汽車智能電子控制系統設計開發與研究

包蕾

汽車智能電子控制系統設計開發與研究

包蕾

（河北優控新能源科技有限公司 系統應用部，河北 石家莊 050000）

智能汽車電子控制系統是在整車控制過程中非常重要的系統組成，在新能源汽車，尤其是純電動汽車行業的地位尤其重要。在此控制系統中，主要是由整車控制器VCU、高級輔助駕駛系統ADAS、制動系統IBooster、轉向控制系統EPS及中控系統組成。此項目以整車控制器VCU為主導，通過和ADAS的信息交互共同實現自動跟車ACC、緊急制動AEB、車道保持LKA、自動泊車輔助APA等功能。同時，此智能汽車電子控制系統具有車道偏離報警LDW、前碰撞預警FCW、后面防碰撞輔助報警RCTA、盲點監測BSD、并線輔助危險報警LCA功能。整車控制器VCU通過各個系統和本身傳感器的信號得知車輛當前工況信息，智能控制車輛各個部件實現主動安全及滿足駕駛者的駕駛體驗要求。此控制系統在新能源汽車項目中也實現了利用電機制動能量回收，在車輛減速滑行和制動工況高效的把機械能轉化成電能，增加車輛行駛里程，提高經濟型。智能汽車電子控制系統也是汽車行業發展的必然結果，也是未來汽車電子發展的主要方向。

電動汽車；整車控制器；高級輔助駕駛；Simulink模型開發；控制策略

前言

智能汽車電子控制系統主要研發范圍是在新能源汽車的整車駕駛性和主動安全方面的研發。在新能源汽車行業，電動汽車整車控制器VCU占據主導作用。在此項目研發中，主要是針對整車動力控制及汽車智能駕駛及主動安全方面的開發與研究。整車控制器VCU通過和高級輔助駕駛系統ADAS、制動系統iBooster、電機控制器MCU、電池包管理系統BMS的信息交互實現整車車輛動力性、主動安全及智能駕駛的控制。電動汽車整車控制器VCU通過采集駕駛者輸入（加速踏板開度、制動踏板開度、檔位信號）解析駕駛者意圖，通過向動力電池包管理系統BMS和驅動電機控制器MCU發送控制指令，實現車輛的正常行駛。

在智能電子控制系統中，高級輔助駕駛系統ADAS通過雷達、攝像頭、環視系統等采集車輛周圍信息，通過內部控制器的詳細計算，得出車輛在當前工況下可能出現的危險情況，通過報警信號傳遞給駕駛者和整車控制器VCU，當駕駛者未采取安全措施時，VCU根據當前工況實現加速、制動、并線等操作，在保證安全的前提下智能控制車輛。

1 汽車智能電子控制系統研發意義及內容

1.1 研發意義

在汽車已經成為人們標準的代步工具的時代，隨之而來所面臨的安全駕駛問題比舒適化的駕駛體驗更加急待解決。有過駕駛經驗的人都知道，在開車的過程中，我們總是需要全神貫注地來注意周圍的路面狀況及環境，然而即使是這樣，人們也常常會有一時的疏忽大意而造成交通事故，甚至危害生命安全，基于汽車主動安全技術的智能汽車電子控制系統就成為目前的研究發展趨勢。

同時此智能汽車電子控制系統還有自動跟車、緊急剎車、車道保持、自動泊車輔助、危險預警等功能，在汽車安全和駕駛性上都有很重要的意義，不僅在安全上多了一套保障，在駕駛舒適性上也有很好的體驗。

1.2 研發內容

智能汽車電子控制系統是研發一款適用于新能源電動汽車的產品系統，包括整車控制器VCU及ADAS控制器ACU。不僅僅是研發此系統的硬件架構，也研發車輛控制應用功能。

整車控制器VCU具備以下功能：

1.2.1 電動汽車整車控制功能

整車各種工況扭矩管理、能量管理、電機電池協調管理、充電管理、故障診斷等功能。能夠對上下電時的高低壓控制邏輯進行管理，根據駕駛員輸入對駕駛扭矩做出準確判斷，能夠對車輛當前工況進行判斷，能夠實現扭矩請求和扭矩限制功能。

