網聯分布式驅動電動汽車整車控制器硬件電路設計

景峰，周逢軍，韓冰，孫帥帥

網聯分布式驅動電動汽車整車控制器硬件電路設計

景峰1，周逢軍2，韓冰1，孫帥帥2

（1.北京理工新源信息科技有限公司，北京 100081；2.北京理工大學前沿技術研究院，山東 濟南 250357）

在設計網聯分布式驅動電動汽車整車控制器時，需要同時兼顧網聯功能和分布式驅動控制功能，具有一定的復雜性。文章提出一種硬件電路的設計方案，擴展了分布式驅動新能源電動汽車4G通信和以太網通信的功能，增加了車輛與外界的交互，實現了車輛的遠程監控。該方案可為開發車輛的遠程控制、智能化、多媒體化以及與外界的互聯互通等功能，提供技術支撐。

4G通信；以太網通信；分布式驅動電動車

引言

分布式驅動電動汽車是未來電動汽車發展的重要方向，具有驅動傳動鏈短、傳動高效、結構緊湊等優點[1-4]。智能網聯汽車通過和周邊車輛、道路、基礎設施進行通信，從時間、空間維度擴大了車輛對交通與環境的感知范圍，能夠提前獲知周邊車輛操作信息、交通控制信息、擁堵預測信息、視覺盲區等周邊環境信息[5-7]。為了充分發揮分布式驅動電動汽車和網聯汽車的優勢，本文提出一種把4G通信和以太網通信集成于VCU（Vehicle control unit，整車控制器）的方案，具有以下優點：

（1）減少系統設計冗余度，降低安裝過程中造成的風險；

（2）實現車輛的遠程監控；

（3）為實現車輛與外界的互聯互通提供支撐：V2V（Vehicle to Vehicle，車與車）、V2I （Vechile to Infrastructure，車與基礎設施）、V2P（Vehicle to People，車與人）、V2N（Vehicle to Network，車與云）、即V2X（Vehicle to Every- thing，車與任何事物的聯系）功能；

（4）在此方案基礎上，可通過以太網組建車內局域網，實現數據的高效傳輸。

1 硬件的設計方法

1.1 系統的架構和設計方案

VCU 控制器的功能劃分比較細致，實現的功能也很豐富，這對方案設計帶來一定挑戰。本設計方案是在常規的 VCU 控制板基礎上進行迭代升級：（1）通過升級主控 CPU，提高系統的外設接口，增加系統的算力和處理能力；（2）通過ASCLIN 擴展 4G 模組，實現 4G 網絡通信功能；（3）通過擴展 PHY 接口系統增加以太網通信能力。系統功能框架如圖 1所示：

圖1 系統功能框架圖

下文將分別對控制器設計中的要點部分：CPU 選型、4G通信功能和以太網通信部分進行說明，其他常規接口部分不進行特殊說明。

1.2 CPU選型

選擇英飛凌AURIX系列TC275作為整車控制器的主控芯片，TC275是一個三核微處理器，內核最高工作頻率可達 200 MHz，擁有豐富的外設接口，如圖2所示，具備傳統VCU 控制板的CAN、CANFD、ASCLIN、高邊驅動、低邊驅動、ADC 數據采集、數字信號采集、PWM 輸出等功能。

本方案中，所采用的TC275，具有多核調度、工作頻率高、芯片處理能力強等優點。在繼承傳統接口的基礎上，主要通過ASCLIN 擴展出4G通信模組AG35，實現與外界的互聯互通。由于TC275芯片內部集成了MAC（Media Access Control），可通過外接 PHY（Physical Layer Interface）芯片擴展出Ethernet 功能，MAC與PHY之間通過RMII（Reduced Media Independent Interface）進行通信，實現數據的交互。

圖2 TC275 模塊框圖

1.3 4G 通信功能

1.3.1功能劃分

基于實際項目應用，4G通信模組的主要功能是完成與監控平臺完成數據的交互，功能如下：

（1）將電動汽車的運行采集數據返回到平臺上，實現平臺對車輛信息記錄，跟蹤，做大數據分析，持續跟蹤車輛的運行狀態，對一些關鍵的部件（比如電池包，運行軌跡）的關鍵參數實施大數據統計分析，便于相關部門和企業更好地做出決斷；

（2）通過對車輛的持續監控，當車輛發生異常時，發出警告信息，減少損失；

（3）實現對車輛信息的遠程診斷，升級的功能；

（4）在緊急突然情況下，平臺對車輛發出警告信息，比如電池溫度過高等。

1.3.2硬件選型

4G通信模組選用移遠通信生產的AG35 模組，這是一款車規級的 LTE 通信模塊，最大下行速率150 Mbps和最大上行速率50 Mbps。同時，它內置了多星座高精度GNSS GPS/ GLONASS/BeiDou/Galileo/QZSS 接收機，在簡化產品設計的同時，大大提升了定位精度與速度，可以滿足功能開發需求。

