羅水平

純電動(dòng)汽車整車控制器開發(fā)的探討

羅水平

福建新龍馬汽車股份有限公司

本文簡(jiǎn)單介紹純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、整車控制器組成；并結(jié)合dSPACE開發(fā)平臺(tái)說明VCU開發(fā)流程；最后對(duì)實(shí)際開發(fā)的VCU的系統(tǒng)構(gòu)架及功能進(jìn)行說明。

純電動(dòng)汽車；VCU；開發(fā)；功能

眾所周知，純電動(dòng)汽車是由車載儲(chǔ)能裝置獲得電力，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛。作為純電動(dòng)汽車的核心部件——整車控制器（VCU，vehicle control unit）對(duì)于純電動(dòng)車的作用猶如大腦對(duì)人的作用的關(guān)系一樣至關(guān)重要。

1 整車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)汽車整車控制系統(tǒng)可分為組織層、中間層、執(zhí)行層，其系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。最底層是執(zhí)行層，由部件控制器和一些執(zhí)行單元組成，其任務(wù)是正確執(zhí)行中間層發(fā)送的指令，并且有一定的自適應(yīng)和極限保護(hù)作用；中間層是協(xié)調(diào)層，其核心就是VCU，VCU一方面對(duì)駕駛員的各種操作以及車輛當(dāng)前所處的狀態(tài)解釋出駕駛員的意圖，另一方面，根據(jù)執(zhí)行層當(dāng)前的狀態(tài)，做出最佳的協(xié)調(diào)控制；最高層是組織層，為駕駛員或自動(dòng)駕駛儀。組織層、中間層、執(zhí)行層三者形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)車輛控制。

圖1 純電動(dòng)汽車分層結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)

2 整車控制器組成

VCU作為純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)最核心的部件，其承擔(dān)了數(shù)據(jù)交換、安全管理、駕駛員意圖解釋、能量流管理的任務(wù)。根據(jù)重要程度和實(shí)現(xiàn)次序，VCU的功能劃分如圖2所示。

2.1 數(shù)據(jù)交換層

該層對(duì)直接饋入整車控制器的物理量信息（如駕駛員的操作反饋的信息和其它執(zhí)行部件的工作狀態(tài)信息）進(jìn)行采樣處理，并通過I/O、D/A和PWM，提供對(duì)顯示單元、繼電器等的控制信號(hào)。

2.2 安全故障管理層

車輛出現(xiàn)故障時(shí)，故障只體現(xiàn)在數(shù)據(jù)交換層。在檢測(cè)出故障后，該層會(huì)做出相應(yīng)的處理，在保證車輛安全性的條件下，給出執(zhí)行部件可供使用的范圍，以盡可能滿足駕駛員的駕駛意圖。

2.3 駕駛員意圖解釋層

駕駛員的所有與駕駛操作相關(guān)的操作信號(hào)都直接進(jìn)入整車控制器，整車控制器對(duì)采集的信息進(jìn)行處理分析，計(jì)算出驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)矩和車輛行駛時(shí)的需求功率來實(shí)現(xiàn)駕駛員的駕駛意圖。

2.4 能量流管理層

該層的主要工作是能量源之間進(jìn)行需求功率分配。

圖2 VCU功能劃分

3 整車控制器開發(fā)模式

要實(shí)現(xiàn)整車控制器數(shù)據(jù)交換、安全管理、駕駛員意圖解釋、能量流管理的功能，必須設(shè)計(jì)合理的硬件和軟件。整車控制器開發(fā)流程主要有傳統(tǒng)和現(xiàn)代兩種流程。

3.1 傳統(tǒng)開發(fā)流程

傳統(tǒng)的開發(fā)流程通常采用串行開發(fā)模式，即①應(yīng)用需求分析；②提出系統(tǒng)需求并進(jìn)行功能定義；③硬件設(shè)計(jì)；④面向硬件的代碼編寫；⑤完成軟硬件和外部接口集成；⑥系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和標(biāo)定。