1.2.2 制動能量回收功能

VCU控制策略可以實現能源再生制動功能，并且協調制動能量回收過程電機制動與ABS系統工作，保證制動安全。

1.2.3 車輛附件控制功能

車輛附件包括空調、助力轉向、風扇、冷卻水泵等部件，VCU能夠實現對輸入/輸出信號的處理，包括濾波、抗抖、滯回處理，保證輸入可靠有效，輸出明確。

1.2.4 故障診斷功能

VCU能夠識別零部件及系統功能故障，并采取相應的應對策略，提供系統故障保護下的跛行等故障處理功能，同時具備故障碼存儲、上傳、清除等功能。

1.2.5 CAN網絡通信管理功能

實現整車CAN網絡總線調度，具有故障診斷功能（包含故障路徑類型、存儲故障代碼、故障處理等）、能管理相關系統的關鍵信息。

ADAS控制器ACU具備以下功能：

（1）攝像頭、雷達、慣導等傳感器的信號采集及處理功能。

（2）環境感知及路況分析功能。

（3）CAN信號管理、和VCU信號交互功能。

（4）自動跟車ACC、緊急制動AEB、自動泊車APA功能。

（5）具備盲點檢測、車道保持輔助功能、防碰撞預警等主動安全功能。

2 智能汽車整車系統方案設計研發

為了滿足整車控制及此系統驗證，整車電控系統需要具備以下零部件系統：

整車系統控制器（VCU）、電池及電池管理系統（BMS）、主驅動電機及控制器（MCU）、制動系統（Ibooster）、ADAS系統、電動助力轉向（EPAS）、儀表盤（IC）、DC-DC、 On-Board Charger、電動汽車熱管理系統、各個車身電子控制器（BCM）、傳感器系統。

3 智能汽車電子控制系統開發

3.1 電子控制系統方案架構設計

基于此系統設計，即具有整車驅動功能，又具有智能輔助駕駛功能，所以采用S32V234作為高級智能輔助駕駛ADAS控制器ACU的核心芯片，采用MPC5744作為整車控制器的核心芯片， ACU與VCU之間通過CAN線信號互傳信息。

ACU輔助采集雷達、慣導、攝像頭、高精度地圖等信號，處理路況信息。

VCU負責采集駕駛員輸入，控制高壓電池包、驅動電機、轉向系統等驅動車輛正常運行。

同時VCU接收ACU的路況信息，控制驅動電機、轉向電機、制動系統來實現ACC、AEB、APA等智能功能，保證車輛主動安全，提高駕駛性。

圖1 智能汽車電子控制系統結構方案

3.2 電子控制系統功能架構介紹

電子系統控制功能如下：

3.2.1 主動駕駛功能

整車控制器VCU采集駕駛員輸入信號（鑰匙信號、加速踏板信號、制動踏板信號、檔位信號、方向盤轉角信號等）通過控制BMS使高壓電池包高壓上電，并根據駕駛需求控制轉向電機和驅動電機控制車輛行駛，具備車輛行駛、轉向、制動、停車、充電等功能，滿足駕駛員駕駛需求。

3.2.2 自動輔助駕駛功能

在特定工況下，整車控制器VCU和高級輔助駕駛控制器ADAS進行交互，VCU接收ADAS的控制指令（ACC、AEB、APA等）來通過控制轉向電機和驅動電機達到輔助駕駛功能，使車輛具備自動跟車、自動緊急剎車、自動泊車、碰撞報警等功能，提高車輛行駛安全。

3.2.3 輔助預警功能

此智能汽車電子控制系統具備車道偏離報警CDW、前碰撞預警FCW、后碰撞輔助報警RCTA、盲點檢測BSD、并線輔助危險報警LCA等功能。

3.3 電子控制系統控制應用軟件設計

軟件開發采用Model Based Design基于模型的編程模式，采用MATLAB/SIMULINK/工具語言，實現設計建模和在線仿真。

圖2 控制策略Simulink模型圖

圖3 控制策略開發流程圖

3.4 電子控制系統控制策略介紹

整車控制策略功能框架由輸入信號處理、動力系統上下電、驅動電機邊界條件、電池包邊界條件、整車及零部件限制、整車能量管理、扭矩分配、附件控制及診斷等幾部分組成，如下圖：

