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电动汽车之整车控制器(VCU),Simulink无缝连接,支持快速原型RCP、代码生成
&&新能源汽车电动汽车用整车控制器,16位及32位控制器,可与Simulink无缝连接,支持RCP快速原型、代码自动生成。可广泛应用于纯电动EV、HEV、电动大巴等产品中。
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来源：汽车大漫谈
摘要：纯电动汽车整车控制系统以VCU为中心，电池、电机及充电系统为外围辅助系的一套完整的电控系统。随着汽车纯电动汽车的发展，将来对VCU的要求会越来越高。
整车控制器是各个子系统的调控中心，协调管理整车的运行状态，也是电动汽车的核心技术之一。就像真正的美女是需要智慧与美貌并存，光有身材，哪怕前凸后翘，S型，xiong器逼人，也只能从肉体上感觉很诱人，可远观却无法多沟通，这就是大家常说的胸大无脑，而VCU就是汽车的大脑，能够让汽车变得智能化，更懂你，可远观也可亵玩焉！今天，漫谈君就和大家聊一聊，整车控制器（VCU）开发的方法和流程。一、VCU的作用与功能在电动汽车中，VCU是核心控制部件，它根据加速踏板位置、档位、制动踏板力等驾驶员的操作意图和蓄电池的荷电状态计算出运行所需要的电机输出转矩等参数，从而协调各个动力部件的运动，保障电动汽车的正常行驶。此外，可通过行车充电和制动能量的回收等实现较高的能量效率。在完成能量和动力控制部分控制的同时，VCU还可以与智能化的车身系统一起控制车上的用电设备，以保证驾驶的及时性和安全性。因此，VCU的设计直接影响着汽车的动力性、经济性、可靠性和其他性能。1、VCU主要功能1）整车能量分配及优化管理；根据驾驶员的具体操作和实际工况对车辆进行管理、优化及调整，以实现优化能量供给，延长车辆使用寿命，提高车辆运行经济性。2）故障处理及诊断功能；对出现的异常情况进行诊断、提示和主动修复工作。3）系统状态仪表显示；4）整车设备管理监控各设备运行状态，及时进行动态调整。5）系统控制根据既定的操控程序对驾驶员的各项操作进行及时响应，实时与数据库进行比对，对各节点进行动态控制。二、VCU的结构VCU为纯电动汽车的调度控制中心，负责与车辆其他部件进行通信，协调整车的运行。VCU系统结构，如下图所示。其主要包含电源电路、开关量输入/输出模块、模拟量输入模块及CAN通讯模块。1）电源模块从车载12V蓄电池取电，开关量输入模块接收的信号主要有钥匙信号、挡位信号、制动开关信号等；2）开关量输出信号主要是控制继电器，其在不同整车系统中意义略有不同，一般情况下控制如水泵继电器及PTC继电器等；3）模拟量输入模块采集加速踏板和制动踏板开度信号及蓄电池电压信号等；4）CAN模块负责与整车其他设备通信，主要设备有电机控制器（MCU）、电池管理系统（BMS）及充电机等。三、整车通信网络管理整车系统通过CAN通信网络将各个子控制系统连接在一起。整车系统通讯网络结构如下图所示。VCU起到协调管理整个通信网络的功能，是各个子设备的通信服务端。四、整车工作模式控制根据整车工况和动力总成状态不同，划分为如下几种工作模式：1、自检模式如果钥匙门信号处于ON档，则启动自检模式，闭合主继电器，同时VCU进行自检，如果自检失败进入故障处理模式，自检通过等待启动信号。2、启动模式驾驶员通过打开钥匙等操作，使VCU上电，然后唤醒CAN网络上其他节点开始工作。当整车所有设备都正常启动后，系统进入READY状态，指示可以进行正常驾驶操作。如果钥匙门信号处于START挡，同时自检模式有效，挡位在P挡，没有禁止启动故障则进行高压上电程序，同时VCU给电机系统、DC-DC及空调控制系统发送高压上电请求命令，电机系统、DC-DC及空调控制系统检测没有高压故障则反馈给VCU准许上高压指令，VCU通过控制高压预充电及主继电器实现高压上电过程，高压上电结束后仪表上EV-Ready灯亮，完成启动模式。