高力，楊依楠

純電動(dòng)汽車整車控制器技術(shù)及發(fā)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(yáng) 110411； 2.華晨汽車工程研究院電控工程處，遼寧 沈陽(yáng) 110411）

整車控制器是純電動(dòng)汽車的核心控制部件，相當(dāng)于純電動(dòng)汽車的大腦，它的主要功能是采集加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)及其他零部件的信號(hào)，在進(jìn)行綜合、分析和判斷后，控制相關(guān)的零部件完成指定的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)被控車輛的正常行駛。文章首先對(duì)整車控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了概要式的闡述，其次對(duì)整車控制器技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行了描述，最后，對(duì)在當(dāng)前智能駕駛和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)下，整車控制器技術(shù)的今后的發(fā)展進(jìn)行了展望。

整車控制器；AUTOSAR；功能安全；域控制器

前言

純電動(dòng)汽車是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng)，除了傳統(tǒng)車具備的各種功能和系統(tǒng)外，還包括動(dòng)力電池系統(tǒng)、電機(jī)及其控制系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)都通過(guò)自己的控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)各自的功能和目標(biāo)。

汽車作為單體，有整體目標(biāo)和要求，如動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、駕駛性等目標(biāo)，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(tǒng)之間還必須彼此進(jìn)行緊密的配合和有序的協(xié)作，以實(shí)現(xiàn)互相之間的動(dòng)態(tài)優(yōu)化和匹配。因此，純電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)必須需要一個(gè)整車控制器來(lái)完成這些協(xié)調(diào)匹配的工作，統(tǒng)籌管理各電子控制部件。

1 整車控制器設(shè)計(jì)概述

整車控制器的技術(shù)、性能的好壞直接決定了電動(dòng)汽車整車性能的優(yōu)劣，起到了至關(guān)重要的作用，被稱為電動(dòng)汽車的三大核心技術(shù)之一。

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

總的來(lái)說(shuō)，硬件電路通常分為以下幾個(gè)部分[1-3]：

1）微處理器電路

2）傳感器信號(hào)采集電路

3）負(fù)載驅(qū)動(dòng)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(tǒng)，我們下面只描述外圍的功能電路的設(shè)計(jì)技術(shù)。

1.1.1傳感器信號(hào)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(hào)型。

電壓型傳感器一般根據(jù)信號(hào)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(hào)通過(guò)電阻網(wǎng)轉(zhuǎn)換成芯片采集管腳兼容的電壓范圍，采集芯片就可進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換了。

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

PWM信號(hào)型傳感器采集電路應(yīng)該有滯回比較電路，否則難以避免邊沿抖動(dòng)導(dǎo)致的采集錯(cuò)誤。

1.1.2負(fù)載驅(qū)動(dòng)器

負(fù)載驅(qū)動(dòng)器用于驅(qū)動(dòng)各類負(fù)載，按照驅(qū)動(dòng)方式又分為低邊驅(qū)動(dòng)和高邊驅(qū)動(dòng)方式。

1.1.3電源

整車控制器的電源系統(tǒng)也分為以下幾類：

一是系統(tǒng)電源，整車控制器的主芯片和輔助芯片需要穩(wěn)定的1.2~1.3V、3.3V和5V三種電源，我們?cè)O(shè)計(jì)的時(shí)候可采用集成式設(shè)計(jì)，并且需對(duì)電源的供電參數(shù)和負(fù)載額定參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)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(mén)踏板、剎車踏板等電壓信號(hào)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(guò)CAN總線與其他設(shè)備進(jìn)行信息交互。

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

1.1.5輔助單元

此外，電路設(shè)計(jì)上必須額外設(shè)計(jì)一塊輔助單元電路，用以對(duì)主芯片、主通訊電路及各個(gè)重要電子功能部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

總體上來(lái)說(shuō)，輔助單元雖功能不多，但比較關(guān)鍵，其具體功能要基于需求進(jìn)行詳細(xì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1.2 軟件功能

1.2.1整車驅(qū)動(dòng)控制

根據(jù)司機(jī)駕駛意圖、車輛狀態(tài)、工況，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作狀態(tài)及功率輸出進(jìn)行合理分配、協(xié)調(diào)和控制，精確滿足駕駛員對(duì)車輛控制的具體要求。主要包括加減速、恒速、制動(dòng)和后退等工況。

1.2.2制動(dòng)能量回饋

根據(jù)制動(dòng)踏板和加速踏板數(shù)據(jù)、車輛行駛綜合信息、動(dòng)力電池狀態(tài)，對(duì)制動(dòng)模式進(jìn)行判斷，通過(guò)計(jì)算制動(dòng)力矩分配，對(duì)部分制動(dòng)能量進(jìn)行適當(dāng)回收并將此能量回存到儲(chǔ)能裝置中，再在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候（滿足充電條件），將能量反向充電給動(dòng)力電池。