圖4 控制策略功能框架圖

3.4.1 VCU解析駕駛需求

（1）加速踏板解析

VCU通過檢測加速踏板傳感器的硬線信號，解析為0-100%的開度信號。根據加速踏板開度和車速信號查MAP表得出當前工況駕駛者扭矩。

（2）制動踏板解析

VCU通過CAN線采集WBS上傳的制動踏板開度信號（0-100%）。

（3）檔位信號解析

VCU根據采集換擋旋鈕位置硬線信號判斷當前實際檔位。

（4）車輛滑行解析

當車輛在以一定車速滑行行駛時（沒有加速踏板信號和制動踏板信號），VCU根據既定策略進行滑行能量回收，VCU根據車速查表得出滑行能量回收扭矩，發給電機。

3.4.2 ADAS控制策略

（1） ACC控制策略

1）當ADAS發送的加速度請求為0時，則VCU保持當前扭矩輸出。

2）當ADAS發送的當ADAS發送的加速度請求為正時，VCU把當前駕駛者扭矩作為PID調節的初始值，根據VCU實際計算的加速度和ADAS發送的加速度差值進行PID調節，增加扭矩輸出。把整車實際加速度達到ADAS的請求。

3）當ADAS發送的當ADAS發送的加速度請求為負時，VCU把當前駕駛者扭矩作為PID調節的初始值，根據VCU實際計算的加速度和ADAS發送的加速度差值進行PID調節，減小扭矩輸出。

4）在ACC功能使能過程中，如果駕駛員踩下了加速踏板信號，并且加速踏板信號產生的扭矩需求大于ACC目標加速度的扭矩需求，則VCU輸出加速踏板扭矩需求。

5）當VCU接收到制動踏板信號輸入時，則VCU退出ACC控制，響應制動踏板信號，制動優先。此時VCU向WBS發送電機最大回收扭矩，并響應WBS分配的制動回收扭矩。

（2）AEB控制策略

VCU接收到ADAS發送的AEB請求并且有效時，則進入AEB控制邏輯，VCU取消對電機的扭矩輸出，輸出值置為0，即無加速又無制動。

WBS響應AEB的目標減速度，控制整車制動。

（3）APA控制策略

VCU接收到ADAS發送的APA功能請求時，VCU進入APA功能。

VCU響應ADAS的目標檔位請求，根據ADAS發送的目標距離和泊車最大控制速度來控制車輛。

當VCU檢測到駕駛員輸入（加速踏板信號、制動踏板信號、換擋旋鈕信號）時，則退出APA功能，響應駕駛員輸入。

3.4.3 RBS控制策略

VCU根據當前狀態發送是否運行能量回收指令。

（1）VCU在ACC功能Active時，收到小于0.3g的目標減速度時，優先實現電機控制實現減速并進行發電制動，并將發電扭矩發送給WBS，由WBS分配電機扭矩且VCU響應回收扭矩，WBS實現剩余不足的制動扭矩。

