电动汽车整车控制器设计规范2015-10-15

1、整车控制器设计规范编制 审核 批准 日期XX汽车有限公司1 整车控制器控制功能和原理 12 纯电动客车总成分布式网络架构 13 整车控制器开发流程 33.1 整车及控制策略仿真 43.2 整车软硬件开发 53.2.1整车控制器的硬件开发 63.2.2整车控制器的软件开发 103.3 整车控制器的硬件在环测试 123.4 整车控制器标定 153.4.1整车控制器的标定系统 151 整车控制器控制功能和原理纯电动客车是由多个子系统构成的系统，主要包括储能、驱动等动力系统，以及其它附件如空调等。各子系统几乎都通过自己的控制单元（ECU来完成各自功能和目标。为了满足整车动力性、经济性、安全性和舒适性的

2、目标，一方面 必须具有智能化的人车交互接口，另一方面，各系统还必须彼此协作，优化匹配。 因此，纯电动必须需要一个整车控制器来管理系统中的各个部件。纯电动车辆以整车控制器为主节点的、基于高速CAN总线的分布式动力系统 控制网络，通过该网络，整车控制器可以对纯电动车辆动力链的各个环节进行管 理、协调和监控，提高整车能量利用效率，确保车辆安全性和可靠性。整车控制 器的功能如下：1）车辆驾驶：采集司机的驾驶需求，管理车辆动力。2）网络管理：监控通信网络，信息调度，信息汇总，网关。3）仪表的辅助驱动。4）故障诊断处理：诊断传感器、执行器和系统其他部件故障并进行相应的故障 处理，实时显示故障。5）在线配置

3、和维护：通过车载标准 CAN端 口，进行控制参数修改，匹配标定， 功能配置，监控，基于标准接口的调试能力等。6）能量管理：通过对纯电动客车载耗能系统（如空调、电动泵等）的协调和管 理，以获得最佳的能量利用率。7）功率分配：通过综合车辆信息、电池的 SOC温度、电压、电流和电机的温 度等信息计算电机功率分配，进行有效的能量管理，以保证车辆能量效率达 到最优。8）坡道驻车辅助控制9）坡道起步时防溜车控制2 纯电动客车动力总成分布式网络架构纯电动客车是由多个子系统构成的复杂系统。随着整车经济性、安全性、可 靠性和舒适性要求的提高，纯电动客车上所需要控制的部件越来越多， 各个子系统之间所需要交换的信息

4、也增多，控制系统也就变得越来越复杂。基于总线的分 布式控制结构可以使各个控制模块的功能相对简单， 进而简化系统拓扑结构，提 高可靠性。基于CAN总线的分布式控制网络，是实现众多子系统实现协同控制的理想途径。由于CAN总线具有造价低廉，传输速率高，安全性可靠性高，纠错能力强，实时性好等优点，已广泛应用于中、高价位汽车的实时分布式控制网络，CAN总线正逐渐成为通用的汽车总线标准。采用CAN总线网络还可以大大减少个设备间 的连接线束，并提高系统监控水平。纯电动轿车动力总成控制系统中采用CAN总线交换信息。采用拓扑网络结构，其主要的优点是：电缆短，容易布线；总线 结构简单，又是无源元件，可靠性高；易于

5、扩充，增加新节点只需在总线的某点 将其接入，如需增加长度可通过中继器加入一个附加段。纯电动客车动力总成CAN总线通讯系统的拓扑网络模型如图 1所示。采用CAN2.0B的扩展格式，通信速率采用250K。其中CAN总线上的节点主要包括：整车控制器、电机控制器、发电机控制、动力电池组管理系统、维护终端等智能仪表电机状态/电池状态/车辆信息A扭矩/转速/扭距/转速/控制模式设定图1 CAN总线通讯系统的拓扑网络综合维护终端yVJ标定和维护指A电压/电流限值电压/温度/SOCV充电状态/故障电池管理系统整车控制器通过采集司机驾驶信号， 通过CAN总线对网络信息进行管理，调 度，分析和运算，针对所配置的不

