純電動汽車整車控制器開發的探討

羅水平

純電動汽車整車控制器開發的探討

羅水平

福建新龍馬汽車股份有限公司

本文簡單介紹純電動汽車整車控制系統結構、整車控制器組成；并結合dSPACE開發平臺說明VCU開發流程；最后對實際開發的VCU的系統構架及功能進行說明。

純電動汽車；VCU；開發；功能

眾所周知，純電動汽車是由車載儲能裝置獲得電力，以電機驅動的車輛。作為純電動汽車的核心部件——整車控制器（VCU，vehicle control unit）對于純電動車的作用猶如大腦對人的作用的關系一樣至關重要。

1 整車控制系統結構

純電動汽車整車控制系統可分為組織層、中間層、執行層，其系統分層結構如圖1所示。最底層是執行層，由部件控制器和一些執行單元組成，其任務是正確執行中間層發送的指令，并且有一定的自適應和極限保護作用；中間層是協調層，其核心就是VCU，VCU一方面對駕駛員的各種操作以及車輛當前所處的狀態解釋出駕駛員的意圖，另一方面，根據執行層當前的狀態，做出最佳的協調控制；最高層是組織層，為駕駛員或自動駕駛儀。組織層、中間層、執行層三者形成閉環控制系統，來實現車輛控制。

圖1 純電動汽車分層結構控制系統

2 整車控制器組成

VCU作為純電動汽車控制系統最核心的部件，其承擔了數據交換、安全管理、駕駛員意圖解釋、能量流管理的任務。根據重要程度和實現次序，VCU的功能劃分如圖2所示。

2.1 數據交換層

該層對直接饋入整車控制器的物理量信息（如駕駛員的操作反饋的信息和其它執行部件的工作狀態信息）進行采樣處理，并通過I/O、D/A和PWM，提供對顯示單元、繼電器等的控制信號。

2.2 安全故障管理層

車輛出現故障時，故障只體現在數據交換層。在檢測出故障后，該層會做出相應的處理，在保證車輛安全性的條件下，給出執行部件可供使用的范圍，以盡可能滿足駕駛員的駕駛意圖。

2.3 駕駛員意圖解釋層

駕駛員的所有與駕駛操作相關的操作信號都直接進入整車控制器，整車控制器對采集的信息進行處理分析，計算出驅動系統的目標轉矩和車輛行駛時的需求功率來實現駕駛員的駕駛意圖。

2.4 能量流管理層

該層的主要工作是能量源之間進行需求功率分配。

圖2 VCU功能劃分

3 整車控制器開發模式

要實現整車控制器數據交換、安全管理、駕駛員意圖解釋、能量流管理的功能，必須設計合理的硬件和軟件。整車控制器開發流程主要有傳統和現代兩種流程。

3.1 傳統開發流程

傳統的開發流程通常采用串行開發模式，即①應用需求分析；②提出系統需求并進行功能定義；③硬件設計；④面向硬件的代碼編寫；⑤完成軟硬件和外部接口集成；⑥系統進行測試和標定。

3.2 現代開發流程

VCU的開發采用先進的并行開發模式——V模式開發流程。V模式開發流程是由德國dSPACE公司提出的，基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件平臺；dSPACE除了具有很強的處理和控制能力以外，更重要的是實現了和MATLAB/Simulink的無縫連接。其所帶的ControlDesk可以方便地實現數據顯示和在線調節控制參數。 dSPACE提出的V模式開發流程如圖3所示。

圖3 V模式開發流程圖

第一步是功能定義和離線仿真。明確控制器應具備的功能，為硬件設計提供依據；同時借助MATLAB建立整個控制系統（含控制器和被控對象）的仿真模型，并進行離線仿真，運用軟件仿真的方法設計和驗證控制算法。

第二步是快速控制器原型和硬件開發。從上述控制系統的MATLAB仿真模型中單獨取出控制器的模型，結合dSPACE的物理接口模塊（如A/D、I/O、RS232等），來實現與被控對象的物理連接；運用dSPACE提供的編譯工具生成可執行程序，并下載到dSPACE中。dSPACE此時作為目標控制器的替代物，可方便地實現控制參數的在線調試和控制邏輯調節。在進行離線仿真和快速控制器原型的同時，完成硬件的功能分析并進行硬件的設計、制作，并根據軟件仿真的結果對硬件進行完善、修改。

第三步是目標代碼生成。在確定了整車控制器的控制算法，并通過dSPACE進行了算法驗證，同時硬件設計、制作也形成了最終實體ECU后，運用dSPACE的輔助工具TargetLink生成ECU代碼，編寫ECU的底層驅動程序，兩者結合后，將生成的代碼下載到ECU中。

