陳春明,夏超英

（天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072）

基于XC2268N的純電動汽車整車控制器設計

陳春明,夏超英

（天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072）

在純電動廂式貨車關于穩(wěn)定運行和故障保護的技術標準下，基于英飛凌16位單片機XC2268N設計了一款應用于純電動汽車的整車控制器。該設計方案在硬件上采用若干模塊化電路搭設系統(tǒng)框架，實現信息采集、驅動輸出和CAN網絡等功能；在軟件上設計了一種層次式架構，驅動層代碼提供與硬件配置隔離的軟件接口，調度層調用驅動軟件以實現故障診斷與保護和安全運行等基本任務，核心層通過任務安排實現控制策略，實現代碼的高魯棒性和高可移植性，軟件通過了依照MISRA-C標準進行的靜態(tài)測試，使用模擬測試平臺進行了集成測試和功能測試，并用實車路測實驗驗證了整車控制器的有效性。在典型的工況循環(huán)下對整車運行性能進行了評估。

純電動汽車；整車控制器；層次式架構；靜態(tài)測試

混合動力與純電動驅動是當下汽車設計最流行的理念，設計和推廣新能源汽車既響應國家節(jié)能減排的號召，也滿足廣大消費者對環(huán)保出行的需求。據統(tǒng)計2002—2012年間全世界各大汽車廠商共推出了超過350款新能源汽車，其中130款已形成產品系列投入市場，然而概念車型與原型車占比較大，成熟技術方案和產品較少，新能源汽車技術創(chuàng)新與發(fā)展的空間十分廣闊［1］。在車型級別的分布上，混合動力汽車HEV（hybrid electric vehicle）和純電動汽車BEV（battery electric vehicle）有著截然不同的表現?；旌蟿恿ζ囋诨颈３謧鹘y(tǒng)內燃機性能的基礎上，在節(jié)油方面有卓越效果，因而主要分布在SUV（sport utility vehicles）、C級和D級車市場；而純電動汽車因其車身輕但續(xù)航短的特點，主要分布在A級和多功能車市場。

對于動力總成簡單的純電動汽車來說，整車控制器VCU（vehicle control unit）的設計水平直接影響車輛的動力性、經濟性和安全性，控制器核心控制策略的優(yōu)化會給車輛性能帶來很大提高。某款純電動廂式貨車是一款主要應用在市政物流領域的輕型多功能車輛，車身凈重2 000 kg，貨箱容納空間4 m3，理想續(xù)航200 km。該車型的技術標準對整車控制器提出的功能要求包括：控制車輛正常行駛、控制器局域網絡CAN（controller area network）管理、故障診斷與處理、車輛狀態(tài)監(jiān)控等。并根據ISO 11898、GB 4208、GB 17619等標準文件及公司內部技術標準，對整車控制器設計提出了若干技術要求。

1 純電動汽車整車控制器

整車控制器是汽車實現動力總成、能量管理及狀態(tài)監(jiān)控的核心部件［2］。傳統(tǒng)燃油汽車的整車控制器從控制電噴發(fā)動機的引擎控制器ECU（engine control unit）演變而來，主要負責控制發(fā)動機的點火時序和噴油脈沖。隨著新能源汽車對動力總成系統(tǒng)的革新，整車控制器被賦予了新的使命：通過采集油門踏板、剎車踏板和檔位等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖；輔以傳感器和總線傳來的車輛狀態(tài)（車速、溫度等）信息，由整車控制器判斷處理后，向驅動系統(tǒng)、車載電池系統(tǒng)發(fā)送運行控制指令，同時控制車載附件電氣系統(tǒng)工作；具有故障診斷和存儲功能。

針對目標車輛產品的技術要求，對整車控制器的設計需求總結如下：

（1）總線協(xié)調控制：通過CAN總線獲得車輛各控制單元的信息，實現能量管理策略，并通過CAN總線向電機控制器發(fā)送功率輸出指令、協(xié)助電池管理器控制電池以及管理車載充電機。

（2）驅動模式：根據駕駛員意圖和車輛狀態(tài)等，經分析和處理，合理控制電機的工作狀態(tài)，滿足不同駕駛工況需求，包括啟動、加速、恒速、減速和倒退等工況。驅動控制策略是純電動汽車整車控制器的核心策略，通過對電機的外特性曲線的研究，合理地分配扭矩和轉速，實現安全可靠行車。

（3）制動模式：根據制動踏板和加速踏板信息、車輛行駛狀態(tài)以及電池荷電狀態(tài)SOC（state of charge），判斷制動模式，計算機械制動與再生制動的比例，向電機控制器發(fā)出制動指令，在不影響原車制動性能的前提下，考慮行駛狀態(tài)和電池狀態(tài)，實現能量回饋。