6、同车型，进行相应的能量管理，实现整车驱动 控制、能量优化控制、制动回馈控制和网络管理等功能。电机控制器接受整车控制器的控制和扭矩指令，负责电机的驱动控制，并对 电机状态进行监控以及电机的热管理。电池管理系统执行电池系统的管理， 对电池的电气参数和热参数测量，完成 电量计算和安全管理以及均衡管理。综合维护终端主要应用于车辆调试和标定过程中显示整车各个系统的状态， 并完成匹配标定工作，同时通过综合维护平台可以远程监控车辆的数据和位置。3 整车控制器开发流程现代的开发流程是采用计算机辅助工具来进行的，可以支持从需求定义直到 最终产品的全过程。图2表达了这一流程的简化模式一V模式。自顶向下，开发 逐渐

7、细化最终形成开发的ECU原型。从下向上，通过测试形成与最初设想一致的 产品。提供支持这一流程的工具一直是研究部门与工业厂商的重要课题。德国科技部门联合汽车制造商、开发商、工具提供者、与研究部门共同制定新的开发流 程。经过对国 外汽车著名开发商如：Audi, AVL, BMW, Bosch, Ricardo Engin eeri ng, Sieme ns, Ford等的了解，他们普遍采用现代的设计开发流程：离线功能仿真一快速控制原型一自动代码生成一硬件在回路仿真一参数标定所 构成的“ V模式”新的开发流程符合国际汽车行业标准（ASAM/ASAP。产品阶段功能定艮（建模与仿真）CRUIEE原型MA

8、TLAB/SIMULINKHILS功能测试J参散匹配目标实现件开发图2整车控制器的开发流程在传统的方式下，开发商获得的需求的定义往往还是非正式文本与图表。为了降低对需求描述的不准确性，现在采用计算机可执行的框图与状态流程图来描 述。对于一般的状态流程图或经典的控制算法与信号处理采用 Matlab/Simuli nk/Stateflow作为工具来描述。采用带参数的框图描述控制模型要远远好于文字描述，由于有了自动代码生成工具也就无需再进行手工编程。同时在前期设计的概念就可以通过快速原型进行验证，需求与技术要求在被定义时 就能被确定是否可行。这种可执行的框图描述也会在开发过程中逐渐细化。Matlab

9、/Simuli nk/Stateflow这样的设计与仿真工具也支持控制系统的功能设计。这一集成环境能够完整地定义 ECU勺功能。无论是基于时间的还是基于 事件的算法都可以通过模型来描述。MATLAB/Simuli nk/Stateflow 作为建模及仿 真分析的软件平台，也是实时仿真系统的基础。实时接口库（RTI）无缝集成于Matlab，从而允许用户直接在 Matlab/Simulink 中将已仿真的离线模型轻松转换 为实时模型，并通过实时代码生成工具自动从框图模型生成C代码，自动编译、连接并下载到原型控制器中。综合试验工具软件可以为用户提供全方位的试验管 理，支持可视化硬件管理、变量管理和参

10、数管理，灵活多样的虚拟仪表界面，可 实时记录实验数据和曲线等。集成的一体化开发环境可以实现原型 ECU在方案设计阶段就可以正确地确 定系统的控制逻辑和控制参数。在ECU正式生产前，尽可能多地消除方案设计中 可能存在的缺陷和问题，减少产品设计生产过程中的调试和返工工作量，提高产 品的设计质量，尽可能多地在设计阶段完成各种参数的标定工作，缩短产品的开发周期。后期需要做硬件在线回路仿真，通过建立尽可能逼真的车辆系统模型， 用实时系统实现一个虚拟的工作环境，从而可以在实验室条件下完成对整车及控 制系统的初步测试，减少现场联调测试周期和费用。3.1整车及控制策略仿真采用仿真为主，硬件在环测试和实车标定为

11、辅的方式相结合来研究整车的控 制策略，首先利用Cruise建立纯电动客车的整车模型。在 matlab/simulink 下 建立整车的控制策略模式，利用 Cruise和matlab/simulink 相互耦合就可以在 不同的工况下计算并评价车辆的经济性能、动力性能及控制的平顺性等，从而可 以评价控制策略的优劣和车辆的性能。如图4所示。見4禅力於*Jt竝視Sfi i岂丽。啣 fijr联合仿真控制参数优化 整车匹配标定 控制策略评估 预测整车性能叮1 T 二霉UUi-遷%图4整车控制器软件结构框图CRUISE是由奥地利著名的发动机制造与咨询公司AVL公司开发的，用于研究汽车动力性、燃油经济性、排放

