纯电动汽车整车控制器（VCU）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)2 电动汽车动⼒总成分布式⽹络架构 (2)3 整车控制器开发流程 (3)3.1 整车及控制策略仿真 (3)3.2 整车软硬件开发 (4)3.2.1 整车控制器的硬件开发 (5)3.2.2 整车控制器的软件开发 (8)3.3 整车控制器的硬件在环测试 (9)3.4 整车控制器标定 (11)3.4.1 整车控制器的标定系统 (11)3.4.2 电动汽车整车控制器的标定流程 (12)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、DCDC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。
4)在线配置和维护：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。
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。
6)功率分配：通过综合电池的SOC、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。7)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
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。纯电动汽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。
电动汽车动⼒总成CAN总线通讯系统的拓扑⽹络模型如图1所⽰。采⽤CAN2.0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、DCDC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，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2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
CRUISE是由奥地利著名的发动机制造与咨询公司A 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，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3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。
图3 控制策略中电机和电池参数3.2 整车软硬件开发
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：
适⽤于12V 的不同类型的电动汽车需求，电压的⼯作范围为9~16V ； ⼯作的温度范围-40 ~ 85℃；软件架构标准化和模块化；电源反接保护；电源的浪涌，过压保护；ESD 保护(防静电)；
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。3.2.1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TTL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。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中的核⼼模块，它直接关系到整个VCU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：DC9V～DC16V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VCU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CAN总线(2.0B)。CAN 总线(2.0B)主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 1 MBaud适⽤于12V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，不⾄于损坏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
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，软件框架如图4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（IO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，它包含外部设备的驱动，为VCU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VCU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，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VCU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CAN 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在环测试系统。⾸先通过Matlab/Simulink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：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1~3所⽰：表1： 整车控制器硬件功能测试序号测试内容要求
1 CAN总线收发功能满⾜设计要求2 CAN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 开关量采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： 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(CAN Calibrate In/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 、BMW 、Mercedes-Benz 、V olkswagen 等欧洲汽车公司成⽴的标准化组织ASAP
(StandardizatI/On 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5所⽰，
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6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5 基于CCP 的整车控制器标定协议
图6 CCP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。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。3.4.2电动汽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否与设计的⼀致。3）执⾏器状态的确定为了确保整个车辆控制策略的运⾏状态，需要确定指⽰灯、继电器控制状态是否正常。4）指令接收的确定
利⽤在线监控及标定软件调⽤整车控制器的调试软件，查看整车控制器对电机控制器和电池管理系统等部件发送的信息接收的正确性。5）电机控制器的指令接收
利⽤在线监控及标定软件调⽤整车控制器的调试软件，发送特定的电动机控制指令及功率或扭矩指令，确定电机控制器是否能正常响应整车控制器指令。6）整车附件控制参数的标定空调管理的参数标定：空调开启时电池的SOC状态，空调关闭的SOC条件。
暖风管理的参数标定：暖风开启时电池的SOC状态，暖风关闭的SOC条件。7）驱动⼯况试验
驱动⼯况的标定主要参考每个控制策略的参数。调整驱动模式策略参数中的各MAP，具体需参考每个车型的控制策略。8）车辆滑⾏时的制动⼒矩控制策略的标定
滑⾏时可以利⽤电机进⾏回馈回收⼀部分动能，但回收过程受驾驶的舒适性、电池的接受能⼒的，同时还得兼顾回收时转速降太快时⽽导致的需要加速的能量进⼀步损失。因此标定的主要参数包括：
考虑驾驶舒适性的不同转速下的滑⾏充电功率；在不同SOC下电池能接收的最⼤充电功率；
回收的撤出条件，如转速下限，具体参考不同车辆的控制策略。9）制动⼯况策略及MAP的标定
制动时为了整车的经济性，主要应考虑能量的回收，并兼顾车辆的舒适性。其标定的参数包括：制动模式⼒矩进⼊⽅式，考虑司机的驾驶感觉，制动⼒矩的进⼊尽量避免突加突减。在不同SOC下制动时电池能接收的最⼤充电功率；10）故障与预警情况下控制策略参数标定
由于纯电动的运⾏受到了电池和电机等参数的影响，在实际运⾏过程中为了保证车辆的正常运⾏和安全性，必须对以下参数进⾏标定。电池的最⼤充电电压和最低放电电压；电池单体的最⾼和最低电压值；电池的最⾼和最低温度；电机和电机控制器的最⾼温度；电池不同SOC下的最⼤充放电功率的；
