一、整車控制器（VCU）功能  

整車控制器

 新能源汽車整車控制器（Vehicle Control Unit，簡稱VCU）是電動(dòng)汽車中的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)對整車進(jìn)行控制和管理。新能源汽車整車控制功能具有駕駛員意圖識(shí)別、動(dòng)力控制、電池管理控制、電機(jī)控制、增程器控制等主要功能。能夠?qū)ι?下電時(shí)的高/低壓控制邏輯進(jìn)行管理，能夠根據(jù)駕駛員輸入對需求扭矩做出準(zhǔn)確判斷，能夠?qū)囕v當(dāng)前工況進(jìn)行判斷，能夠?qū)崿F(xiàn)需求扭矩獲取、扭矩分配請求和扭矩限制功能;可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)功能,并且協(xié)調(diào)制動(dòng)能量回收過程電機(jī)制動(dòng)與 ABS/ESP系統(tǒng)，保證制動(dòng)安全;能夠識(shí)別零部件及系統(tǒng)功能故障，并采取相應(yīng)的應(yīng)對策略，提供系統(tǒng)故障保護(hù)下的跛行等故障處理功能。根據(jù)駕駛員操作實(shí)現(xiàn)對燈光、音響、電源和碰撞等舒適控制功能;對電池系統(tǒng)充放電和電池診斷管理控制功能。

整車控制模塊還需要實(shí)現(xiàn)對車輛附件的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入/輸出信號(hào)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)，實(shí)現(xiàn)全車 CAN 網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)關(guān)路由，具有故障診斷功能、能量管理相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)鍵信息。    

獲取駕駛意圖:VCU需要通過油門踏板、剎車踏板、檔位狀態(tài)等駕駛輸入信號(hào)判斷駕駛意圖。

HMI信息反饋:VCU需要將關(guān)鍵信息反饋至HMI，從而告知駕駛?cè)藛T車輛狀態(tài)。

信息交互：將動(dòng)力系統(tǒng)，電機(jī)、電池、高壓系統(tǒng)、空調(diào)的主要數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)等傳到儀表，接收駕駛員的控制信息。

電機(jī)控制：通過獲取車輛各傳感器數(shù)據(jù)（包括車速、轉(zhuǎn)向角度、加速踏板位置等），實(shí)時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，實(shí)現(xiàn)車輛加速、減速和行駛穩(wěn)定性控制。能量管理：通過剎車傳感器反饋信號(hào)，控制制動(dòng)系統(tǒng)工作，包括制動(dòng)力分配、ABS、TCS等，確保車輛制動(dòng)過程中的穩(wěn)定性和安全。

驅(qū)動(dòng)模式選擇：根據(jù)駕駛員需求和路況條件，選擇純電驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)和發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式，以達(dá)到更好的動(dòng)力性能和能源利用效率。

故障診斷與安全保護(hù)：監(jiān)測整車各部件狀態(tài)和工作情況，發(fā)現(xiàn)異常會(huì)及時(shí)發(fā)出警告或報(bào)警信號(hào)，并采取相應(yīng)措施。同時(shí)，VCU具備故障自診斷功能，實(shí)時(shí)檢測和分析故障并提供相應(yīng)的修復(fù)方案。

通訊功能：與其他控制單元（如電池管理系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)換單元等）信息交互，實(shí)現(xiàn)車輛各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，確保整車系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在 VCU 軟件開發(fā)過程中，開發(fā)流程至關(guān)重要，它是保證開發(fā)軟件質(zhì)量的重要手段之一。所開發(fā)的整車控制器軟件需要經(jīng)過各種不同層面的測試,調(diào)整和驗(yàn)證才能最終作為產(chǎn)品發(fā)布出去。采用先進(jìn)的測試方法和手段，如 MiL 測試、HiL 測試、實(shí)車測試等整車驗(yàn)證。

二、開發(fā)過程中參考標(biāo)準(zhǔn)及縮寫

VCU應(yīng)用層算法開發(fā)過程主要供參考標(biāo)準(zhǔn)如下表所示:    

表 1-1參考標(biāo)準(zhǔn)列表

序號(hào)     

標(biāo)準(zhǔn)      