12、性能及制动性能的高级模拟分析软件。其灵活 的模块化理念使得 CRUISE可以对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿真。它可用于汽车开发过程中的动力系统、 传动系统的匹配、汽车性能预测和整车仿真计算；可以进行发动机、变速箱、轮胎的选型及它们与车辆的匹配优化；还可以用于混合动力汽车、纯电动客车的动力系统、传动系统及控制系统的开发 和优化。通过仿真的研究，可以确定整车控制策略，对控制策略中的参数进行初步的 设定。图5显示了在一组工况中仿真数据，从图中就能分析出控制策略的执行情 况，力矩分配的合理性及平顺性等。m图5控制策略中电机和电池参数3.2整车软硬件开发由于纯电动客车整车控制器是在高干扰环境下

13、运行，同时整车控制器是否正 常工作直接影响系统的安全性，因此整车控制器的设计基于高要求、高可靠的基 础进行设计。整车控制器的软硬件的整体需求为：适用于12V的纯电动客车需求，电压的工作范围为 618V;工作的温度范围-40 105 C；软件和硬件架构标准化和模块化；基于实时多任务调度的软件结构；电源反接保护；电源的浪涌，过压保护；ESD呆护（防静电）；功率器件过压，过流，过温保护；输入和输出管脚对地，对电源短接和开路保护及诊断；所有的传感器都具有故障时的默认状态。符合GB/T 2423.1电工电子产品基本环境试验规程试验 A:低温试验方法 的规定。符合GT/T 2423.2电工电子产品基本环境

14、试验规程 试验B:高温试验方 法的规定。符合GB/T 2423.10电工电子产品环境试验 第二部分：试验发放 试验Fc 和导则：振动（正弦）的规定。符合GB/T 4942.2低压电器外壳防护等级的要求。符合GB/T 17619机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法 的规定。3.2.1 整车控制器的硬件开发根据功能把纯电动客车整车控制器可以划分为：微处理器模块，电源模块， 模拟量和数字量接口模块，功率驱动模块，通信模块等组成。其中微处理器模块 是整个控制系统中的核心模块，也是控制方法实现的载体。模拟量输入接口和油 门踏板传感器，制动压力传感器等相连，模拟量输入接口对上述传感器的信号进

15、行滤波和整形，使传感器的信号能被单片机可靠采集。 数字量输入接口与模式开 关、巡航开关，空档开关，档位开关，刹车开关，空调开关，诊断请求和车速传感器等开关信号相连，经信号处理后送入单片机，微处理器获得司机的驾驶操作， 从而能精确地控制整个的功率；电源模块的功能是将纯电动客车上的蓄电池的电 压转换成控制单元所需要的电压，同时电源模块还提供两路5V电源输出给传感器供电。通信模块包括SCI、CAN接 口。CAN接口的功能是把单片机的 CAN模块 的TTL电平转换成CAN总线的物理电平，来与整车的动力系统、仪表及车身总线 进行数据交换，功率驱动模块负责接收微处理器的 TTL电平，驱动纯电动客车上 的继

16、电器等执行器。同时功率驱动模块还通过I/O 口或同步串行通讯与微处理器 模块相连进行故障诊断。1) 微处理器模块在整车控制器设计中，单片机模块是整个整车控制器的关键部分，算法和控 制策略运行的载体，也直接关系到整个控制策略的实时性， 能很好满足纯电动客 车对控制策略的实时运行。微控制器模块是能使微控制器能正常、 可靠工作的基本电路，主要包括：时 钟、启动配置、复位电路等。2) 电源模块电源模块是整个ECU中的核心模块，它的直接关系到整个ECU的正常工作情 况。而电源模块的使用环境非常恶劣， 电池电压变化范围较大，还存在浪涌对电 源模块的冲击。为了保证系统的可靠性，电源模块的设计指标是：工作电压