1.3.3硬件電路實現

TC275與AG35模組之間主要是通過ASCLIN接口和一些IO接口，完成TC275與模組之間的控制和數據交互，設計的主要關鍵部分如下：

（1）電源。

由于射頻部分在數據發送和接收時，消耗的電流比較大，峰值電流會達到 3 A，所以電源部分增加了儲能電容和濾波電容，相應的增加 PCB 部分電源線走線的寬度，增加電源的供給，減少電源線波動，如圖 3 所示：

圖3 電源部分

（2）通信接口。

本設計中TC275與AG35的通信主要通過ASCLIN 實現，TC275的電平端的工作電壓為5 V，AG35的接口電壓為1.8 V，所以中間增加了電平轉換芯片，如圖4所示：

圖4 電平轉換

（3）天線。

圖5 天線電路

AG35 模組包括三個天線，主天線，分集天線和GNSS 天線，天線部分的要求是阻抗匹配為50 Ω，如圖5所示。

以上部分主要對電源，通信，天線部分做了主要的說明，其他部分如SIM卡座接口電路，控制引腳以及狀態指示部分沒有做特殊的說明，這些共同構成了AG35與TC275之間的通信。

1.4 以太網通信的實現

1.4.1功能劃分

車載以太網為系統的一個擴展功能，結合4G通信功能，在車輛的功能擴展部分占據主要的功能，主要實現以下功能：

（1）車載以太網作為自動駕駛功能的一部分，激光雷達和車載攝像頭通過以太網傳輸給主控芯片，主控通過數據分析和判斷對車輛的運行作出判斷。

（2）車載以太網作為汽車域控制部分的一部分，可以通過以太網組建局域網，實現大數據流的交互，特別是車載信息娛樂系統開發，有較強的可擴展性。

1.4.2硬件選型

主控芯片TC275內部集成了MAC部分，所以只需要給外部接入PHY芯片就可以實現以太網同行，PHY芯片選擇使用KSZ8041NLI芯片，該芯片支持10 M/100M自適應功能，支持MII（Media Independent Interface）/RMII（Re- duced Media Independent Interface）接口，可以滿足系統要求。

1.4.3硬件電路實現

主控芯片TC275與PHY芯片KSZ8041NLI之間通過 RMII連接，輸出部分由隔離變壓器連接RJ45輸出，下面主要分析幾個特殊部分：

（1）RMII接口部分電路。

RMII接口部分電路主要包括信號線如表1所示，為了增加信號的抗干擾性，在進行PCB布線時，對特殊信號線進行著重處理。

表1 特殊信號處理

組號信號線名稱注意事項 1MDC,MDIO信號線做等長處理 2TX_EN,TXD0,TXD1信號線做等長處理 3CSR_DV,RXD0,RXD1信號線做等長處理 4REFCLK注意對時鐘線的保護

原理圖部分如下圖6所示。

（2）輸出接口部分。

輸出接口部分采用1:1的隔離變壓器連接到RJ45座，如圖7所示，在進行PCB布線時，特別處理了差分信號（TX_P，TX_N，RX_P，RX_N）線的阻抗，調整為100 Ω。另外，外殼的接地與PCB板的地信號進行了隔離。

圖6 外接phy芯片

圖7 帶隔離變壓器的 RJ45 座

以上主要介紹了RMII接口，輸出接口部分，外加電源部分，配置接口共同實現了以太網通信功能。

1.5 PCB 板的整體設計

成品PCB板如下圖8所示。考慮到系統的穩定性，可靠性，以及PCB板的尺寸要求，本設計在實際的layout中，做了以下的處理。

圖8 成品PCB板

電路板選用了6層的板，分為頂層、地平面層、電源層，信號層，地平面及底層，增加PCB板的密度，減少PCB的尺寸，增加了電源層，參考層提高系統的穩定性和抗干擾性。

（1）在具體布線時，系統的模擬地和數字地分開布線，單點連接。

（2）干擾性，輻射性強的信號（天線，晶振）遠離其他信號線。

（3）大功率器件的布局，遠離靈敏信號線，盡量布局到 PCB 板的邊緣位置。

2 軟件驗證

整車控制器的軟件框架分為三個部分應用層，中間層和底層驅動部分。

（1）應用層是整車控制策略部分，基于MATLAB/ Simulink開發，經過編譯生成C代碼。

（2）中間層為應用層和底層驅動的接口部分，通過封裝中間層代碼部分為Simulink Library 來實現，由C代碼實現。

（3）底層驅動MCAL（Microcontroller Abstraction Layer）部分由EBTresos Studio軟件生成底層的C代碼，符合 AUTOSAR（Automotive Open System Architecture）架構的接口部分。