（4）故障診斷與處理：通過監(jiān)視整車工作狀態(tài)，進行故障診斷，并及時根據故障情況進行相應保護動作，以及故障碼的存儲和調取，通過故障指示燈顯示故障類別和部分故障碼。對于除了電池SOC低以外的一級故障，車輛應停止工作；對于二級故障，能做到“跛行行駛”，即低速行駛。

2 整車控制器硬件系統(tǒng)

整車控制器硬件設計采用典型架構，如圖1所示，包括CPU最小系統(tǒng)、模擬量采集模塊、數字量采集模塊、驅動輸出模塊、通信模塊和電源模塊等，通過采集加速踏板開度、剎車踏板、開關量、模擬量以及CAN總線上的整車運行狀態(tài)報文等信息，為執(zhí)行整車控制策略提供參考。策略的執(zhí)行通過控制低邊開關、高邊開關和總線報文指令等輸出方式實現。

圖1 整車控制器硬件系統(tǒng)結構Fig.1 Structure of VCU hardware system

最小系統(tǒng)采用8 MHz晶振配置主控芯片時鐘；主控芯片使用英飛凌16位單片機XC2268N（XC 2268N具有12.5 ns指令周期、320 KB片上FLASH空間以及最多6個CAN節(jié)點，因其豐富的芯片片上資源和汽車級芯片的高穩(wěn)定性，適合作為整車控制器的主控芯片）；外圍硬件模塊分別采用了MC 33975A開關量采集芯片、TLE8110低邊驅動芯片、BTS716G高邊驅動芯片、TLE6389電源模塊芯片，以及TLE6251TS作為CAN總線收發(fā)芯片等，采用汽車電子典型電路及電磁兼容設計。

3 整車控制器軟件系統(tǒng)

3.1 軟件系統(tǒng)及底層構架

整車控制器軟件系統(tǒng)具有整車控制功能的部分稱為用戶程序（main application），可以在整體架構不改變的前提下，根據用戶需求修改程序內容；另一部分是CAN Bootstrap Loader（BSL）程序，能夠通過CAN總線，使用上位機管理程序對用戶程序進行在線更新。用戶程序位于程序存儲FLASH0區(qū)從0xc10000開始。在用戶程序起始處，對片上程序存儲FLASH1區(qū)0xc40000處的一個字節(jié)進行讀取，若為BSL命令則跳轉到從0xc01000開始的BSL程序。BSL程序可以根據上位機的指令對FLASH進行擦寫，完成更新程序的任務。

圖2展示了整車控制器用戶程序的軟件架構，其依照層次式系統(tǒng)風格進行設計。圖中同心圓代表軟件系統(tǒng)，周邊方形模塊則是硬件資源。層次式結構中的每一層僅對相鄰層可見，每一層都為其內部相鄰層提供服務，并接收其外部相鄰層的服務，層之間的互動通過接口實現，每一層都定義了與外一層的交互，最外層定義的則是硬件物理連接。從外至內，3層同心圓層次依次定義為驅動層、調度層和核心層。

圖2 整車控制器軟件架構Fig.2 Software architecture of VCU

驅動層的概念等同于實時操作系統(tǒng)中的板級支持包BSP（board support package）,主要功能是提供硬件驅動、單板硬件初始化和系統(tǒng)中斷程序，為整個軟件系統(tǒng)提供底層硬件支持。整車控制器的驅動層代碼包括模數轉換器的通道設置和采樣程序、串行通信接口的初始化及應用函數、CAN總線接口的初始化及應用函數、通用輸入輸出應用函數包和定時器中斷。

純電動汽車整車控制器需要采集的模擬量有2路加速踏板開度傳感器信號、1路溫度傳感器信號及1路備用模擬量輸入。英飛凌XC2268N具有ADC0和ADC1 2個10位模數轉換器，ADC0和ADC1分別有11個和5個通道，能同時采樣16路信號。加速踏板開度傳感器有2路信號輸出，分別配置在ADC0的CH0和ADC0的CH9，溫度傳感器信號配置在ADC1的CH2。針對硬件設計中使用的高邊驅動模塊和低邊驅動模塊配置了專用的通用輸入輸出和串行通信接口。