1.2.3整車能量管理和優(yōu)化

在純電動(dòng)汽車中，電池除給電機(jī)供電以外，還要給電動(dòng)附件供電，因此，為了獲得最大的續(xù)駛里程，整車控制器將負(fù)責(zé)整車的能量管理，以提高能量利用率。在電池SOC值較低時(shí)，整車控制器將對(duì)某些電動(dòng)附件發(fā)出限制功率指令，來(lái)增加續(xù)駛里程。

1.2.4故障診斷和保護(hù)

整車控制器通過(guò)總線，實(shí)時(shí)監(jiān)視整車電控系統(tǒng)，并進(jìn)行故障診斷。故障產(chǎn)生時(shí)，控制器通過(guò)總線信息傳送部分故障碼，并點(diǎn)亮故障指示燈。

整車控制器可與外部診斷設(shè)備連接并診斷通訊，通過(guò)UDS診斷服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流讀取，故障碼的讀取和清除，并且具有控制端口的調(diào)試功能。

1.2.5整車網(wǎng)絡(luò)管理

整車網(wǎng)絡(luò)管理是通過(guò)共同遵循一種提前約定的機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高效、安全、及時(shí)傳輸?shù)囊环N方法，目前大都采用OSEK或AUTOSAR網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制。

2 整車控制器技術(shù)的發(fā)展

2.1 傳統(tǒng)控制器改造階段

國(guó)內(nèi)新能源開(kāi)發(fā)剛起步時(shí)，出現(xiàn)了第一代量產(chǎn)型整車控制器產(chǎn)品。

當(dāng)時(shí)零部件供應(yīng)商的技術(shù)主要來(lái)源于傳統(tǒng)汽車電控ECU，設(shè)計(jì)方法、電路、軟件、標(biāo)準(zhǔn)等都來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)控制器及車身控制器等傳統(tǒng)技術(shù)。

圖1 整車控制器技術(shù)發(fā)展概況

2.2 專用的整車控制器產(chǎn)品

2013年之后國(guó)內(nèi)市場(chǎng)迅速成長(zhǎng)，整車控制器開(kāi)發(fā)已形成一套專業(yè)方法，市場(chǎng)上出現(xiàn)成熟的專用產(chǎn)品，如德?tīng)柛CU-2、聯(lián)電VCU、大陸H300等。

硬件方面設(shè)計(jì)變化并不大，軟件方面形成了基于模型自動(dòng)代碼的開(kāi)發(fā)方式，引入了V開(kāi)發(fā)流程，專用集成工具等。

2.3 高性能，通用化和平臺(tái)化

2018年之后至今，整車控制器功能技術(shù)發(fā)展進(jìn)入一個(gè)高速階段，為整車控制器高實(shí)時(shí)性需求、復(fù)雜應(yīng)用和算法提供了強(qiáng)有力的保障和基礎(chǔ)。

最引人注目的技術(shù)是AUTOSAR技術(shù)和功能安全（ISO 26262）標(biāo)準(zhǔn)的引入，這些技術(shù)引入極大地加速了整車控制器產(chǎn)品通用化和平臺(tái)化的腳步，可以說(shuō)AUTOSAR+ISO26262的組合代表了目前整車控制器開(kāi)發(fā)的主要技術(shù)路線。

2.4 域控制和網(wǎng)絡(luò)化

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

以域?yàn)閱挝坏挠蚩刂破骷苫軜?gòu)就是當(dāng)前最佳的解決方案[4-6]。

域控制器技術(shù)將汽車電子各部分功能劃分成幾個(gè)功能域，例如：動(dòng)力域、傳動(dòng)域、傳統(tǒng)車身電子域、智能及輔助駕駛域，安全域等，利用域內(nèi)唯一的處理能力強(qiáng)大得多核CPU/GPU芯片，對(duì)控制域內(nèi)原本歸屬各個(gè)ECU的大部分功能進(jìn)行綜合監(jiān)控，以此來(lái)取代傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)。

3 結(jié)論

有人說(shuō)整車控制器的功能會(huì)在新能源技術(shù)發(fā)展和集成化的過(guò)程中被分解到其他零部件上，從而導(dǎo)致整車控制器最終會(huì)被自然淘汰掉。筆者認(rèn)為，雖然這種思路已經(jīng)被提出來(lái)很多年了，但整車控制器仍然在發(fā)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(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)擴(kuò)大，不斷涌現(xiàn)的新需求等變化，最終形成整車控制器的穩(wěn)定技術(shù)路線和全新架構(gòu)，會(huì)形成一種在技術(shù)實(shí)現(xiàn)、傳統(tǒng)延續(xù)、功能性能、價(jià)格成本、擴(kuò)展性、新型安全等方面都能夠滿足需求的一種形態(tài)，整車控制器將發(fā)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.

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[4] 許同盟.純電動(dòng)汽車整車控制器設(shè)計(jì)與控制策略研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2019.

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

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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(xué)碩士，工程師，華晨汽車研究院新能源中心部長(zhǎng)、技術(shù)總監(jiān)，研究方向?yàn)樾履茉措娍?、?dòng)力電池系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。