纯电动汽车整车控制器(VCU)设计方案

1、纯电动汽车整车控制器（VC）设计方案纯电动汽车整车控制器设计方案书目录1整车控制器控制功能和原理（1）电动汽车动力总成分布式网络架构整车控制器开发流程整车及控制策略仿真整车软硬件开发整车控制器的硬件开发整车控制器的软件开发整车控制器的硬件在环测试整车控制器标定整车控制器的标定系统电动汽车整车控制器的标定流程1整车控制器控制功能和原理电动汽车是由多个子系统构成的一个复杂系统，主要包括电池、电机、变速箱、制动等动力系统，以及其它附件如空调、助力转向、C（及充电机等。各子系统几乎都通过自己的控制单元来完成各自功能和目标。为了满足整车动力性、经济性、安全性和舒适性的目标，一方面必须具有智能化的人车交互

2、接口，另一方面，各系统还必须彼此协作，优化匹配。因此，纯电动汽车必须需要一个整车控制器来管理纯电动汽车中的各个部件。纯电动车辆以整车控制器为主节点、基于高速c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，管理车辆的动力。2网）络管理：监控通信网络，信息调度，信息汇总，网关。3故）障诊断处理：诊断传感器、执行器和系统其他部件的故障，并进行相应的故障处理，按照标准格式存储故障码。在线配置和维护：通过车载标准c端口，进行控制参数修改，匹配标

3、定，功能配置，监控，基于标准接口的调试能力等。5能）量管理：通过对电动汽车车载耗能系统（如空调、电动泵等）的协调和管理，以获得最佳的能量利用率。功率分配：通过综合电池的c温度、电压、电流和电机的温度等车辆信息计算电机功率的分配，进行车辆的驱动和制动能量回馈控制。从而在系统的允许下能获得最佳的驾驶性能和续航里程。附电控制：根据各附电系统的控制逻辑对真空助力泵、水泵、冷却风扇等进行相应的控制。8坡）道起步时驻坡控制。2电动汽车动力总成分布式网络架构控制结构可以使各个控制模块的功能相对简单，进靠性。基于CAN总线的分布式控制网络，是实现众多由于CAN总线具有造价低廉，传输速率高，安全勺时性好等优点，

4、已广泛应用于中、高价位汽车的实线正逐渐成为通用的汽车总线标准。采用CAN间的连接线束，并提高系统监控水半。纯电动汽车畐总线交换信息。采用拓扑网络结构.其主要的优点结构简单，乂是无源元件，可靠性高；易于扩充，将其接入，如需增加长度可通过中继器加入一个附电动汽车动力总成CAN总线通讯系统的拓扑CAN2.0的标准格式。其中CAN总线上的节点主,制器、动力电池组管理系统、充电机、DCDC等。整千控制器采集司机驾驶信号，通过CAN总纣图1野马纯电动汽车CAN网络架构电动汽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，电动汽车上所需要控制的部件越来越多，各个子系统之间所

5、需要交换的信息也增多，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，是实现众多子系统协同控制的理想途径。由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AN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。纯电动汽车动力总成控制系统中采用N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；易于扩充，增

6、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。电动汽车动力总成CAN总线通讯系统的拓扑网络模型如图所示。采用CAN2.0的标准格式。其中CAN总线上的节点主要包括：整车控制器、电机控制器、动力电池组管理系统、充电机JCDC等。整车控制器采集司机驾驶信号，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，

7、完成电量计算和安全管理以及均衡管理。监控标定软件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。3整车控制器开发流程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辅的方式相结合来研究整车的控制策略，首先利用Cruise搭建电动汽车的整车模型。在matlab/simulink下建立整车的控制策略模型，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。如图所示。控制参数优化整车匹配标定控制策略评估预测整车性能图2整车控制器控制策略仿真框图C

8、RUISE是由奥地利著名的发动机制造与咨询公亀VL公司开发的，用于研究汽车动力性、燃油经济性、排放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；可以进行电动机、变速箱、轮胎的选型及它们与车辆的匹配优化；还可以用于电动汽车的动力系统、传动系统及控制系统的开发和优化。通过仿真的研究，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。图3控制策略中电机和电池参数川3.2整车软硬件开发厂乂fm适用于12V的不同类型的电动汽2奶16V;工作的温度

9、范围4085；由于电动汽车整车控制器是在高干扰环境下运行，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：软件架构标准化和模块化；I-.-电源反接保护；电源的浪涌，过压保护；ESD保护（防静电）；符合GB/T2423.1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/T2423.2电工电子产品基本环境试验规程试验B:高温试验方法的规定。符合GB/T2423.10（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/T4942.2低压电器外壳防护等级的要求。3.