3.2 現(xiàn)代開發(fā)流程

VCU的開發(fā)采用先進(jìn)的并行開發(fā)模式——V模式開發(fā)流程。V模式開發(fā)流程是由德國dSPACE公司提出的，基于MATLAB/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及半實(shí)物仿真的軟硬件平臺(tái)；dSPACE除了具有很強(qiáng)的處理和控制能力以外，更重要的是實(shí)現(xiàn)了和MATLAB/Simulink的無縫連接。其所帶的ControlDesk可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和在線調(diào)節(jié)控制參數(shù)。 dSPACE提出的V模式開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 V模式開發(fā)流程圖

第一步是功能定義和離線仿真。明確控制器應(yīng)具備的功能，為硬件設(shè)計(jì)提供依據(jù)；同時(shí)借助MATLAB建立整個(gè)控制系統(tǒng)（含控制器和被控對(duì)象）的仿真模型，并進(jìn)行離線仿真，運(yùn)用軟件仿真的方法設(shè)計(jì)和驗(yàn)證控制算法。

第二步是快速控制器原型和硬件開發(fā)。從上述控制系統(tǒng)的MATLAB仿真模型中單獨(dú)取出控制器的模型，結(jié)合dSPACE的物理接口模塊（如A/D、I/O、RS232等），來實(shí)現(xiàn)與被控對(duì)象的物理連接；運(yùn)用dSPACE提供的編譯工具生成可執(zhí)行程序，并下載到dSPACE中。dSPACE此時(shí)作為目標(biāo)控制器的替代物，可方便地實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)的在線調(diào)試和控制邏輯調(diào)節(jié)。在進(jìn)行離線仿真和快速控制器原型的同時(shí)，完成硬件的功能分析并進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)、制作，并根據(jù)軟件仿真的結(jié)果對(duì)硬件進(jìn)行完善、修改。

第三步是目標(biāo)代碼生成。在確定了整車控制器的控制算法，并通過dSPACE進(jìn)行了算法驗(yàn)證，同時(shí)硬件設(shè)計(jì)、制作也形成了最終實(shí)體ECU后，運(yùn)用dSPACE的輔助工具TargetLink生成ECU代碼，編寫ECU的底層驅(qū)動(dòng)程序，兩者結(jié)合后，將生成的代碼下載到ECU中。

第四步硬件在環(huán)仿真。其目的為驗(yàn)證ECU的功能。在這個(gè)環(huán)節(jié)中除電控單元是真實(shí)部件外，其它被控對(duì)象也可以是真實(shí)部件。

第五步調(diào)試和標(biāo)定。把經(jīng)過硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證的ECU連接到完全真實(shí)的被控對(duì)象，進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證和調(diào)試。

4 整車控制器開發(fā)

實(shí)際開發(fā)的VCU可為純電動(dòng)汽車提供四種運(yùn)行模式：起動(dòng)模式、前進(jìn)模式、倒車模式、爬坡模式。為能滿足各種不同的運(yùn)行模式需求而開發(fā)的VCU，其主要組成原件ECU、VCU系統(tǒng)構(gòu)架、VCU系統(tǒng)功能以及VCU的輸入和輸出分別介紹如下：

4.1 主要組成原件ECU

ECU采用Infineon SAK-XC2287-96FxxL型微處理器，該處理器為16位處理器，其規(guī)格如表1：

表1 微處理器規(guī)格

4.2 VCU系統(tǒng)構(gòu)架（如圖4）

圖4 VCU系統(tǒng)構(gòu)架圖

4.3 VCU系統(tǒng)功能（如圖5）

圖5 VCU系統(tǒng)功能

4.4 輸入

（1）車速傳感器 (Speed Sensor)：提供車速信號(hào)，供VCU判斷行車狀態(tài)；

（2）加速踏板開關(guān) (Accelerator)：提供加速信號(hào)，供VCU判斷行車狀態(tài)；

（3）鑰匙開關(guān) (Key Switch)：提供信號(hào)，告知VCU，當(dāng)前鑰匙開關(guān)是否起動(dòng)；

（4）檔位開關(guān) (P,R,D)(Gear Switch)：提供檔位信號(hào)，供VCU判斷行車狀態(tài)及電機(jī)轉(zhuǎn)速輸出狀態(tài)；