第四步硬件在環仿真。其目的為驗證ECU的功能。在這個環節中除電控單元是真實部件外，其它被控對象也可以是真實部件。

第五步調試和標定。把經過硬件在環仿真驗證的ECU連接到完全真實的被控對象，進行實際運行驗證和調試。

4 整車控制器開發

實際開發的VCU可為純電動汽車提供四種運行模式：起動模式、前進模式、倒車模式、爬坡模式。為能滿足各種不同的運行模式需求而開發的VCU，其主要組成原件ECU、VCU系統構架、VCU系統功能以及VCU的輸入和輸出分別介紹如下：

4.1 主要組成原件ECU

ECU采用Infineon SAK-XC2287-96FxxL型微處理器，該處理器為16位處理器，其規格如表1：

表1 微處理器規格

4.2 VCU系統構架（如圖4）

圖4 VCU系統構架圖

4.3 VCU系統功能（如圖5）

圖5 VCU系統功能

4.4 輸入

（1）車速傳感器 (Speed Sensor)：提供車速信號，供VCU判斷行車狀態；

（2）加速踏板開關 (Accelerator)：提供加速信號，供VCU判斷行車狀態；

（3）鑰匙開關 (Key Switch)：提供信號，告知VCU，當前鑰匙開關是否起動；

（4）檔位開關 (P,R,D)(Gear Switch)：提供檔位信號，供VCU判斷行車狀態及電機轉速輸出狀態；

（5）電機控制系統 (MCS)：提供電機電流信號，供VCU判斷電機運轉時所需的扭矩；

提供電機溫度信號，供VCU判斷電機是否過熱；提供轉速信號，供VCU判斷行車狀態；

（6）電池 (Battery)：提供電池系統電壓信號，供VCU判斷電機運轉時所需的電壓以及判斷電池系統當前的SOC；

（7）制動開關 (Brake Switch)：提供當前制動信號，供VCU判斷行車狀態以及電機輸出轉速；

（8）組合開關 (Column Switch)：提供燈組控制信號、雨刮控制信號、儀表顯示信號，供VCU判斷并發出執行指令；

（9）主接觸器(Active Relay)：主接觸器工作時，接通主電源至MCS；

（10）換向接觸器(Commutate Relay)：提供信號供VCU判斷并控制MCS驅動電機正（反）轉；

（11）直流-直流變換器 (DC-to-DC Converter)：通過直流-直流變換器，提供12電源給VCU使用。

4.5 輸出

（1）組合儀表(Meter)：VCU輸出信號至儀表，控制儀表顯示當前的行車狀態，包括燈光、車速、電量、警示等；

（2）PWM輸出(PWM Outputs)：VCU根據當前行車狀態以及駕駛員的操作動作，控制MCS驅動電機加速或減速；

（3）燈光系統(Lamp System)：當組合開關有動作時，VCU驅動車輛行駛時所需的左/右轉向、遠/近光、霧燈等燈光工作；

（4）雨刮系統(Wiper System)：當組合開關有動作時，VCU發出指令驅動車輛的雨刮系統工作；

（5）通訊（Communication）：VCU通過UART串列傳輸，作為VCU數據采集與性能調校；CAN（J1939）作為VCU與儀表進行信號通訊的管道。

4.6 實體圖

圖6 為新開發的VCU實體；圖7為搭載新新開發的VCU的純電動微型載貨車。

圖6 VCU 實體圖

圖7 純電動微型載貨車

5 結語

本公司針對某型號純電動微型載貨車開發的VCU在實車上做匹配性試驗。實踐證明，搭載該VCU時，車輛的動力性能、駕駛舒適性以及整車的協調控制性等均達到預期的目的。從成本方面考慮，該型號VCU成本也控制在預期目標中。VCU開發是成功的。

[1] 陳全世,仇斌,謝起成,等.燃料電池電動汽車[M].北京：清華大學出版社, 2005.

[2] 胡驊,宋慧.電動汽車[M].北京:人民交通出版社,2006.

Discussion on Developement for VCU of Pure Electric Vehicle

Luo Shuiping

(Fujian New longma Motor CO.,Ltd , Longyan Fujian ,364000)

This paper briefly describes the structure of vehicle control System, VCU layering structure, and describes the develop process of VCU based on dSPACE platform. Finally, introduces the system frame and functions of VCU.

Pure electric vehicle VCU Development Function