新能源汽车整车控制器平台研究与开发

摘 要

为满足电动出租车、电动环卫车、纯电动客车、混合动力客车等新能源汽车对整车控制器的使用需求，并且要符合新能源汽车对整车控制器的平台化、高安全性、高可靠性、智能化、低成本的要求，进行了新能源汽车整车控制器产品平台研究与开发。为实现新能源汽车整车控制器产品平台的研发目标，在全面系统总结各类纯电动、混合动力汽车对整车控制器的系统需求、电气需求、应用层软件接口需求、安装需求、诊断需求、质量要求、成本要求等，充分解析最新道路车辆功能安全ISO26262标准的要求，综合评估分析以上因素，进行了整车控制器产品平台的系统方案设计、安全架构设计、硬件平台设计、嵌入式软件平台设计、软硬件仿真分析、诊断标定开发、专有工具链开发、生产工艺开发、测试系统等全方位的研究与开发。历经２年多的新能源汽车整车控制器产品平台研究与开发，最终实现同一款整车控制器硬件平台兼容12V和24V整车电气系统，系统架构安全可靠，具有电源电压等级的智能识别和自适应能力，控制器全部端口具有防滥用智能保护功能。整车控制器平台产品已经通过专业检测机构全面测试，并成功应用于福田公司1200多台车示范运营车辆中，产品运行稳定可靠。

 

1、绪论

在能源短缺和环境污染的双重压力下，新能源汽车越来越受到人们的重视。20世纪60年代后，世界各国政府及汽车生产厂商加大了对新能源汽车产业的投入^[1]。为了实现能源利用形式的多样化和减轻环境污染，发展节能环保的新能源汽车并掌握新能源汽车电控系统核心技术是我国汽车工业可持续发展的必然要求^[2]。

新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车、燃料电池汽车、替代燃料汽车等，而作为所有的新能源汽车都必须具备关键零部件之一—整车控制器VCU（Vehicle Management System）。新能源汽车整车控制器VCU是新能源汽车电控系统中的核心部件，它负责采集驾驶员操作车辆的加速踏板信号、刹车信号、档位信号以识别驾驶员的驾驶意图，并采集车辆中的驱动电机控制系统、动力电池系统、DCDC等各系统状态，经整车控制器总体判断处理后，控制车辆动力驱动系统执行相应的动作、它对汽车的正常行驶、制动能量回馈、网络管理、整车故障诊断与处理等功能起着关键作用^[3]。

本项目面向北汽福田全系新能源汽车车型应用需求，主要包括纯电动出租车、电动环卫车、混合动力大巴车等车型，每个车型平台对整车控制器的需求均不同，车载低压电气系统电压等级也有12V和24V之分。但对其核心功能和安全可靠性要求是一致的。本项目所研究开发的整车控制器产品平台，能够实现了一款整车控制器平台覆盖目前所有车型平台的应用需求，避免了为满足不同车型应用需求对整车控制器进行的重复开发，极大程度上降低了企业的开发成本、人力成本和零部件资源管理成本。

 

2、整车控制器平台的系统需求分析

（1）整车控制器的基本功能需求分析

整车控制器是新能源汽车整个控制系统的核心，其基本功能应包含：

① 接收、处理驾驶员的驾驶操作指令，并向各个部件控制器发送控制指令，使车辆按照驾驶员的期望行驶；

② 与电机系统、动力电池系统、DCDC等进行可靠通讯，通过CAN总线或硬线电气连接进行状态的采集输入及控制指令量的输出；

③ 接收处理各个零部件系统信息，判断处理动力电池系统提供的能源状态信息；

④ 系统故障的判断和存储，动态监测系统信息，记录出现的故障；

⑤ 对整车具有保护功能，根据故障的类别对整车进行分级保护，紧急情况下可以关闭电机系统并切断动力电池高压母线供电输出；

⑥ 协调管理车上其他电器设备。

（2）整车控制器的平台化需求分析

新能源汽车产品平台车型从小型纯电动出租车、中重型的纯电动环卫车、混合动力大巴车和纯电动大巴车等，车型产品线跨度非常大、整车控制系统的功能需求不尽相同、车载电气系统电压等级也不同。为实现一款整车控制器能同时适用于以上全部新能源车型，必须对整车控制器进行平台化设计。平台化的主要需求如下：

① 整车控制器兼容12V和24V整车低压电气系统；

② 控制器提供充足的电气信号端口，能满足不同车型的应用需求；

③ 能够兼容不同类型的上层策略软件；

④ 机械结构能够满足不同车型的不同安装位置、安装方向要求。

（3） 整车控制器的安全性需求分析

由于新能源汽车的ECU系统数量的增加，新能源车电子系统变得结构愈加复杂，功能安全的设计和实施是实现新能源汽车安全控制的重要因素（如图1所示）。

 

图1  新能源车电子控制系统的功能安全需求图例

 