定時器中斷作為整車控制器設計當中最重要的一種中斷程序，它使用了T14和CNT0~CNT2中斷生成時間標記以同步整個軟件系統(tǒng)的運行過程，以及為一些需要以固定周期工作的任務在時序上得以實現。其中包括50 μs標記用于ADC采樣；10、50、100 ms的時間標記用于CAN報文的定時傳送，以及1 s的時間標記用于故障狀態(tài)延時報警。CAN總線離線 （CAN bus-off）中斷被設計為CAN總線故障自重啟服務，以防止總線故障導致的控制器失效。

調度層的定義類似操作系統(tǒng)中的過程支持包PSP（process support package），通過對驅動層代碼的調用和嵌套實現實際功能，該層次的函數構成了核心層代碼的主要內容。調度層代碼定義了調用板上的MCU外部資源進行的每一個單元任務，其中包括：CAN總線報文的收發(fā)、模擬量采集及單位化、開關量采集及開關狀態(tài)編制、低邊驅動及高邊驅動指令集、故障警報自動生成模組，以及用于集成測試的預留測試代碼塊。

在CAN總線上傳送的報文包括：電機控制器MCU（motor control unit）指令、DC/DC變換器指令、充電機指令、儀表顯示指令以及電池管理系統(tǒng)BMS（battery management system）和電機控制器的運行狀態(tài)等。這些信息依照SAE-J1939標準進行通信協(xié)議編制，在CAN按照10 ms到500 ms不等的周期自動傳送。BMS和MCU的運行狀態(tài)報文以及傳感器采集的數據經過分析能夠反映整車運行的故障狀態(tài)，整車控制器要對這些故障在儀表盤上做出警報提示。整車系統(tǒng)需要故障警報的同時，也要求系統(tǒng)具有一定的魯棒性，因此對故障警報采取1～2 s的延時處理。系統(tǒng)故障條目眾多，如果逐一進行定時器的精確延時，占用CPU資源過多，會影響整個軟件系統(tǒng)的運行，所以對故障延時采用了一種范圍可控的不精確延時，極大節(jié)省了單片機資源。具體來說是用定時器模塊生成一個0.5 Hz的時間方波作為時間參考，當某一故障狀態(tài)持續(xù)時間覆蓋了時間方波某一個半周期波形時，即會觸發(fā)警報行為。這種情形通過故障持續(xù)時間內方波狀態(tài)發(fā)生了兩次跳沿變化來確定。高邊驅動和低邊驅動的指令集在調度層被抽象為車上器件的開關動作，核心層程序僅需要調用指令并賦予參數ON或OFF即可對驅動模塊進行控制。

圖3 主程序流程Fig.3 Flow chart of main program

3.2 核心層控制策略

主程序是整車控制器軟件系統(tǒng)的主干部分，主程序流程如圖3所示，在主程序的起始處即執(zhí)行前文所述的根據FLASH標記啟動Bootloader，之后是各模塊初始化，然后進入主循環(huán)。主程序除了可以移除的Bootloader程序外，剩余部分是前文所述核心層程序。

上電自檢環(huán)節(jié)流程如圖4所示，按照汽車系統(tǒng)安全標準的規(guī)定，對CAN總線是否有效、動力總成各節(jié)點器件是否在線、加速踏板及檔位器初始位置等項目進行逐一查驗，通過全部自檢方能啟動，否則會對鎖定啟動過程，并按照上電自檢的故障類型發(fā)出警報。

圖4 上電自檢流程Fig.4 Flow chart of power-up test

定時器中斷程序會生成時間標識，這是整個軟件系統(tǒng)在時間上保持確定性的關鍵。主循環(huán)開始處的CAN總線報文傳送采用了一種非中斷定時更新的方法，關于總線報文的宏定義包含了報文的序號、傳送方向和傳送周期時間。主程序中根據定時器中斷生成的時間標識對相應的報文完成傳送。

整車控制器通過若干開關量輸入確定工作模式：當充電開關閉合進入充電模式；在充電開關斷開時，若ON/OFF開關在OFF檔則為待機模式；在ON檔進入行車驅動模式，按下點火按鈕，車輛即啟動行駛。各個工作模式下的故障診斷則通過對該車型技術規(guī)范的故障信息參考集進行枚舉得到，例如通過電池管理系統(tǒng)CAN報文中的電壓失衡和溫度過高等信息，枚舉出代表嚴重故障的一級警報和代表可恢復故障的二級故障，進一步做出故障警報及其他處理。

如圖5所示，就驅動控制策略需要完成的任務是識別駕駛意圖，并將其轉化成電機輸出扭矩指令，通過CNA總線發(fā)送給電機控制器。在純電動汽車上，駕駛意圖可以通過檔位和油門踏板開度來識別，還需要參考實時車速、動力電池電壓、放電電流以及車輛故障狀態(tài)，最終計算得出輸出扭矩指令。