1      ISO 14229-1 道路車輛 統(tǒng)一診斷服務(wù) 第一部分:規(guī)范和需求      

2      ISO 15765-3 道路車輛 控制局域網(wǎng)絡(luò)診斷 第三部分:統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的診斷服務(wù)實(shí)施      

3      GBT19596-2004 電動(dòng)汽車術(shù)語      

4      QCT413-2002 汽車電器設(shè)備基本技術(shù)條件      

5      GB-T27930-2011電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議      

6      GBT20234.1-2015 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第1部分:通用要求      

7      GBT20234.2-2015 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第2部分 交流充電接口      

8      GBT20234.3-2015 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第3部分 直流充電接口      

9      QCT897-2011 電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件      

10      GBT18384.1 電動(dòng)汽車安全要求-車載儲(chǔ)能裝置      

11      GBT18384.2電動(dòng)汽車安全要求-功能安全和故障保護(hù)      

12      GBT18384.3 電動(dòng)汽車安全要求-人員觸電防護(hù)      

13      GBT18385 電動(dòng)汽車動(dòng)力性能試驗(yàn)方法      

VCU應(yīng)用層算法開發(fā)過程涉及到縮寫術(shù)語如下表所示:

表 1-2參考標(biāo)準(zhǔn)列表

縮寫      

英文全稱      

中文解釋      

VCU      

Vehicle Control Unit      

整車控制單元      

SOC      

State of Charge      

荷電狀態(tài)      

MiL      

Model in the Loop      

模型在環(huán)測試      

HiL      

Hardware in the Loop      

硬件在環(huán)測試      

ABS      

Anti-lock Braking System      

剎車防抱死系統(tǒng)      

ESP      

ElectronicStabilityProgram      

車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)      

BMS      

Battery Management System      

電池管理系統(tǒng)      

CAN      

Controller Area Network      

控制器局域網(wǎng)      

MCU      

Motor Control Unit      

電機(jī)控制單元      

AC      

Air Conditioner      

空調(diào)      

PTC      

Positive Temperature Coefficient      

空調(diào)加熱器      

DC/DC      

Direct Current/Direct Current Converter      

直流/直流變換器      

EPS      

Electronic Power Steering      

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)      

SDD      

 System Design document      

系統(tǒng)設(shè)計(jì)文檔      

DD      

Data Dictionary      

數(shù)據(jù)字典      

STS      

System test document      

系統(tǒng)測試文檔      

SOP      

Small-Outline Package      

批量生產(chǎn)      

三、VCU控制器軟件架構(gòu)   

VCU 集成駕駛員意圖識(shí)別、動(dòng)力控制、電池管理控制、電機(jī)控制、增程器控制等主要功能。作為目標(biāo)車輛系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部件，VCU 根據(jù)采集駕駛員的操作指令、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、SOC 和水溫等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)既定的電機(jī)、電池和傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化匹配目標(biāo)。開發(fā)一款高性能、低成本的 VCU 對新能源汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等整車性能具有十分重要的影響。

圖3-1 VCU 軟件參考框架

控制功能

新能源汽車整車控制功能具有扭矩管理，電池、電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池協(xié)調(diào)管理，充電管理，故障診斷，安全監(jiān)控等功能。能夠準(zhǔn)確判斷并反映的駕駛員的駕駛意圖，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和能量回收工況下的扭矩請求和限制保護(hù)，識(shí)別電機(jī)、電池、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池等部件的故障并采取相應(yīng)的控制策略，同時(shí)輸入狀態(tài)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控功能，確保車輛行駛安全可靠。

整車控制還需實(shí)現(xiàn)車輛附件的控制，包括空調(diào)、助力轉(zhuǎn)向、真空助力、熱管理系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對輸入輸出濾波、抗抖等處理，保證信號(hào)有效。實(shí)現(xiàn)整車總線通訊調(diào)度，實(shí)現(xiàn)各部件信號(hào)安全、高效、共享。    

VCU 功能示意圖

新能源汽車整車控制器(VCU)通過完成以下主要功能實(shí)現(xiàn)對整車的動(dòng)力性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及舒適性控制:

系統(tǒng)上/下電控制：低壓上電自檢；整車防盜認(rèn)證；電池高壓上電控制；MCU 使能控制；READY 行車狀態(tài)指示；正常下電控制；故障下電控制。