3、起步模式如下图所示，当车辆由静止不踩加速踏板起步限车时，期望电机转矩以某可标定的汽车转矩Start-T为目标值，当车速V＜V1时以某个斜率上升，以克服车辆的静止摩擦阻力；当车速V＞V2时采用通过控制电机功率，将车速控制在一个合理的速度范围内，输出的电机扭矩进行一个滤波环节进行平滑处理，实现平稳的电起步。4、行驶模式行驶模式主要根据加速踏板位置及车辆行驶状态，实时控制电机扭矩指令，实现按驾驶员意图控制车辆运行。行驶控制过程中的控制方式分为恒转扭矩控制和恒功率控制，如下图所示，VCU的控制输出是转矩，功率是约束条件。当电机输出功率没有达到期望功率时，VCU采用恒转扭矩控制策略，期望转矩T*（k），输出转矩T（k）=T*（k）；当电机输出功率达到期望功率后，VCU采用恒功率控制策略，期望输出功率为P*（k），如果k时刻电机转速n（k）＞nk，则采用功率控制，P（k）=P*（k），输出转矩T（k）=P（k）×9.55/n（k）。VCU采集来自驾驶人员的控制信号（挡位信号、加速踏板信号、车辆模式等），并根据系统的限制条件，经算法运算向MCU输出驱动扭矩，控制汽车的运行。根据驾驶员的不同需要，可以实现蠕行、前进、后退、巡航、一般模式行驶、运动模式行驶、经济模式行驶等运行方式。5、制动模式相比传统燃油车，电动汽车的制动过程可以实现能量回收。当电动汽车处于制动状态时，VCU通过状态数据采集，推算所需的制动扭矩。此时驱动电机从工作模式转换为发电机模式向动力电池组充电。6、再生模式再生模式实现特定工况下控制电机发给电池充电，根据制动踏板状态分为滑行再生发电及制动再生两种情况，下图为制动策略示意图：滑行再生与制动再生采取的发电扭矩，当车速V大于车速V2的条件采取恒扭矩发电，制动再生扭矩为T2，滑行再生扭矩为T1，车速V大于车速V1小于V2时，电机制动再生或滑行再生发电扭矩按比例逐渐较小，车速小于V1取消电机发电，同时电机发电扭矩取决于与当前车速及电机的发电能力。然后经过电池准许的功率限制后输出给电机。7、停车模式停车模式是整车运行过程中无故障出现，驾驶者正常关闭钥匙，此模式中VCU控制电机和电池系统下电，然后控制各个附件设备关闭，完成自下电过程。8、故障模式整车故障一般分为2级（1级故障和2级故障）。故障来自于VCU，BMS，空调等终端设备或者加速踏板器等输入传感设备。这里定义1级故障为严重故障，2级故障为一般故障。整车系统出现2级故障时，汽车进入跛行故障模式，主要以限制系统输出功率的方式实现。整车系统出现1级故障时，整车系统进入紧急停止工作状态。9、充电模式充电时，插上充电枪，充电机开始工作，VCU被触发上电。在检测到充电连接信号后，VCU监控整车当前状态允许充电时启动BMS，然后BMS与充电机进行通信，启动充电过程，VCU持续监测BMS及充电机的状态信息，如果充电则仪表控制器显示充电灯充电状态。充电过程出现故障时VCU会及时切断BMS继电器，以中断充电过程，防止发生危险事故。10、下电模式如果钥匙门信号在OFF挡，则启动下电模式，VCU根据电机、空调等高压系统的准许下高压信号来控制BMS系统断开高压继电器，同时VCU根据电机系统的温度来确认是否要延时下电，温度降到一定范围内时，关闭电机冷却水泵和冷却风扇，关闭电源主继电器，下电完成。五、整车驱动系统控制纯电动车的整车驱动系统由电机和电机控制系统组成，并通过CAN总线方式与整车网络通信。1）VCU通过采集到的踏板开度信号和挡位等信号，经过转矩计算，得出最后的扭矩信息。扭矩信息通过CAN总线由VCU发送到MCU，MCU收到相应的控制信号后，执行对应的动作。2）根据汽车的运行状况，电机运转模式分为电动模式和发电模式。电动模式下整车运行在驱动状态，汽车属于行驶状态；发电模式下整车运行在滑行或制动状态，实现制动能量的回馈。3）电机控制系统在运行状态下，MCU实时向VCU上报状态信息和故障信息，并在系统出现故障时做出及时处理。VCU接收到MCU的各项信息后，会根据信息的内容对整车系统做出合理的控制。六、整车能量优化管理纯电动汽车整车能量的唯一来源为动力电池组，通过BMS有序管理。VCU通过总线与BMS通信。