高力，楊依楠

純電動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 110411； 2.華晨汽車工程研究院電控工程處，遼寧 沈陽 110411）

整車控制器是純電動汽車的核心控制部件，相當(dāng)于純電動汽車的大腦，它的主要功能是采集加速踏板信號、制動踏板信號及其他零部件的信號，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作，以實現(xiàn)被控車輛的正常行駛。文章首先對整車控制器的設(shè)計技術(shù)進(jìn)行了概要式的闡述，其次對整車控制器技術(shù)的發(fā)展歷程進(jìn)行了描述，最后，對在當(dāng)前智能駕駛和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢下，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

純電動汽車是由多個子系統(tǒng)構(gòu)成的一個復(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)都通過自己的控制單元來實現(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，以實現(xiàn)互相之間的動態(tài)優(yōu)化和匹配。因此，純電動汽車控制系統(tǒng)必須需要一個整車控制器來完成這些協(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)計概述

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

1.1 硬件電路設(shè)計

總的來說，硬件電路通常分為以下幾個部分[1-3]：

1）微處理器電路

2）傳感器信號采集電路

3）負(fù)載驅(qū)動電路

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)計技術(shù)。

1.1.1傳感器信號采集

低壓車用傳感器分為3種類型，電壓型，電阻型和PWM信號型。

電壓型傳感器一般根據(jù)信號電壓的最大值，分為5V和12V，采集電路只需要將濾波后的信號通過電阻網(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導(dǎo)致的采集錯誤。

1.1.2負(fù)載驅(qū)動器

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

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，我們設(shè)計的時候可采用集成式設(shè)計，并且需對電源的供電參數(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，如油門踏板、剎車踏板等電壓信號型傳感器，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)計上必須額外設(shè)計一塊輔助單元電路，用以對主芯片、主通訊電路及各個重要電子功能部件進(jìn)行實時監(jiān)控。

總體上來說，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。

1.2 軟件功能

1.2.1整車驅(qū)動控制

根據(jù)司機(jī)駕駛意圖、車輛狀態(tài)、工況，對驅(qū)動電機(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，精確滿足駕駛員對車輛控制的具體要求。主要包括加減速、恒速、制動和后退等工況。

1.2.2制動能量回饋

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

1.2.3整車能量管理和優(yōu)化

在純電動汽車中，電池除給電機(jī)供電以外，還要給電動附件供電，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，整車控制器將對某些電動附件發(fā)出限制功率指令，來增加續(xù)駛里程。

1.2.4故障診斷和保護(hù)

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

整車控制器可與外部診斷設(shè)備連接并診斷通訊，通過UDS診斷服務(wù)，實現(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)管理是通過共同遵循一種提前約定的機(jī)制，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的高效、安全、及時傳輸?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

國內(nèi)新能源開發(fā)剛起步時，出現(xiàn)了第一代量產(chǎn)型整車控制器產(chǎn)品。

當(dāng)時零部件供應(yīng)商的技術(shù)主要來源于傳統(tǒng)汽車電控ECU，設(shè)計方法、電路、軟件、標(biāo)準(zhǔn)等都來源于發(fā)動機(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年之后國內(nèi)市場迅速成長，整車控制器開發(fā)已形成一套專業(yè)方法，市場上出現(xiàn)成熟的專用產(chǎn)品，如德爾福HCU-2、聯(lián)電VCU、大陸H300等。

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

2.3 高性能，通用化和平臺化

2018年之后至今，整車控制器功能技術(shù)發(fā)展進(jìn)入一個高速階段，為整車控制器高實時性需求、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)品通用化和平臺化的腳步，可以說AUTOSAR+ISO26262的組合代表了目前整車控制器開發(fā)的主要技術(shù)路線。

2.4 域控制和網(wǎng)絡(luò)化

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

以域為單位的域控制器集成化架構(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功能域，例如：動力域、傳動域、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，對控制域內(nèi)原本歸屬各個ECU的大部分功能進(jìn)行綜合監(jiān)控，以此來取代傳統(tǒng)的分布式架構(gòu)。

3 結(jié)論

有人說整車控制器的功能會在新能源技術(shù)發(fā)展和集成化的過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被自然淘汰掉。筆者認(rèn)為，雖然這種思路已經(jīng)被提出來很多年了，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)，會形成一種在技術(shù)實現(xiàn)、傳統(tǒng)延續(xù)、功能性能、價格成本、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。

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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、技術(shù)總監(jiān)，研究方向為新能源電控、動力電池系統(tǒng)開發(fā)。