（2）在ACC功能Active時，當減速度值目標值大于0.3g時，VCU禁止電機進行制動能量回收，由WBS進行機械制動響應目標減速度。

（3）當AEB功能激活時，VCU不進行能量回收。

（4）制動踏板開度信號大于40%或變化率大于一定值（20%/20ms），VCU不進行能量回收。

（5）車速小于一定值（e.g 10km/h）時不允許進行能量回收。

（6）SOC電量大于一定值（e.g，95%）時不允許進行能量回收。

（7）電機發電功能故障時，VCU不進行電機能量回收。

（8）電池充電相關故障時，VCU不電機進行能量回收。

4 智能汽車電子控制系統仿真與應用

智能汽車電子控制系統控制策略采用SIMULINK模型搭建，并對其進行MIL和SIL的測試仿真。

4.1 ACC功能仿真

仿真用例輸入：

檔位：D檔。

油門：開度為0%。

ADAS：發送ACC使能和1m/s2的加速度請求。

圖5 ACC仿真輸入

仿真結果：

由下圖可知VCU收到ADAS的ACC的1m/s2請求后，通過PID調節扭矩輸出，使車輛實際加速度同ACC請求加速度一致。

圖6 ACC仿真結果

4.2 AEB功能仿真

AEB用例輸入：

車輛加速到一定時間，激活AEB功能，觀察實際減速度和請求減速度的輸出：

圖7 AEB仿真測試輸入

AEB仿真結果：

由圖中可以看出，車速歲加速踏板上升，當AEB使能后，車輛開始減速，并且減速度在增加，逐漸向目標減速度靠近。

圖8 AEB仿真結果

4.3 APA功能仿真

APA仿真輸入：

發送APA使能請求，將目標轉彎半徑的值設置為0，APA的加速度請求為0.4m/s2，一段時間后改為0m/s2，APA檔位設置為D檔，觀察車速和加速度的變化。

圖9 APA仿真輸入

APA仿真結果：

由下圖可知，當APA發送0加速請求時，VCU能夠保持當前車速輸出。

圖10 APA仿真結果

5 結論

此智能汽車電子控制系統設計研發項目主要是在整車駕駛性和主動安全方面的控制器及控制策略的研發。

在新能源汽車行業，電動汽車整車控制器VCU占據主導作用。在此項目研發中，主要是針對汽車智能駕駛及主動安全方面的合作。整車控制器VCU通過和高級輔助駕駛系統ADAS、整車制動安全系統ESC的信息交互實現整車車輛主動安全及智能駕駛的控制。

電動汽車整車控制器VCU通過采集駕駛者輸入（加速踏板開度、制動踏板開度、檔位信號）解析駕駛者意圖，通過向動力電池包管理系統BMS和驅動電機控制器MCU發送控制指令，實現車輛的正常行駛。

在智能電子控制系統中，高級輔助駕駛系統ADAS通過雷達、攝像頭、環視系統等采集車輛周圍信息，通過內部控制器的詳細計算，得出車輛在當前工況下可能出現的危險情況，通過報警信號傳遞給駕駛者和整車控制器VCU，當駕駛者未采取安全措施時，VCU根據當前工況實現加速、制動、并線等操作，在保證安全的前提下智能控制車輛。通過本項目的開發與研究對新能源電動汽車控制與開發提供了很好的支持。

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Development and Research of Automotive Intelligent Electronic Control System

Bao Lei

（Hebei Youkong New Energy Technology Co, Ltd, System Application Department, Hebei Shijiazhuang 050000）

Automotive Intelligent Electronic Control System is a significant component of vehicle control system. It’s very important in new energy vehicle industry, especially in electric vehicle industry. The vehicle control system consists of Vehicle Control Unit(VCU), Advanced Driver Assistance System(ADAS), Electronic Braking System (Ibooster), Electrical Power Steering(EPS) and Central Control System. In the project, VCU interacts with ADAS and EBS in order to realize Adaptive Cruise Control (ACC), Autonomous Emergency Braking (AEB), Lane Keeping Assist (LKA), and Auto Parking Assist (APA).Moreover, the Automotive Intelligent Electronic Control System has functions of Lane Departure Warning (LDW), Forward Collision Warning (FCW), Rear Crossing Traffic Alert (RCTA), Blind Spot Detection(BSD) and Lane Change Assist(LCA). VCU obtains the work condition of the vehicle by collecting signals from subsystems and sensors, then controls every component of the vehicle to realize active safety and meets the drivers’ requirement of extraordinary driving experience.Brake Energy Regeneration is contained in the control system of the new energy vehicle project. When the vehicle is sliding or braking, the regeneration system will convert the mechanical energy into electricity, which will increase the vehicle miles traveled and enhance the economy.Automotive Intelligent Electronic Control System is the natural and inevitable result of the development of automotive industry, and will be the main direction of the future development of automotive electronics.

Electric Vehicle; Vehicle Control Unit; ADAS; Design of Simulink; Control strategy

U469.72

A

1671-7988(2019)13-124-05

U469.72

A

1671-7988(2019)13-124-05

包蕾（1987.6-），男，技術總監，就職于河北優控新能源科技有限公司，從事系統開發及集成應用工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.042