圖5 驅動控制策略流程Fig.5 Flow chart of drive control strategy

輸出扭矩指令計算流程如圖6所示，圖6中Torque*代表驅動電機輸出扭矩指令，Tmax代表最大輸出扭矩，AccPedal（θ）代表加速踏板開度百分數。在不同的運行狀態(tài)下，輸出扭矩指令有6種不同的計算方法，條件判斷成功后的方程即為輸出扭矩指令的計算公式。

根據整車控制器設計的技術要求，設計的驅動控制策略如下：在能源充足、電池狀態(tài)正常和車輛無故障的理想運行狀態(tài)下，輸出扭矩指令線性跟隨加速踏板開度，扭矩指令的上下限與加速踏板可控區(qū)的上下限重合；電池電壓低或者車速過高時，動力輸出會折半處理；動力電池放電電流嚴重過流或者電池溫度不均衡時對扭矩輸出做出上限50%的限制；當觸發(fā)二級警報時，上限值進一步縮小為20%；而輕微放電過流的情況下會對扭矩輸出做出上限70%的限制，在退出過流之后逐漸恢復限值至100%，具體來說是每一個警報周期恢復5%，退出過流7個警報周期后恢復正常狀態(tài)；觸發(fā)一級警報后，扭矩輸出立即設為0，并且無法自行恢復，需要斷電檢修重啟后方能恢復；由于該車型采用的是真空泵制動，在踩下制動踏板后也會切斷動力輸出。另外當檔位切換至倒擋時，扭矩輸出指令無論何種條件下計算出來都需要進行折半，因為對前進與倒退速度的感知有偏差，容易高估后退的速度產生恐慌感，因此減半倒擋動力輸出以提高駕駛體驗。

圖6 輸出扭矩指令計算流程Fig.6 Flow chart of output torque calculation

此外驅動策略中還可以結合駕駛員習慣和實際情況實現車輛巡航控制，以提高駕駛體驗。當加速踏板開度較大時，稱之為“深踏”狀態(tài)；當加速踏板開度較小時，稱之為“淺踏”狀態(tài)。根據實車測試及駕駛員反饋，整車控制系統(tǒng)確定深踏狀態(tài)與淺踏狀態(tài)的范圍分別是60%開度以上和40%開度以下。當加速踏板開度在深踏區(qū)域和淺踏區(qū)域之外變化時，車速波動較大，駕駛體驗較差，因此在該區(qū)域切換成巡航模式。當加速踏板開度進入深踏狀態(tài)時，設定深踏狀態(tài)標記；踏板開度退回到深踏與淺踏區(qū)域之間時，對當前車速進行記錄，以此車速為參考值，進行車速的閉環(huán)控制；當加速踏板退出這一區(qū)域時清除深踏標記，并結束車速的閉環(huán)控制，退出巡航模式。在巡航模式中，巡航控制器以當前車速為輸入，目標車速為參考值，其輸出為期望的驅動電機輸出扭矩指令。此巡航控制器的輸出取代加速踏板開度，作為驅動電機輸出扭矩指令的自變量。但是當車輛運行狀態(tài)對驅動電機輸出扭矩有限制時，為避免巡航控制器的輸出異常增大，此時應強制退出巡航模式并清除深踏標記。

4 程序測試和實驗驗證

整車控制器軟件設計首先要通過靜態(tài)測試。汽車電子軟件最具權威性的代碼靜態(tài)測試工具是MISRA-C，目前最新的版本是MISRA-C:2012［3］，該規(guī)則對汽車電子軟件代碼的編碼環(huán)境、函數集、命名規(guī)則和語法限制等多方面做出了詳細的規(guī)定。整車控制器的靜態(tài)測試通過編譯環(huán)境插件輔助和代碼評審的方式實現，經團隊評審，軟件設計符合MISRA-C規(guī)則，沒有發(fā)現系統(tǒng)缺陷。

軟件系統(tǒng)的集成測試需要在板上實時運行測試代碼。這部分測試代碼在調度層中定義，能夠分割軟件系統(tǒng)的各個功能模塊，獨立地對模塊進行測試，包括對軟件運行時長的測試，這能檢測出代碼運行的效率以及對系統(tǒng)資源的占用情況。經集成測試得到：主循環(huán)平均運行周期約為50 μs，最長運行時間小于600 μs，運行時長最長的代碼模塊是串行通信模塊，各個代碼模塊運行正常。