新能源汽车整车控制器作为新能源汽车核心系统的核心部件，负责混合动力或电动汽车动力系统的控制，实现HEV/EV车辆动力系统的力矩/能量管理，因此，整车控制器与车辆功能安全是强相关的，需按照道路车辆功能安全标准ISO26262相关要求进行定义安全项目、风险分析、确定安全目标（如图2所示）、安全概念设计、安全需求分析、测试验证等。

 

图2  新能源整车控制器功能安全目标分析图

 

（4）整车控制器的智能化需求分析

本项目整车控制器为更好适应在全生命周期内可能会遇到的各种复杂多变的极限电气环境，以及同时适应12V和24V整车电气使用需求，这就要求整车控制器具有很高的智能性，具有很强的自适应和自学习能力。最关键的是要满足以下几方面：

① 整车控制器所有的硬件输入输出端口具备防范滥用的能力；

② 整车控制器所有输出驱动端口具有丰富的故障诊断功能；

③ 整车控制器能自动识别供电电源电压等级，能够根据电池电压变化进行输入信号的智能识别与切换。

 

3、整车控制器平台产品设计

为满足公司新能源汽车对整车控制器的应用需求并适当考虑部分功能预留，对整车控制器进行机械结构、硬件电路、底层平台软件等进行系统性设计，以实现平台化、高安全性、智能化的设计目标。

（1）整车控制器的机械结构方案设计

根据控制器硬件电路板的尺寸，充分考虑电路板的安装工艺需求，选择高防护等级的接插件，进行控制器壳体结构设计（如图3所示），外壳采用成熟的压铸铝材质，并在壳体上盖上设计有通气塞，用于平衡控制器内外部压力。控制器外壳可以达到较高防尘防水能力，能够适应车辆上所有安装位的环境需求。

 

图3  整车控制器结构示意图

 

（2）整车控制器的系统安全架构设计

整车控制器硬件系统采用双芯片安全架构设计（实现物理上异构和执行功能上异构）（如图4所示）、完全独立的双供电系统的二级电源管理、扭矩相关的关键信号双路冗余采集、整车控制器中的主控制芯片和安全监控芯片之间采用SPI和CAN冗余直接通讯。

 

图4  整车控制器硬件安全架构图

 

控制器安全架构能够实现主控芯片与安全监控芯片之间相互检测工作状态，在异常情况对整车上的BMS电池管理系统及MCU电机控制器采取安全控制，通过EEPROM存储安全故障信息。

（3）整车控制器的硬件电路设计

整车控制器平台需要处理很多信号，需要的电路结构较复杂，但电路功能相对独立可以划分为不同的单元，因此在硬件电路在设计开发过程中采取模块化的设计思想。电路的模块化设计可以降低设计难度、缩短开发周期，同时有利于优化PCB布局、提高系统抗干扰能力，也便于软件的模块化设计（图5）。

VCU硬件电路可划分为以下模块：

① 处理器模块：主要包括一个高性能单片机的主控芯片和一个8位单片机的安全监控芯片，两个处理器之间采用SPI通讯和内部CAN通讯实现可靠的信息传递以及相互监控，还有与之相匹配的时钟电路、程序刷写电路、EEPROM等。

② 电源模块：将车载蓄电池供电（9~36V）的输入转换为主控芯片、安全监控芯片、逻辑电路所需的5V电源，转换为控制器内部传感器电路和控制器外部传感器5V供电电源，电源电路的设计具有防反接保护功能、过电压保护、欠压保护、电压跌落保护等

③ 数字输入模块：通过对输入信号进行统计，将输入信号分成两大类：高有效输入和低有效输入，这两种电路采用了可以配置的设计方法，同时考虑抗ESD处理、防短路设计、滤波处理、12V和24V信号等级兼容处理等。

④ 传感器输入模块：根据传感器输入信号进行采集电路匹配设计，主要要考虑传感器输出驱动能力、抗ESD处理，防短路处理、滤波处理等。

⑤ 输出驱动模块：输出驱动按照所连接的负载不同，划分两大类：高边输出驱动和低边输出驱动。在这部分硬件电路设计时要根据负载所需求的电流能力选择功率器件，同时要考虑输出短路和开路的诊断设计，驱动电路的过温度、过电流和过电压等保护设计。

⑥ CAN通讯模块：整车控制器硬件电路提供2路符合CAN2.0B通讯协议的通讯模块，用于与整车其他控制模块之间的通讯以及用于程序在线更新和CCP标定。在这部分硬件电路设计时要考虑CAN Hi和CAN Lo端口的抗ESD处理、短路诊断和保护设计、预留休眠和唤醒设计。

 

图5  整车控制器硬件电路模块图

 

在整车控制器硬件电路设计过程中，对控制器硬件电路进行了的关键电路电气性能参数分析计算、基于Flowtherm的热性能仿真分析（如图6所示）等，确保了控制器硬件功能和关键性能是在投板前得到确认。