駕駛檔位/模式管理：行車狀態(tài)識(shí)別；駐車控制；駐車解鎖控制；驅(qū)動(dòng)檔位管理；換擋失敗提醒。

能量管理：能量計(jì)算；能量分配。

充放電管理：慢充充電；快充充電；預(yù)約充電；智能 12V 充電；外接放電。

駕駛模式管理：正常模型 Nommal；運(yùn)動(dòng)模式 Sport；經(jīng)濟(jì)模式 ECO。

扭矩需求控制：加速扭矩計(jì)算；制動(dòng)/滑行扭矩計(jì)算；蠕行扭矩控制；跛行扭矩計(jì)算；ESC 扭矩需求；定速巡航控制。    

扭矩需求限制：電池功率限制；功率限制模式；電機(jī)特性限制；最高車速限制；整車加速限值；扭矩安全。

扭矩協(xié)調(diào)處理：扭矩協(xié)調(diào)切換；扭矩梯度限制；扭矩平滑處理。

碰撞管理：碰撞狀態(tài)識(shí)別；碰撞模式控制。

整車熱管理功能：溫度信號(hào)采集；高速/低速風(fēng)扇控制；冷卻水泵控制；空調(diào)系統(tǒng)控制；PTC 功率限制。

附件管理功能：DC/DC 工作控制；Epark 駐車控制；EPS 使能控制；制動(dòng)燈控制；EPB 控制；倒車燈控制；真空泵控制。

儀表顯示控制：續(xù)駛里程估算；功能參數(shù)顯示；故障狀態(tài)指示。

網(wǎng)關(guān)控制：報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)；信號(hào)拆包打包。

整車系統(tǒng)保護(hù)功能：最高車速超速保護(hù)；倒檔速度保護(hù)；整車驅(qū)動(dòng)扭矩超限保護(hù)；能量回收扭矩超限保護(hù)；扭矩控制一致性保護(hù)；整車過溫保護(hù)；互鎖檢測保護(hù)。

故障診斷功能：系統(tǒng)故障識(shí)別；系統(tǒng)故障分級(jí)；故障處理。

四、開發(fā)流程   

 VCU 控制策略開發(fā)采用主流的基于模型的軟件開發(fā)模式，遵循國際通用標(biāo)準(zhǔn)的V字型開發(fā)流程，主要包括下圖所示幾個(gè)階段:    

VCU開發(fā)流程

4.1 需求分析  

本階段主要內(nèi)容如下:

1)需求文檔化

分析客戶需求，研究受控對象，明確控制功能及系統(tǒng)配置，形成需求描述文檔。

2)開發(fā)流程及規(guī)范建立

開發(fā)流程及規(guī)范建立；命名規(guī)范建立；模塊測試流程/專家檢查流程建立；建模規(guī)范建立；測試規(guī)范建立。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)  

主要工作內(nèi)容:

創(chuàng)建各模塊控制思想的數(shù)學(xué)化/工程化描述文檔 SDD(Software Design document創(chuàng)建各模塊數(shù)據(jù)傳遞接口文檔 DD(Data Dictionary)    

確定控制器 1O 和通訊接口

設(shè)計(jì)文檔建立標(biāo)準(zhǔn):

SDD 設(shè)計(jì)文檔圖形化、邏輯化，且易于理解

DD 文檔輸入輸出定義清楚、全面

控制器接口電路圖規(guī)范清晰

控制器外圍電氣原理參考

4.3 軟件設(shè)計(jì)  

4.3.1 控制功能建模

使用模型化的編程工具 Matlab/Simulink 軟件,完成整車控制器控制功能各模塊模型搭建模型搭建主要要求如下:

軟件框架搭建合理有效    

圖形化編程(Matlab/Simulink/Stateflow)

符合可測試性要求

符合建模規(guī)范要求

4.3.2 軟件檢查

為了保證軟件模型的質(zhì)量，完成模型之后完成模型的 MAAB 規(guī)范檢査和 Model DesignVerifier，同時(shí)確保模型生成代碼之后，做 Miscr C 和 PolySpace。

1、MAAB 檢查

模型搭建之后，首先進(jìn)做 MAAB 建模規(guī)范檢查，之后創(chuàng)建自定義的檢查規(guī)范

a)選擇整個(gè)模型或是其中一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范檢查。

b ) 按建模規(guī)范修改模型

2、Design Verifier 檢査

Design Verifer 使用形式化方法來識(shí)別模型中隱藏的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。檢測模型中導(dǎo)致整數(shù)溢出.死邏輯、數(shù)組訪問越界和被零除的塊。可以形式化驗(yàn)證設(shè)計(jì)符合功能需求。對于每個(gè)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤或違反設(shè)計(jì)需求，會(huì)生成一個(gè)仿真測試用例以供調(diào)試。