（5）電機(jī)控制系統(tǒng) (MCS)：提供電機(jī)電流信號(hào)，供VCU判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的扭矩；

提供電機(jī)溫度信號(hào)，供VCU判斷電機(jī)是否過熱；提供轉(zhuǎn)速信號(hào)，供VCU判斷行車狀態(tài)；

（6）電池 (Battery)：提供電池系統(tǒng)電壓信號(hào)，供VCU判斷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所需的電壓以及判斷電池系統(tǒng)當(dāng)前的SOC；

（7）制動(dòng)開關(guān) (Brake Switch)：提供當(dāng)前制動(dòng)信號(hào)，供VCU判斷行車狀態(tài)以及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速；

（8）組合開關(guān) (Column Switch)：提供燈組控制信號(hào)、雨刮控制信號(hào)、儀表顯示信號(hào)，供VCU判斷并發(fā)出執(zhí)行指令；

（9）主接觸器(Active Relay)：主接觸器工作時(shí)，接通主電源至MCS；

（10）換向接觸器(Commutate Relay)：提供信號(hào)供VCU判斷并控制MCS驅(qū)動(dòng)電機(jī)正（反）轉(zhuǎn)；

（11）直流-直流變換器 (DC-to-DC Converter)：通過直流-直流變換器，提供12電源給VCU使用。

4.5 輸出

（1）組合儀表(Meter)：VCU輸出信號(hào)至儀表，控制儀表顯示當(dāng)前的行車狀態(tài)，包括燈光、車速、電量、警示等；

（2）PWM輸出(PWM Outputs)：VCU根據(jù)當(dāng)前行車狀態(tài)以及駕駛員的操作動(dòng)作，控制MCS驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速或減速；

（3）燈光系統(tǒng)(Lamp System)：當(dāng)組合開關(guān)有動(dòng)作時(shí)，VCU驅(qū)動(dòng)車輛行駛時(shí)所需的左/右轉(zhuǎn)向、遠(yuǎn)/近光、霧燈等燈光工作；

（4）雨刮系統(tǒng)(Wiper System)：當(dāng)組合開關(guān)有動(dòng)作時(shí)，VCU發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)車輛的雨刮系統(tǒng)工作；

（5）通訊（Communication）：VCU通過UART串列傳輸，作為VCU數(shù)據(jù)采集與性能調(diào)校；CAN（J1939）作為VCU與儀表進(jìn)行信號(hào)通訊的管道。

4.6 實(shí)體圖

圖6 為新開發(fā)的VCU實(shí)體；圖7為搭載新新開發(fā)的VCU的純電動(dòng)微型載貨車。

圖6 VCU 實(shí)體圖

圖7 純電動(dòng)微型載貨車

5 結(jié)語

本公司針對(duì)某型號(hào)純電動(dòng)微型載貨車開發(fā)的VCU在實(shí)車上做匹配性試驗(yàn)。實(shí)踐證明，搭載該VCU時(shí)，車輛的動(dòng)力性能、駕駛舒適性以及整車的協(xié)調(diào)控制性等均達(dá)到預(yù)期的目的。從成本方面考慮，該型號(hào)VCU成本也控制在預(yù)期目標(biāo)中。VCU開發(fā)是成功的。

[1] 陳全世,仇斌,謝起成,等.燃料電池電動(dòng)汽車[M].北京：清華大學(xué)出版社, 2005.

[2] 胡驊,宋慧.電動(dòng)汽車[M].北京:人民交通出版社,2006.

Discussion on Developement for VCU of Pure Electric Vehicle

Luo Shuiping

(Fujian New longma Motor CO.,Ltd , Longyan Fujian ,364000)

This paper briefly describes the structure of vehicle control System, VCU layering structure, and describes the develop process of VCU based on dSPACE platform. Finally, introduces the system frame and functions of VCU.

Pure electric vehicle VCU Development Function