10、2.1整车控制器的硬件开发根据功能把纯电动汽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。数字量输入接口与档位开关，刹车开关，空调PTC开关，水泵故障信号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车的功率；电源模块的功能是将电动汽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

11、模块还提供三路5V电源输出给传感器供电。通信模块即CAN接口模块，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、仪表及车身相关总线进行数据交换，功率驱动模块负责接收微处理器的L电平，驱动电动汽车上的继电器等执行器。同时功率驱动模块还支持故障回读功能。）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，能很好满足电动汽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VCU中

12、的核心模块，它直接关系到整个/CU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：DC9VDC16V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/CU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

13、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、对电源短接保护开路、对地、对电源短接诊断ESD保护低通滤波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：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。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，通信模块中有三路AN总线（2.0BLCAN总线（2.0B庄要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波特率最高可达到

14、1MBaud适用于12/系统高的抗干扰性CAN线对地和对电源保护6）硬件可靠性设计VCU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VCU,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保护（防静电）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

15、有所需0O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

16、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、运行环境的使用是否方便等；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。3.2.2整车控制器的软件开发整车控制器需要能适用不同的纯电动汽车的要求，因此需要通用的电动汽车整车

17、控制器软件平台架构，共享模块的标准化。因此整车控制器应具有模块性、可读性、可移植性和可扩展性，软件框架如4图所示。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。图4整车控制器软件结构框图整车控制器的软件包括：物理层（O配置、CAN通信配置和ADC配置等），驱动层CAN信息接收发送、AD、IO等）,中间层（实时任务调度系统、函数库、存储服务和通信服务）和应用层组成。物理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。物理层提供统一的接口，使上层软件独立于微控制器。驱动层连接物理层的软件，

18、它包含外部设备的驱动，为CU提供外围设备的驱动程序，VCU驱动层的实现与VCU硬件相关，与微控制器无关。VCU驱动层不对硬件直接操作，都是通过微控制器物理层的接口实现。中间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，中间层的实现部分与微控制器、VCU硬件和具体应用无关，中间层在很大程度上独立于硬件系统。应用层是整个软件中的最高层，针对电动汽车的专门应用程序，应用层完全独立于微处理器和U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。3.3整车控制器的硬件在环测试电控单元（VCU）的复杂程度快速增加

19、，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CU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统，并且对于整车控制器而言，其核心的控制功能又是基于网络，网络中的控制器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硬件在环测试。整车控制器采用硬件

20、在环测试系统。首先通过atlab/Simulin建立除整车控制器外的其他电动汽车部件的实时仿真模型，实时仿真模型具有以下的功能）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CAN通信4）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；7捕捉VCU的控制参数。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。整车控制器在硬件在环测试系统中需要测试的功能如表3所示：表1：整车控制器硬件功能测试序号测试内容要求CAN总线收发功能满足设计要求CAN

21、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开关量采集功能满足设计要求模拟量采集功能满足设计要求功率驱动控制功能满足设计要求表2：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驱动控制策略测试满足设计要求滑行控制策略测试满足设计要求制动控制策略测试满足设计要求真空泵、空调和暖风等附件控制策略测试满足设计要求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电池总电压过高及过低情况保护功能测试满足设计要求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电池温度过高及过低

22、情况保护功能测试满足设计要求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3.4.1整车控制器的标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（CANCalibrateIn/OnProtoc（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、BMW、Mercedes-Benz、Volkswagen等欧洲汽车公司成立的标准化组织ASAP（StandardizatI/OnofApplicatI/OnCalibratI/OnSystemsTaskForce发展而来，由于该系统在电控系统开发方面

23、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所示,M整丰揑1ja.jMrCalibrateI:?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连接。该连接在其他vcu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6CCP主从模式的通信配置示意图建立连接后，监控及标定界面和整车控制器之间由监控及标定界面通过控制命令所设置的列表来3.4.2电动汽车整车控制器的标定流程图5基于ccp的整车控制器标定协议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。整车控制器定时地根据传递内部的数据。数据的传递是由监控及标定界面初始化并由整车控制器来执行的，另外是由固定的循环采样频率或者事件触发的。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，需要对传感器的范围进行校正。整车控制器的传感器的校正主要是油门踏板传感器。利用在线监控及标定软件对其范围进行校正。2）开关状态的确定为了确保整个车辆控制策略的运行状态，需要确定钥匙开关状态、挡位的开关状态、空调、暖风的开关状态、运行模式的开关状态是