17、：DC6V- DC18V两路传感器供电(电流限制、短路保护、过温保护)反压保护：20V延时掉电控制上电复位控制电源监控电源模块还应该提供5V电源给油门踏板等传感器供电。这样的设计还能保 证当外部传感器电源短路时控制控制系统还能正常工作，保证系统的安全可靠。3) 模拟量和数字量接口模块模拟量和数字量接口模块是整个 ECU中的控制基层，没有正确、可靠的信号 输入，再复杂和有效的控制策略也不可能得出良好的控制结果，同时所有的传感器输入线路还有可能会出现各种的短接故障，为了保护控制单元，模拟量和数字量接口模块还必须具有故障保护和诊断功能。因此本次模拟量和数字量接口模块的设计指标是：对地、对电源短接保护

18、开路、对地、对电源短接诊断所有的传感器都具有故障时的默认状态ESD呆护低通滤波4) 功率驱动模块整车控制器的功率驱动模块最主要集中在继电器的驱动，同时还需要有一定 的预留量，因此功率驱动模块的设计指标是：过压，过流，过温，对地、电池短接保护ESD保 护对地、电池短接、开路诊断为了使系统比较简单、可靠，在设计中应采用了集成、智能的功率芯片，其 集成了过压、过流和过温检测，保证系统的可靠性。通过软件的诊断及保护配合 能确保系统在故障情况下的自我保护。5) 通信模块在整车控制器的通信模块设计中，通信模块中有两种方式和外设相连，它们分别是：两路CAN总线(2.0B)和SCI。CAN总线(2.0B)主要

19、用于动力系统的控制 和仪表、车身总线的控制，其设计指标为：CAN2.0B波特率达到1 MBaud适用于12V系统高的抗干扰性CAN线对地和对电源保护过温保护宽工作温度(-40 C到150 C)6) 硬件可靠性设计ECU在外围传感器和执行器发生故障时，必须能够自我保护，不至于损坏ECU因此在硬件设计中必须具有如下的保护功能：电源反接保护电源的浪涌，过压保护ESD呆护（防静电）功率器件过压，过流，过温保护对地，对电源短接和开路保护及诊断地线丢失保护7）控制器中芯片选型原则针对一定的用途适当的，恰当选择微处理器是设计过程中首先需要确定 的。对于明确的对象，选择功能过少的微处理器，无法完成控制任务；选

20、择 功能过强的微处理器则会造成资源浪费，使性能价格比下降。为此确定了如 下选型原则a）适用性。所谓适用性就是能否用一个单片机完成对系统的控制，或者需要增加附加的电路才能实现控制的目的。为此，首先应该考虑是否含有所需的I/O端口的数目，这是选型过程的一个基本参考；其次是否有合适的吞吐量，即针 对应用系统的需要，单片机所具备的执行控制时的处理能力，主要表现在运 行速度、指令功能、指令周期的长短、中断能力和堆栈大小等指标上；第三 极限参数是否满足要求，这里是指在特定的应用环境下，使用的温度范围、 电压范围、最大功耗、最大电流等参数。b）可购买性。为保证研究工作是否可实现的角度出发了解可购买性是十分必

21、要的。首先要了解所选择的器件是否可直接购买到，这里包括购买的途径是否顺畅、 方便，特别是销售服务是否跟得上；其次需了解是否有足够的供应量，一般 而言，只要供应量充足的器件在质量方面是有保障的；第三了解是否在仍在 生产或改进之中，这一点十分重要，如果已经停产则表明已无后续供货能力， 如在改进中则表明可能还存在某些问题。c）可开发性。这是一个十分重要的因素，所选择的单片机是否有足够的开发手段，直 接影响能否顺利开发，如果没有足够的开发手段，则不宜选择有关的应用系 统，同时首先应关注编译软件，要考虑编译工具的提供是否方便、 运行环境、 使用是否方便等；其次是调试工具，一个好的调试工具是加快开发过程的

22、必 要前提；其三是考虑技术支持能力，在遇到问题时应能得到及时的技术支持； 第四是开发语言的体系与熟悉程度，这是体现可开放性的一个重要方面。322 整车控制器的软件开发整车控制器需要应该能适用不同的纯电动客车的要求， 因此需要通用的纯电 动客车整车控制器软件平台架构，共享模块的标准化。因此整车控制器应该符合 汽车AUTOSA软件结构的特殊要求。AUTOSAR气车开放系统架构），汽车开放系 统架构联盟是由全球汽车制造商、 部件供应商及其他电子、半导体和软件系统公司联合建立，各成员保持开发合作伙伴关系。自2003年起，各伙伴公司携手合作，致力于为汽车工业开发一个开放的、标准化的软件架构。AUTOSA

