姜朋昌 戴能紅 王春芳 于海燕 孫飛

（南京汽車集團(tuán)有限公司汽車工程研究院）

整車控制器（VCU）是電動(dòng)汽車的核心部件，VCU技術(shù)是體現(xiàn)整車企業(yè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和產(chǎn)品水平的核心技術(shù)；VCU技術(shù)水平的高低和成熟度直接影響整車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及安全性[1]。為滿足某款即將上市的電動(dòng)汽車的整車需求，文章開(kāi)發(fā)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(fù)責(zé)協(xié)調(diào)動(dòng)力系統(tǒng)各個(gè)部件的運(yùn)行，根據(jù)駕駛員操作信號(hào)進(jìn)行駕駛意圖解釋、根據(jù)各部件和整車工作狀態(tài)進(jìn)行整車安全管理和能量分配決策，向各部件控制器發(fā)送控制指令，并向儀表及多功能顯示單元等設(shè)備輸出動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)信息。各部件控制器根據(jù)其指令控制相應(yīng)部件，驅(qū)動(dòng)汽車正常行駛。概括起來(lái)整車控制系統(tǒng)的功能主要是實(shí)現(xiàn)：1）動(dòng)力系統(tǒng)的控制（信號(hào)采集及處理、駕駛意圖識(shí)別、能量管理、上下電管理）；2）附件管理；3）整車網(wǎng)絡(luò)管理；4）汽車狀態(tài)的監(jiān)示和故障診斷及保護(hù)。

1.2 整車控制器的組成

電控系統(tǒng)一般由傳感器、ECU及執(zhí)行器三部分組成。傳感器又叫“轉(zhuǎn)換器”，把非電量（物理量）變?yōu)殡娏?，以模擬量和數(shù)字量的形式輸出給ECU；ECU是許多半導(dǎo)體基片制成模擬電路、數(shù)字電路和邏輯分析、運(yùn)算電路，其中中央處理器CPU是核心部件；執(zhí)行器多為繼電器、電機(jī)及閥等部件，它把電量變成非電量，定時(shí)、定量地完成ECU的指令任務(wù)，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)伺服控制[2]。VCU是一種車用ECU，作為電動(dòng)汽車的“大腦”，采集汽車傳感器的相關(guān)信號(hào)，控制汽車上相關(guān)的執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)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(chǔ)軟件和VCU應(yīng)用軟件三部分組成，其中硬件是軟件運(yùn)行的載體；應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)駕駛員意圖解析、路況及汽車運(yùn)行狀態(tài)的判斷、能量管理、故障診斷及處理等功能，是VCU的核心；基礎(chǔ)軟件是應(yīng)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(kāi)發(fā)

2.1 整車電氣原理

VCU通過(guò)控制智能配電箱控制其他部件高低壓電路的通斷；通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)BMS、電動(dòng)儀表、BCM及遠(yuǎn)程監(jiān)控等ECU單元實(shí)現(xiàn)通訊；通過(guò)采集鑰匙、油門、制動(dòng)、擋位及手剎等信息，進(jìn)行駕駛意圖識(shí)別；通過(guò)總線或硬線命令，控制電機(jī)、電池及電附件的工作；通過(guò)高端驅(qū)動(dòng)或低端驅(qū)動(dòng)，控制相應(yīng)繼電器閉合或斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)各部件的上下電動(dòng)作。

2.2 VCU硬件設(shè)計(jì)

VCU需求硬件資源和功能如下：

1）供電電壓12 V；

2）低端驅(qū)動(dòng)通道10路、高端驅(qū)動(dòng)通道4路、開(kāi)關(guān)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(nèi)部延時(shí)掉電功能、板載溫度監(jiān)測(cè)、12 V供電電壓檢測(cè)、板載5 V電源電壓檢測(cè)、板載電源指示燈、總線支持最大500 kB/s通訊速率、內(nèi)置硬件看門狗電路；

4）存儲(chǔ)溫度 ：-20～60℃，工作溫度：-40～85℃，防護(hù)等級(jí)IP67。

2.2.1 初始設(shè)計(jì)方案

1）CPU采用Freescale芯片的MC9s12XEP100；

2）電源采用TLE4471；

3）開(kāi)關(guān)量采集:濾波+分壓+濾波+反相器；

4）模擬量：RC濾波；

5）CAN網(wǎng)絡(luò)：采用TJA1050T驅(qū)動(dòng)芯片；

6）低端驅(qū)動(dòng)：TLE6240G驅(qū)動(dòng)芯片。

對(duì)根據(jù)初始設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的VCU硬件在整車上進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，采集、運(yùn)算、存儲(chǔ)、控制及網(wǎng)絡(luò)通訊等基本功能都已實(shí)現(xiàn)，但也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)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(xiàn)硬件復(fù)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(xiàn)異常等情況。

2.2.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

采用將最小單元進(jìn)行隔離的處理思想，VCU改進(jìn)方案設(shè)計(jì)原理，如圖1所示。

改進(jìn)后經(jīng)過(guò)實(shí)車測(cè)試，VCU硬件功能齊備，上述復(fù)位及AD值采集有偏差的問(wèn)題已解決，測(cè)試結(jié)果，如圖2所示。其可靠性有待進(jìn)一步的測(cè)試驗(yàn)證。

VCU硬件是軟件運(yùn)行的載體，VCU硬件的可靠性至關(guān)重要，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在VCU硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)注意3個(gè)方面：1）部件的冗余設(shè)計(jì)；2）磁兼容設(shè)計(jì)：布局、布線、屏蔽、接地、濾波及靜電放電防護(hù)；3）控制器散熱設(shè)計(jì)。

3 基礎(chǔ)軟件開(kāi)發(fā)