圖7 模擬測試平臺Fig.7 Simulation test platform

整車控制器軟件系統(tǒng)的功能測試在模擬平臺上進行測試，模擬平臺包括開關量輸入模塊、驅動輸出演示模塊、模擬量輸入模塊、12 V電源接口和線束插針，如圖7所示，模擬平臺與整車控制器和計算機一起構成硬件在環(huán)測試的環(huán)境。開關量輸入模塊用于模擬車輛上的開關及檔位信號；繼電器輸出演示模塊模擬整車各個模塊的電源狀態(tài)和功率輸出模擬量輸入模塊則代表的是加速踏板傳感器的模擬量輸入。模擬實驗配合CAN總線上位機進行，需要計算機模擬CAN總線上其他節(jié)點的器件，根據不同的預期運行狀態(tài)配置相應的CAN報文內容。經多次測試，當前系統(tǒng)能根據用戶指令執(zhí)行充電模式、待機模式和行車模式全部任務，并且能按照計算機通過CAN報文模擬的運行狀態(tài)做出正確的故障提示及處理動作。

實車測試在企業(yè)提供的樣車上進行，如圖8（a）所示是實驗用樣車，圖8（b）所示是整車控制器和監(jiān)控計算機的布置場景，監(jiān)控計算機能夠隨時對控制器的軟件系統(tǒng)進行現場調試，并且實時監(jiān)控CAN總線信息，以及接收整車控制器通過串口發(fā)送的消息。實車測試的地點選擇校園內，與該產品的目標應用場景具有類似的典型工況循環(huán)［4］。

圖8 實車測試Fig.8 Ground test

實車測試分為加速測試、低速行駛測試和高速行駛測試。按照測試數據繪制的曲線如圖9所示。加速測試對駕駛員單次踩下加速踏板之后整車控制器的靈敏度進行了評估，電機驅動扭矩對輸出給定值的響應比較迅速，峰值的時間差在1 s左右。車輛的加速過程穩(wěn)定。低速測試和高速測試是在擁擠的路況和通暢的路況下進行的，具有典型城市車輛工況循環(huán)的代表性。根據采集的數據分析可見車輛運行平穩(wěn)，動力電池電壓不會發(fā)生嚴重跌落，駕駛員的操作都得到了整車控制器及時準確的響應。

此外，還進行了長達一個月的試運行測試，在一個月內每天保持5 km以上的行駛路程，整車控制器運行無錯誤，根據測試表現，可以認為該設計能夠滿足該產品目標市場的性能需求。

圖9 實車測試數據曲線Fig.9 Ground test data curve

5 結語

根據某公司純電動廂式貨車技術規(guī)范和功能需求，設計了一款純電動汽車整車控制器，其軟件系統(tǒng)符合層次式系統(tǒng)架構，具有高層重用性。整車控制器軟件通過了靜態(tài)測試。硬件在環(huán)實驗證明該整車控制器的設計能夠通過集成測試以及功能測試。實車測試通過加速測試、低速行駛測試和高速行駛測試驗證了其穩(wěn)定性和可靠性，能夠根據駕駛員意圖和車輛運行狀態(tài)安全穩(wěn)定地控制車輛行駛。

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Design of Vehicle Control Unit for Battery Electric Vehicle Based on XC2268N

CHEN Chunming，XIA Chaoying
（School of Electric Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

Under the technique protocol of GH Auto N2 series pure electric van concerning steady operation and failure protection,a battery electric vehicles（BEV）vehicle control unit（VCU）is designed based on Infineon micro controller XC2268N.Hardware design of the VCU utilizes several modular circuits to build up system structure,and to further acquire functions like information acquisition,drive output and CAN（Controller Area Network）.Hierarchical architecture is implemented on software system to achieve high robustness and portability.Codes of base layer are invented to provide hardwareisolated software interface.Process layer invoke base layer code to support task implementation,such as fault detection and protection,and normal operation,thus to support core layer control strategies implementation.Code had passed MISRA-C standard in static testing.The VCU performed well in integration testing and function testing conducted on test platform and the ground test.The performance of the whole vehicle is analyzed according to the data of driving record under the typical working cycle.

battery electric vehicles;vehicle control unit;hierarchical architecture;static testing

陳春明

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.101

TP273

A

陳春明（1991-），男，碩士研究生，研究方向：整車控制、嵌入式系統(tǒng)，E-mail: harris_23@126.com。

2016-10-08

夏超英（1958-），男，通信作者，教授，博士生導師，研究方向：控制理論與應用、自適應控制理論、電力電子裝置及系統(tǒng)、電動汽車、混合動力汽車及控制系統(tǒng)等，E -mail:xiachaoying@126.com。