23、这个架构有利于车辆电子系统软件的交换与更新，并为高效管理愈来愈复杂的车辆电子、 软件系统提供了一个基础。此外，AUTOSA在确保产品及服务质量的同时，提高 了成本效率。参考 AUTOSA对于软件的框架（如图6所示），把整车控制器的软 件框架如图7所示。软件采用了分层的模块化体系结构。 整个软件由一系列具有 标准结构的软件功能模块构成，满足了软件的可配置的需求。Application Layer图6 Autosar 软件结构框图应用层通 信 管 理驾 驶 解 释车 辆 驱 动能 量 管 理故 障 诊 断维护管理MAP文件实时任务调 度系统存储服务通信服务IO硬件抽象复杂的驱动 库存储硬件抽象通信

24、硬件抽象存储驱动通信驱动IO驱动函数库板上设备抽象单片机驱动图7整车控制器软件结构框图整车控制器的软件包括：微处理器抽象层（I/O驱动、通信驱动、存储驱动 和单片机驱动），ECU抽象层（I/O硬件抽象、通信硬件抽象、存储硬件抽象和 ECU板上设备的驱动），服务层（实时任务调度系统、函数库、存储服务和通信 服务），复杂驱动函数库和应用层组成。微处理器抽象层是基础软件中最低的层， 它包含各种驱动，是一个个软件模 块，用于直接访问微控制器内的外设和外围接口。 微控制器抽象层提供统一的接 口，使上层软件独立于微控制器。其包括：I/O驱动、通信驱动、存储驱动和单 片机驱动。ECC抽象层连接微处理器抽象层

25、的软件，它包含外部设备的驱动，为ECU提供外围设备的驱动程序，ECC抽象层的实现与ECU硬件相关，与微控制器无关。 ECU抽象层不对硬件直接操作，都是通过微控制器抽象层的接口实现。其包括： I/O硬件抽象、通信硬件抽象、存储硬件抽象和 ECU板上设备的驱动。复杂驱动库是一整个模块，不进行层次划分。它为处理复杂传感器和执行器 实现特殊的功能和定时需求。它包含处理复杂的传感器和执行器的驱动模块，实 现上与微控制器、ECUffi具体应用密切相关。包含如电动子节气门驱动等模块。服务层是基础软件中最高的层，为应用和基础软件模块提供基本服务， 服务 层的实现部分与微控制器、ECU硬件和具体应用无关，服务层

26、在很大程度上独立 于硬件系统。其包括：实时任务调度系统、函数库、存储服务和通信服务等。应用层是整个软件中的最高层，针对纯电动客车的专门应用程序，应用层完 全独立于微处理器和ECU系统。只需要配置不同的能量管理算法就能适用不同的车型。应用层主要包括：能量管理、维护管理、故障诊断、车辆驱动、通信管理 和驾驶解释等。IMATLAB / Simuli nk / Stateflow仿真控制策略TargetL ink整车控制器图8能量管理算法开发流程为了设计出可靠、高效的能量管理策略，借助于 matlab的离线仿真技术， 通过大量离线仿真可以在减少实车测试的情况下开发出较好的能量管理策略，同时为了避免从开

27、发阶段到实现阶段的沟通问题，保持各阶段之间的一致性，能量管理算法开发采用TargetLink自动代码生成，如图8所示。3.3整车控制器的硬件在环测试电控单元（ECU的复杂程度快速增加，控制算法与功能不断增强，对整车而 言还集成了各种总线通讯功能、在线故障诊断 （OBD等功能。传统的检测方法面 对复杂的测试需求开始显得力不从心，硬件在环（HIL ）测试是一套与电子控制器真实连接的测试系统，用于检测整车控制器控制功能及逻辑错误、故障等。由 于总线技术的发展与成熟，现在汽车已经通过网络实现分布式控制功能。而各个 ECU之间的交互作用增加，例如共享传感器、计算信息和执行器等。同时，网络 支持多种总线系

