、油门、制动、继电器、附件（DC-DC故障等）、冷却系统、网络、换挡手柄故障诊断和保护以及误操作保护（如同时踩油门和刹车，刹车优先；D挡与R挡瞬间切换的平滑处理保护等）。

5 集成实现与验证

应用层软件是在Matlab/Simulink环境下开发的，通过RTW自动代码生成工具将控制策略模型生成C代码，之后与VCU基础软件（手工写的C代码）进行胶合，在CodeWarrior环境下进行编译调试，调试通过后生成S19目标文件代码，通过Bootloader服务程序和下载工具（如CANape、VESION）将目标文件下载到目标VCU硬件中。

在进行RTW代码生成之前，首先对应用层的控制模型进行了单元测试和MIL测试，其次采用RCP技术对控制策略进行了实际的功能逻辑测试，最后采用上述介绍的VCU集成开发模式的办法将VCU的软硬件结合起来，进行了HIL测试和实车测试。经测试验证发现部分bug，并进行了改进设计，最终VCU功能不断完善，使开发的整车性能逐渐提高。实车的测试结果，如图5所示，从5a图可以看出，车速随驾驶员油门开度大小而正向变化，油门变大时，汽车加速，油门变小或踩下制动踏板时，汽车减速，很好地实现了驾驶员意图；从图5b可以看出，汽车在行驶过程中，电机有一个瞬间的电压上升，从正常的340 V上升到580 V左右，该情况是由于VCU监测到整车出现了严重故障后切断电机继电器导致的。后来对控制算法进行了优化，在保证乘客安全的前提下，避免在高速情况下直接切断电机的继电器，以避免损坏电机控制器。

6 结论

文章通过分析纯电动汽车对VCU的功能需求，进行了VCU硬件、基础软件和应用软件的设计，并进行VCU系统的集成实现和测试验证。改进后VCU的电磁兼容性能得到提升，控制策略及故障诊断处理功能得到完善；完成了3万km的实车测试，测试结果表明，搭载所开发VCU的纯电动汽车具有良好的动力性、经济性和安全性，所开发的VCU达到了预期目标。