VCU基礎(chǔ)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化與平臺(tái)化的設(shè)計(jì)思想，其軟件架構(gòu)，如圖3所示。實(shí)現(xiàn)了數(shù)字輸入/出（DIO）驅(qū)動(dòng)、ADC驅(qū)動(dòng)、DAC驅(qū)動(dòng)、PWM驅(qū)動(dòng)及CAN驅(qū)動(dòng)等基本及復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)程序，以及微處理器驅(qū)動(dòng)、內(nèi)存驅(qū)動(dòng)、通訊驅(qū)動(dòng)和I/O驅(qū)動(dòng)等微處理器抽象層驅(qū)動(dòng)；設(shè)計(jì)了基于CAN通訊的Bootloader、標(biāo)定、故障診斷、監(jiān)測(cè)模式、自測(cè)試及調(diào)試等功能，使得開(kāi)發(fā)的VCU具備多種工作模式；通信模塊實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理及與其他ECU單元的通信（與驅(qū)動(dòng)電機(jī)、動(dòng)力電池、儀表、車身控制器及遠(yuǎn)程監(jiān)控等）。

4 應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)

VCU應(yīng)用軟件作為電動(dòng)汽車“大腦”的“指揮官”，主要根據(jù)駕駛員動(dòng)作分析其駕駛意圖，并實(shí)時(shí)考慮行駛工況及電池SOC等影響因素，根據(jù)規(guī)則將轉(zhuǎn)矩合理地分配給電機(jī)。同時(shí)限定電機(jī)的工作區(qū)域和SOC值的范圍，確保電機(jī)和動(dòng)力電池能夠長(zhǎng)時(shí)間保持高效狀態(tài)。在滿足汽車行駛安全性、動(dòng)力性和舒適性的前提下，采用制動(dòng)能量回收技術(shù)，大大增加了電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則對(duì)汽車的工作模式進(jìn)行判斷和選擇，能夠先于零部件自身的保護(hù)，或者在零部件控制失效時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理故障[3]。

基于MBD的設(shè)計(jì)方法已成為當(dāng)前車輛控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主流方法[4]，本VCU應(yīng)用軟件正是采用Matlab/Simulink/Stateflow實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)input和output模塊與底層軟件進(jìn)行接口[1]，VCU應(yīng)用軟件架構(gòu)，如圖4所示?；谵D(zhuǎn)矩控制的設(shè)計(jì)思想，綜合考慮動(dòng)力電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)的工作能力，根據(jù)駕駛員意圖以及故障診斷情況，進(jìn)入相應(yīng)工作模式，發(fā)給電機(jī)相應(yīng)的目標(biāo)扭矩指令。同時(shí)對(duì)上下電進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和儀表顯示信息的實(shí)現(xiàn)。特別是故障診斷及處理是應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)核心工作之一，根據(jù)故障級(jí)別，分為報(bào)警提醒、限制功率運(yùn)行及緊急下電等多種情況處理。實(shí)現(xiàn)了電機(jī)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、油門、制動(dòng)、繼電器、附件（DC-DC故障等）、冷卻系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、換擋手柄故障診斷和保護(hù)以及誤操作保護(hù)（如同時(shí)踩油門和剎車，剎車優(yōu)先；D擋與R擋瞬間切換的平滑處理保護(hù)等）。

5 集成實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

應(yīng)用層軟件是在Matlab/Simulink環(huán)境下開(kāi)發(fā)的，通過(guò)RTW自動(dòng)代碼生成工具將控制策略模型生成C代碼，之后與VCU基礎(chǔ)軟件（手工寫的C代碼）進(jìn)行膠合，在CodeWarrior環(huán)境下進(jìn)行編譯調(diào)試，調(diào)試通過(guò)后生成S19目標(biāo)文件代碼，通過(guò)Bootloader服務(wù)程序和下載工具（如CANape、VESION）將目標(biāo)文件下載到目標(biāo)VCU硬件中。

在進(jìn)行RTW代碼生成之前，首先對(duì)應(yīng)用層的控制模型進(jìn)行了單元測(cè)試和MIL測(cè)試，其次采用RCP技術(shù)對(duì)控制策略進(jìn)行了實(shí)際的功能邏輯測(cè)試，最后采用上述介紹的VCU集成開(kāi)發(fā)模式的辦法將VCU的軟硬件結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行了HIL測(cè)試和實(shí)車測(cè)試。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)部分bug，并進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，最終VCU功能不斷完善，使開(kāi)發(fā)的整車性能逐漸提高。實(shí)車的測(cè)試結(jié)果，如圖5所示，從5a圖可以看出，車速隨駕駛員油門開(kāi)度大小而正向變化，油門變大時(shí)，汽車加速，油門變小或踩下制動(dòng)踏板時(shí)，汽車減速，很好地實(shí)現(xiàn)了駕駛員意圖；從圖5b可以看出，汽車在行駛過(guò)程中，電機(jī)有一個(gè)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(jiān)測(cè)到整車出現(xiàn)了嚴(yán)重故障后切斷電機(jī)繼電器導(dǎo)致的。后來(lái)對(duì)控制算法進(jìn)行了優(yōu)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(jī)的繼電器，以避免損壞電機(jī)控制器。

6 結(jié)論

文章通過(guò)分析純電動(dòng)汽車對(duì)VCU的功能需求，進(jìn)行了VCU硬件、基礎(chǔ)軟件和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行VCU系統(tǒng)的集成實(shí)現(xiàn)和測(cè)試驗(yàn)證。改進(jìn)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(wàn)km的實(shí)車測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，搭載所開(kāi)發(fā)VCU的純電動(dòng)汽車具有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，所開(kāi)發(fā)的VCU達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。