MISRA C檢查

用戶可以編寫自己的規(guī)范和檢查，先建立規(guī)范，輸入規(guī)范條文，然后建立檢查框架信息最后按照提供的例子進(jìn)行 m腳本的編寫，實(shí)現(xiàn)規(guī)范的自動(dòng)檢查。

a)用戶規(guī)范編寫

選擇庫瀏覽器規(guī)范，選擇新建，輸入新建規(guī)范的ID 和標(biāo)題，選擇所在的庫，然后在出現(xiàn)的對話框中填寫規(guī)范所要求的內(nèi)容，保存，即可生成新的規(guī)范。    

b)用戶檢查框架信息編寫

選擇庫瀏覽器檢查，選擇新建，輸入新建檢查的ID 和標(biāo)題，選擇所在的庫，然后在出現(xiàn)的對話框中填寫檢查所要求的內(nèi)容，保存，即可生成新的檢查。

c )檢查腳本的編寫

d )在規(guī)范中引用檢查

4、PolySpace 檢查

軟件實(shí)現(xiàn)即編碼階段,在該階段軟件工程師希望隨著編碼進(jìn)程查找并修復(fù)軟件缺陷和違背編碼規(guī)范之處，Bug Finder 可以助其快速迭代分析。Bug Finder 支持了當(dāng)前主流的網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)檢查，代碼風(fēng)格和命名規(guī)范則提供了簡單易行的定制界面和方法。

4.3.3 模型測試

控制策略完成后，進(jìn)行模型在環(huán)測試(MiL)，用于在生成代碼之前保證控制邏輯的正確性與準(zhǔn)確性。根據(jù)目標(biāo)車輛特性搭建車輛模型(或在已有模型基礎(chǔ)上修改，車輛模型不作為本項(xiàng)目提交物)，并設(shè)計(jì)測試用例，對控制策略模型進(jìn)行測試，提供詳細(xì)的測試報(bào)告。

MiL 測試內(nèi)容主要包括:

1)搭建模型測試環(huán)境

2)模型測試與模型完善

3)撰寫測試報(bào)告

4.4 軟件實(shí)現(xiàn)  

基于第三方的控制器硬件,通過控制器硬件識(shí)別的編譯器,將 simulink 模型軟件編譯成 C 代碼，然后把 ℃ 代碼與控制器底層軟件打包集成編譯成可執(zhí)行代碼，下載到對應(yīng)的控制器中，為后續(xù)測試環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。    

4.5 硬件在環(huán)測試  

HiL 測試內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容:

整車控制器核心控制算法功能測試:診斷功能測試;

網(wǎng)絡(luò)通信測試:

極限工況模擬測試;

編寫 HiL 測試報(bào)告;

4.6 臺(tái)架測試  

臺(tái)架測試主要針對整車控制器、與電機(jī)臺(tái)架聯(lián)合調(diào)試。是否做臺(tái)架測試，可以在項(xiàng)目實(shí)施過程中視電機(jī)臺(tái)架實(shí)際情況決定。

4.7 實(shí)車測試  

硬件平臺(tái)在裝車時(shí)，需在實(shí)車上進(jìn)行整車控制器的標(biāo)定,采用基于硬件供應(yīng)商所支持協(xié)議的方式測試。標(biāo)定工作達(dá)到雙方的功能需求和性能要求為標(biāo)定結(jié)束的標(biāo)志，在此期間工程師程序調(diào)整和標(biāo)定參數(shù)調(diào)整。    

4.8 高低溫測試  

本項(xiàng)目在廠區(qū)基本測試和標(biāo)定之后，進(jìn)行低溫和高溫試驗(yàn)，低溫試驗(yàn)具體在環(huán)境倉中進(jìn)行或者在實(shí)地測試場進(jìn)行;根據(jù) SOP的時(shí)間，高溫測試可以考慮環(huán)境倉或反季試驗(yàn)進(jìn)行，工程師制定整車控制器高低溫測試工作。

低溫測試