1）BMS能够向VCU上报剩余电量信息、电池箱总电压和总电流、电池系统温度信息、电池输出继电器状态等。2）VCU根据汽车控制策略以及来自总线上的电池状态和电机状态信息以闭合或者断开BMS的总正/负继电器，完成高压回路的闭合和断开功能。3）与传统燃油车相比，电动汽车能够实现制动能量回馈功能。当整车处于减速滑行或制动状态时，VCU控制汽车产生再生制动力矩，使电机发电，并将电机发出的电能回充到动力电池中，以实现有效的制动能量回收。七、监测和协调管理车上电器在纯电动汽车上除了动力系统相关的主要零部件外，还有加热PTC、电动空调（AC）、电动真空泵等诸多用电器，VCU需要采集和监控这些用电器的信号状态，结合整车状态判断是否允许这些用电器正常以及处于什么状态。八、故障检测处理及诊断功能故障处理及诊断功能也是VCU控制策略的重要组成部分，在VCU的代码量中甚至到达60%以上的。1、整车故障检测处理VCU的故障主要分为传感器（加速踏板传感器）故障、继电器（空调继电器等）故障以及CAN总线故障。传感器故障可从硬件和软件两方面来检测处理。CAN总线故障主要有总线节点脱离和负载过高等。依据故障的严重程度，将故障分为2个等级，即2种故障模式。发生某种故障，就整车运行进入相应故障模式。2、诊断功能电动汽车上电子单元诸多，当某些器件出现故障时就难以快速的检测出来。为了维修人员能够快速、准确地确定故障的位置，电动汽车上VCU一般采用基于UDSISO15765协议）的诊断服务功能。九、汽车状态的显示VCU对汽车的状态信息进行采集和处理，将重要的状态和故障信息发送给仪表进行显示，其显示的主要内容有：十、VCU的设计思路为了实现VCU的主要功能，必须通过VCU的硬件和软件两个方面来实现。软件控制策略是实现预期功能的关键，必须依靠硬件来实现相关功能，但硬件有其固有的缺陷：一旦硬件系统设计成型后，不易于修改；软件程序可以上万次地输入单片机，有利于系统的升级。事实上，在正确配置硬件的基础上，合理应用已有的硬件，可大大减少软件工作量；同时，完善软件也可填补硬件的不足，给研发、维护和检修带来很大方便，所以软件是核心，硬件是基础，缺一不可按照系统的功能以及工况情况分析，该VCU的设计思路如下：1）至少2路以上的CAN总线，建议3路。2）可靠工作时间长度保证大于车辆使用周期。3）鉴于设备需要极高的可靠性，所以要求双系统独立并协同工作，在出现一个系统故障时，另一个系统能够保证整车系统工作。4）能够开放给驾驶员选择电机、储能系统、外接充能设备的各类工况选择。5）拥有外接诊断接口，可以通过外接设备进行在线诊断。6）多路信号采集和多路功率控制输出。十一、VCU开发VCU开发主要采用“V”模式，所有控制策略与仿真模型都是利用框图化的基本模块建立起来的，主要包括控制方案的设计、离线仿真、快速控制原型、产品自动代码生成及集成、硬件在环仿真测试和标定（台架及道路实车测试标定），如图所示。1、离线仿真阶段1）建立对象数学模型。2）设计控制方案。3）以Matlab或者RTC为平台建立模型并进行仿真分析、测试，如图所示。2、快速控制原型阶段1）保留需要下载到dSPACE或者Motoron等快速原型的模块中。2）用硬件接口关系代替原来的逻辑连接。3）对I/O进行配置。3、自动代码生成及集成阶段1）利用Matlab自带的RTW或者商业的Target Link工具将整车控制策略模型自动生成C代码。2）利用code warrir或者GNU等软件集成工具，将控制策略生成的C代码应与VCU硬件底层程序集成。3）通过bootloader自动下载到VCU硬件系统中。4、硬件在环（HIL）仿真硬件在环（Hardware-in-loop，HIL）即指由硬件控制器与模拟器之间形成一个以数据、信号进行交流的闭环测试系统。通过虚拟的整车驾驶环境、道路环境的建立，与实际的控制器硬件之间建立循环系统，测试该控制器在虚拟环境下的各种功能。如下图所示。