 

图6  整车控制器PCB板热仿真云图

 

（4）整车控制器的底层平台软件设计

整车控制器底层平台软件设计采用了模块化设计，形成如图7所示的软件结构框架。底层平台软件是介于控制器硬件和上层应用软件之间，是二者之间的桥梁。

 

图7  整车控制器底层平台软件结构框图

 

整车控制器底层平台软件支持Simulink和Targetlink两种模型平台，主要包括IO驱动组件、CCP标定组件、OBD组件、CAN通讯组件、 scheduler组件、bootloader组件，OS组件。

整车控制器底层平台软件集成了基于KWP2000的诊断服务功能，实现故障事件响应，故障指示灯管理等 并在此基础之上进行了KWP2000诊断协议栈管理，Bootloader模块开发，诊断工具软件开发，Flash在线软件刷写功能的开发。整车控制器底层平台软件集成了基于CCP协议的在线标定功能，能够方便对内部数百个标定量进行在线标定和标定量的更新与下载。

 

4、整车控制器平台生产工艺开发

根据VCU整车控制器平台产品的特点，进行了全新的生产工艺优化（如图8所示），在PCBA装壳体之前增加老化测试及FCT功能测试，封外壳之后进行FCT功能测试，然后进行第二次老化测试，老化的同时实现了壳体密封胶的固化，接下来进行气密性测试和EOL下线终检功能测试，最后由质控部门质检后入库。通过优化后的工艺及严格过程检测，确保了整车控制器生产的每个环节品质都是可控的。

 

图8  整车控制器生产工艺优化流程图

 

为提高整车控制器产品的生产效率和测试的精准性，在整车控制器生产线上开发并应用了很多专用工装和专用测试设备（图9），如：自动点胶机、专用气密性测试仪、程序刷写站、功能测试工装等。

 

图9 整车控制器专用工装及测试设备图例

 

5、整车控制器平台产品的测试验证

根据整车控制器的产品性能要求与产品使用环境特殊要求，对整车控制器产品进行了两轮产品全面DV（Design Validation,设计验证）验证试验（如图10所示），主要测试项目包含电气功能、EMC、热冲击、耐高温、耐低温、密封性能、机械振动、机械冲击、跌落、寿命测试、耐化学药品等。

 

图10 整车控制器的产品设计验证项目图

 

6、整车控制器平台项目的开发流程建设

为确保整车控制器的安全性和开发过程标准化，在整车控制器开发过程中采用ISO26262所要求的流程体系（如图11所示），建立了系统开发流程、硬件开发流程、软件开发流程以及相应的交付物体系（如图12所示）。

 

图11  ISO26262标准要求的流程体系

 

图12  交付物体系图

 

7、成果与结论

（1）成果

根据VCU整车控制器产品特征及国际标准开发流程的要求，福田新能源整车控制器研发团队已系统的掌握了整车控制器等新能源车的关键电子产品的电气系统、系统架构、硬件系统、底层软件和系统测试的关键技术；透过此项目，成功建立了新能源核心控制器研发能力、软硬件开发流程、软件开发工具链和代工生产工艺开发、供应商配套体系等。本项目所研发的整车控制器平台产品已成功小批量应用于福田公司的多款新能源车上（图13）。到目前为止，VCU整车控制器平台已经成功完成2000多套的小批量生产和实车示范运营应用，至此，VCU控制器平台产品故障率为0。

 

图13  整车控制器平台产品的应用车型图谱

 

（2）结论

① 本项目所开发的整车控制器平台产品经过福田公司纯电动出租车、纯电动环卫车、混合动力大巴车等车型的示范运营的实车验证，运行稳定可靠，因此，可满足现阶段新能源整车应用需求。

② 本项目的整车控制器平台能够覆盖福田公司的12V纯电动汽车和24V纯电动和混合动力车，可支持不同车型项目的RTW和Targetlink上层模型软件，因此，符合项目所定义的平台化设计目标。

③ 本项目所开发的整车控制器平台产品通过了22项严格的DV验证试验、零部件寿命测试、整车搭载路试、整车示范运营验证等，因此，符合安全可靠性设计目标。

④ 本项目所开发的整车控制器平台通过了产品DV试验电气性能测试中输入输出端口具备防范滥用测试，整车控制器丰富自诊断功能在整车调试和整车运营售后服务中提供精准的诊断信息，因此，符合智能化的设计目标。

 

参考文献：

[1] 万沛霖主编. 电动汽车的关键技术. 北京: 北京理工大学出版社，1998

[2] 陈清泉主编. 现在电动汽车技术. 北京: 北京理工大学出版社，2002.11

[3] 陈素梅等. HNSAE09060 纯电动车整车控制器设计. 河南: 河南省汽车工程学会第六届科研学术研讨会 论文集，2012

[4]. 葛庆光. 纯电动汽车整车控制器的研究. 合肥工业大学硕士学位论文，2012.04