28、统（CAN LIN、MOST FlexRay），并且对于整车控制器而言，其 核心的控制功能又是基于 CAN网络，网络中的ECU大部分由不同的厂商提供，这 些都又可能成为潜在错误来源（存在产品召回的风险），因此整车控制器的测试采 用了基于dSPACE勺硬件在环测试。整车控制器预采用基于dSPACE勺硬件在环测试系统，如图9所示。首先通 过Matlab/Simulink 建立除整车控制器外的其他纯电动客车实时仿真模型，建立的模式可以通过RTW接口下载到dSPAC中，通过实时仿真模型dSPAC具有以下的功能：1）产生加速踏板、制动踏板和钥匙等控制信号；2）产生档位信号；3）实现与控制器的CANS信4

29、）设置总成部件的状态参数，改变边界条件；5）设置各种传感器故障；6）实时将车辆运行状态参数传给控制器；通过硬件在环测试系统就可以模拟除整车控制器外的整个电动系统，能够在上车之前对整车控制器的控制功能及控制策略进行全面的测试。L&s_ModelUser in terfacec图9基于dSPACE系统的硬件在环测试系统整车控制器在硬件在环测试系统中需要测试的功能如表13所示:表1:整车控制器硬件功能测试序号测试内容要求1CAN总线收发功能满足设计要求2CAN总线数据的接受和发送的时间和正 确性测试满足设计要求3开关量米集功能满足设计要求4模拟量采集功能满足设计要求5功率驱动控制功能满足设计要求表2

30、 :整车控制器基础控制策略功能测试序号测试内容要求1与电机控制器和电池管理系统等的握 手功能测试满足设计要求2工况判断的功能测试满足设计要求3驱动控制策略测试满足设计要求4滑行控制策略测试满足设计要求5制动控制策略测试满足设计要求6真空泵、空调和暖风等附件控制策略测试满足设计要求7坡道制动辅助等功能测试满足设计要求表3:整车控制器故障处理功能测试序号测试内容要求1电池总电压过高及过低情况保护功能 测试满足设计要求2电池单体电压过高及过低情况保护功能测试满足设计要求3电池温度过高及过低情况保护功能测 试满足设计要求4电机温度过高情况保护功能测试满足设计要求3.4整车控制器标定341整车控制器的标

31、定系统整车控制器采用国际上标准的CCP来实现整车控制器的标定。CCP(CANCalibratl/On Protocol)是一种基于CAN总线的应用协议，该协议为标定系统开 发提供了标准平台。CCP主要用于电控单元数据标定及测量，最初由Audi、BMWVMercedes-Benz、Volkswagen 等欧洲汽车公司成立的标准化组织 ASAP(Sta ndardizatl/O n of ApplicatI/ On CalibratI/ On Systems Task Force) 发展而来，由于该系统在电控系统开发方面的强大优势，因此已逐渐为世界各大汽车公司所采用。整车控制器的标定框图如图10所

32、示，CCP的标定工具从符合ASAP麻准的A2L文件中读取E内部变量的描述，再根据CCP协议的规定发送命 令，从而获取或标定整车控制器的变量。图10基于CCP的整车控制器标定协议由于监控及标定界面与CAN总线上的一个或多个从机连接。图 11为CCP主 从模式的通信配置示意图。监控及标定界面通过整车控制器站地址的配置实时地 建立监控及标定界面和整车控制器之间的逻辑连接。该连接在其他ECU的地址被 选中或当前连接通过指令被明确断开之前一直有效。图11 CCP主从模式的通信配置示意图建立逻辑连接后，监控及标定界面和整车控制器之间所有的数据传递均由监 控及标定界面控制，整车控制器执行监控及标定界面命令后返回包含命令响应值 或错误代码等信息的报文。整车控制器都定时地根据由监控及标定界面通过控制 命令所设置的列表来传递内部的数据。所以说数据的传递是由监控及标定界面初 始化并且由整车控制器来执行的，并且是由固定的循环采样频率或者事件触发 的。342 纯电动客车整车控制器的标定流程1）传感器的校正不同的传感器的电压及电阻值存在着微小的区别， 需要对传感