5、标定基于CAN总线的标定协议CAN Calibration Protocol，（CCP）是一个连接开发工具和VCU的软件接口协议，该协议定义了模块标定、数据采集和存取flash中运行数据的方法，在整车控制策略中，可以利用CCP实现以下功能：①实时在线测试；②各传感器检测和标定；③报警或出错值的调整；④程序下载。V字型开发流程大大缩短了VCU的开发周期，节约了开发成本，并能保证代码的高质量和控制系统的可靠性，同时为未来新的控制功能设计提供了图形化的接口平台。十二、软件设计1、设计院原则1）合适性VCU软件体系结构要适合于VCU软件的“功能性需求”和“非功能性需求”。2）结构稳定性详细设计阶段的工作如用户界面设计、数据库设计、模块设计、数据结构与算法设计等等，都必须在体系结构确定之后开展的，而编程和测试则是更后面的工作，因此体系结构应在一定的时间内保持稳定。注重软件体系结构的设计，当整车控制需求发生变化时，要保证只能对软件做些程序代码本身部分内容进行修改，不改变软件的体系结构，不得去修改软件的体系结构。3）可扩展性可扩展性是指软件扩展新功能的容易程度。VCU的软件可扩展性越好，表示VCU适应“变化”的能力越强，越容易软件升级换代。4）可复用性为使VCU能在不同类型的纯电动车辆及多能源系统车辆的兼容，VCU的体系结构需具有良好的可复用性，软件工程要设计出一种通用的体系结构模式，只有这样体系结构才可以被复用。2、设计流程VCU软件由上层控制策略和底层驱动程序组成，用C语言编写。上层控制策略主要负责根据车辆状态和驾驶员意图实时控制能量流向和分配比例；下层软件主要负责单片机初始化设置、CAN总线信号的实时收发和其他输入、输出信号的实时处理与诊断。底层与上层的接口通过若干变量来实现。下图为设计的一个最简单的软件机制模型，从“上电唤醒”开始到“下电停机”的标准流程。通过“信号处理、故障诊断”完成系统工作前的自检和故障诊断工作；通过“高压管理、计算需求转矩、控制策略”完成控制功能的计算和处理。十三、硬件系统需根据整车的底盘、车身相关部件的数量和控制内容计算，要求VCU的硬件必须满足以下接口数量、种类和驱动能力：1）10路高有效和10路低有效开关量采集。可以对车身上开关情况进行采集，VCU根据具体的开关量状态进行判断或作相应的处理。2）3路高速CAN（CAN2.0B）。电动汽车网络总线通讯协议主要参考SAEJ1939来制定，也就是在J1939的基础上制定出满足各种电动车辆控制需要的通讯协议。VCU与外界的联系就是通过CAN网络来实现，包括数据的收集、传递。3）８路AＤ采集（其中定义4路为电压采集，4路为电阻采集）。电压为0—30Ｖ采集范围，电阻为0—10ｋΩ。可以对踏板信号、制动信号等模拟信号进行采集，采集数据经过相应处理，并按照具体协议发送给外部设备。4）10路功率输出（最大2A输出）。每路功率最大可输出2A左右电流，共10路，可带40Ｗ的负载。在使用过程中，应避免满负荷工作。5）2路＋5Ｖ电源输出。＋5Ｖ电源输出（IｍAｘ＝0.5A），可供给踏板或其他设备。6）1路Ｋ－LINE。通过Ｋ线可以对VCU进行诊断和标定，也可对单个设备进行数据查询。7）支持双电源、双系统工作（推荐采用）。采用主从控制方式，正常情况下，由主机来处理整车的信息。当遇到主机无法工作（出严重故障，发送故障指令）时，从机马上作出响应接替主机工作，使整个系统能正常运行。十四、VCU性能要求为满足VCU在整车环境下的使用需求，需要对控制器的各方面性能有所要求。VCU的主要性能要求如下表所示，具体性能要求可参考《VCU技术条件》。该控制器采用满足汽车使用环境温度和震动要求的高度集成汽车级微处理器，该控制器具有较宽9~36V的电源输入范围，满足整车的低压系统电源电压波动要求，同时具有较好的通用性，适应12V和24V电动汽车系统应用。控制器采用标准的ECU接口，具有良好的防水防尘性能。十五、结论纯电动汽车以VCU为中心，电池、电机及充电系统为外围辅助系的一套完整的电控系统。随着汽车纯电动汽车的发展，将来对VCU的要求会越来越高。说明：文中部分图片、信息来源于网络
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