整個系統的代碼集成部分，在TASKING中進行集成、編譯，生成目標hex文件下載到PCB板中進行調試。

在進行軟件功能驗證時，通過應用層通過接口層調用底層函數驗證系統的功能，驗證了4G通信功能和以太網通信功能，為策略層的實現提供接口函數。

2.1 4G功能的實現

4G通信功能實現主要通過《GB/T32960.3—2016》來驗證。VCU 通過采集車輛的信息，然后發送到監控平臺上。流程如圖9所示。

圖9 4G測試流程圖

軟件實現了開機自檢，然后登錄監控平臺，將采集到的數據（車輛的狀態、充電狀態、運行模式、車速等）。通過報文將實時數據傳送到監控平臺。

軟件部分的實現通過AT指令與AG35模組完成通信，實現數據的交互。圖10為上報的數據及數據解析。

圖10 平臺數據解析

通過以上測試，可以看到 4G 模組已經可以正常運行。

2.2 以太網功能驗證

以太網部分功能的驗證主要通過PC機與硬件PCB板互聯測試完成的。測試的流程圖如圖11所示。

圖11 網絡測試流程圖

軟件在完成開機自檢后，等待ARP（Address Resolution Protocol）尋址，返回ARP報文，然后等待PC端發送UDP（User Datagram Protocol）報文，當收到 PC 端的報文后，將接收的報文逆序后回傳給PC。測試結果如圖12所示。

通過以上測試驗證了以太網模塊可正常運行。

圖12 網絡測試報文

3 設計方案的優點和不足

本設計方案實現了整車控制器與外界的通信，實現了與外界的互聯互通，為車輛的控制增加了新的功能接口。

3.1 本控制器方案的優點

3.1.1取代了TBOX方案

避免了后續二次組裝過程中，增加對車輛的破壞，節省了后續的二次組裝和調試，減少了生產加工的難度和危險系數。

3.1.2擴展了車輛與外界的交互能力

由于增加4G通信接口部分，可以實現遠程對車輛的訪問，可以實現遠程監控，甚至危險必要情況下的遠程操作。

3.1.3增加了數據的交互能力

通過以太網的接入，彌補了CAN線通信時的帶寬問題，以太網部分可以實現100 M的數據交互，減少了CAN的負載率，為后續的車載娛樂，域控制交互提供了接口。

3.2 系統的不足

目前新的方案已經逐步成熟，處于原理開發到實踐應用階段，但存在以下不足：

3.2.1硬件需要進一步完善

硬件部分雖然可以正常運行和調試，但是對于系統的穩定性和可靠性還需要進一步的驗證和調試，相關的EMC 測試部分也需要進一步驗證。

3.2.2軟件功能也需要改進

軟件部分目前只是合并了原來車載VCU的基本控制方案和外部 TBOX的功能，其他的功能還需要進一步的拓展，實現與外界更好的互聯互通，提供更多的應用場景，實現更多的功能。

4 結論

為了更好地實現分布式驅動電動車的控制和功能拓展，實現車輛與外界的交互，豐富車輛的功能，提升車輛駕駛過程的舒適度和可靠性。本方案提出了網聯分布式驅動電動汽車整車控制器電路設計方案和應用場景，后期將專注于硬件功能的完善、場景算法的開發和測試工作。

[1] 周逢軍.基于雙層架構的分布式驅動電動汽車綜合控制策略研究[D].北京:北京理工大學,2014.

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[4] 林程,徐志峰,周逢軍,等.分布式驅動電動汽車穩定性分層控制策略研究[J].北京理工大學學報,2015,35(5):490-493.

[5] 陳山枝,胡金玲,時巖,等.LTE-V2X車聯網技術?標準與應用[J].電信科學,2018,34(04):1-11.

[6] 李克強,戴一凡,李升波,等.智能網聯汽車(ICV)技術的發展現狀及趨勢[J].汽車安全與節能學報,2017,8(01):1-14.

[7] 徐向陽,胡文浩,董紅磊,等.自動駕駛汽車測試場景構建關鍵技術綜述[J].汽車工程,2021,43(04):610-619.

The Hardware Circuit Design for the Vehicle Controller Unit of the Networked Distributed Drive Electric Vehicle

JING Feng1, ZHOU Fengjun2, HAN Bing1, SUN Shuaishuai2

( 1.Beijing Science of Technology Xinyuan Information Technology Co., Ltd., Beijing 100081;2.Institute of Frontier Technology of Beijing University of Technology, Shandong Jinan 250357 )

When designing a networked distributed drive electric vehicle controller, it is necessary to take into account both the networked functions and the distributed drive control functions at the same time, which has a certain degree of complexity. This paper proposes a hardware circuit design scheme, which expands the functions of 4G communication and Ethernet communication for distributed driving new energy electric vehicles, increases the interaction between the vehicle and the outside world, and realizes the remote monitoring of the vehicle. The solution can provide a technical support for the implementation of the remote control, intelligence, multimedia, realization and interconnection with the outside world of the subsequent development of the vehicle.

4G communication; Ethernet communication; Distributed drive electric vehicle

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.021.002

U495; U469.7

B

1671-7988(2021)21-07-06

U495；U469.7

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1671-7988(2021)21-07-06

景峰（1986—），男，本科，工程師，就職于北京理工新源信息科技有限公司，研究方向：分布式驅動電控技術、車聯網關鍵技術。