國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車整車控制器(VCU)性能指標(biāo)及設(shè)計(jì)思路

貞光科技從車規(guī)微處理器MCU、功率器件、電源管理芯片、信號(hào)處理芯片、存儲(chǔ)芯片、二、三極管、光耦、晶振、阻容感等汽車電子元器件為客戶提供全產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)解決方案！

一、國(guó)外產(chǎn)品介紹

（1）豐田公司整車控制器

豐田公司整車控制器的原理圖如下圖所示：

該車是后輪驅(qū)動(dòng)，左后輪和右后輪分別由2個(gè)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

其整車控制器接收駕駛員的操作信號(hào)和汽車的運(yùn)動(dòng)傳感器信號(hào)，其中駕駛員的操作信號(hào)包括加速踏板信號(hào)、制動(dòng)踏板信號(hào)、換檔位置信號(hào)和轉(zhuǎn)向角度信號(hào)，汽車的運(yùn)動(dòng)傳感器信號(hào)包括橫擺角速度信號(hào)、縱向加速信號(hào)、橫向加速信號(hào)和4個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速信號(hào)。

整車控制器將這些信號(hào)經(jīng)過(guò)控制策略計(jì)算，通過(guò)左右2組電機(jī)控制器和逆變器分別驅(qū)動(dòng)左后輪和右后輪。

（2）日立公司整車控制器

日立公司純電動(dòng)汽車整車控制器的原理圖如下圖所示。

圖中電動(dòng)汽車是四輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)， 其中前輪由低速永磁同步電機(jī)通過(guò)差速器驅(qū)動(dòng)，后輪由高速感應(yīng)電機(jī)通過(guò)差速器驅(qū)動(dòng)。

整車控制器的控制策略是在不同的工況下使用不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，或者按照一定的扭矩分配比例，聯(lián)合使用2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，使系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)效率最大。

當(dāng)電動(dòng)汽車起步或爬坡時(shí)，由低速、大扭矩永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪。當(dāng)電動(dòng)汽車高速行駛時(shí)，由高速感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)后輪。

（3）日產(chǎn)公司整車控制器

日產(chǎn)聆風(fēng)LEAF是5門5座純電動(dòng)轎車，搭載鋰離子電池，續(xù)駛里程是160km。采用200V家用交流電，大約需要8h可以將電池充滿；快速充電需要10min，可提供其行駛50km的用電量。

日產(chǎn)聆風(fēng)LEAF的整車控制器原理圖如下圖所示，它接收來(lái)自組合儀表的車速傳感器和加速踏板位置傳感器的電子信號(hào)，通過(guò)子控制器控制直流電壓變換器DC／DC、車燈、除霜系統(tǒng)、空調(diào)、電機(jī)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力電池、太陽(yáng)能電池、再生制動(dòng)系統(tǒng)。

（4）英飛凌新能源汽車VCU & HCU解決方案

該控制器可兼容12V及24V兩種供電環(huán)境，可用于新能源乘用車、商用車電控系統(tǒng)，作為整車控制器或混合動(dòng)力控制器。該控制器對(duì)新能源汽車動(dòng)力鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理、協(xié)調(diào)和監(jiān)控，以提高整車能量利用效率，確保安全性和可靠性。

該整車控制器采集司機(jī)駕駛信號(hào)，通過(guò)CAN總線獲得電機(jī)和電池系統(tǒng)的相關(guān)信息，進(jìn)行分析和運(yùn)算，通過(guò)CAN總線給出電機(jī)控制和電池管理指令，實(shí)現(xiàn)整車驅(qū)動(dòng)控制、能量?jī)?yōu)化控制和制動(dòng)回饋控制。具備完善的故障診斷和處理功能。

此外，該控制器還采用專門加入了一個(gè)16位處理器單元用于實(shí)現(xiàn)針對(duì)主處理器的安全監(jiān)控及Safety IO的控制。

性能指標(biāo)：

主控制器：Infineon 32-bit TC1782

安全控制器：Infineon 16/32bit XC2000

工作電壓范圍：9～32V；

工作溫度范圍：-40～105；

通訊接口：3-chn *CAN；1-chn*LIN；

數(shù)字輸入：26-chn

模擬輸入：6-chn*10-bit@0～5V；7-chn*12-bit@0～12V；

低邊驅(qū)動(dòng)：>14-chn；

高邊驅(qū)動(dòng)：>7-chn；

傳感器供電：>1-chn@ Vbat；4-chn@5V；

樣件圖片：

二、國(guó)內(nèi)產(chǎn)品

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的整車控制器主要由一些高校和研究單位研發(fā)。其技術(shù)方案是通過(guò)微處理器的嵌入結(jié)構(gòu)，編寫(xiě)控制軟件代碼，實(shí)現(xiàn)高效率驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車的功能。它一般采集加速踏板、制動(dòng)踏板、換檔位置、車速等信號(hào)，使用CAN總線與電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車的管理與控制。

（1）天津清源電動(dòng)車輛有限責(zé)任公司和一汽天津夏利股份有限公司牽頭，中國(guó)汽車技術(shù)研究中心、天津大學(xué)、天津和平海灣公司和天津藍(lán)天高科公司等十幾個(gè)單位共同參與合作開(kāi)發(fā)出XL2000型純電動(dòng)轎車。其控制系統(tǒng)如下圖所示。

該電動(dòng)汽車采用集中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，利用CAN通訊總線連接各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。整車控制器對(duì)采集到的模擬量、開(kāi)關(guān)量以及其他控制單元反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，判斷車輛行駛工況，控制電機(jī)以及其他部件協(xié)調(diào)工作，保證純電動(dòng)汽車的正常行駛。

（2）眾泰公司整車控制器

眾泰2008EV是眾泰汽車集團(tuán)開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)第1款純電動(dòng)SUV汽車，2009年3月參加上海車展。2010年7月，眾泰5008EV純電動(dòng)車以10.08萬(wàn)元出售給了杭州一位個(gè)人客戶，成為中國(guó)首臺(tái)掛牌上路的純電動(dòng)汽車。

眾泰5008EV采用鋰離子動(dòng)力電池，配置了車載充電機(jī)，可選擇家用電源充電模式或快速充電模式進(jìn)行充電。最大功率是27 kW，最高車速可達(dá)110km／h，充滿電后續(xù)駛里程為300 km，百公里的耗電僅12kW·h。

目前，眾泰5008EV在享受國(guó)家6萬(wàn)元補(bǔ)貼及杭州市地方補(bǔ)貼之后，價(jià)格是10.08萬(wàn)元。眾泰2008EV的整車控制器 （VCU） 原理圖如下圖所示。

它連接加速踏板、控制電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、直流電壓變換器DC／DC、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)EPS、真空助力系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、組合儀表。整車控制器能夠統(tǒng)計(jì)整車所有電器設(shè)備的功耗，對(duì)比動(dòng)力電池能夠提供的電量，根據(jù)功率模型計(jì)算結(jié)果，輸出控制器指令信號(hào)至電機(jī)控制器，電機(jī)控制器調(diào)整牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)矩值。

當(dāng)整車控制器接收到加速踏板輸入的功率需求信息后，根據(jù)整車所有電器設(shè)備的功率分配情況和電池管理系統(tǒng)輸入的供電電池的電壓、電流等信息進(jìn)行綜合分析，合理地調(diào)整牽引電機(jī)的扭矩輸出，保證其具有足夠的牽引力。

三、國(guó)內(nèi)某公司整車控制器詳細(xì)介紹

1、描述：

整車控制器是純電動(dòng)汽車的核心控制器件，主要功能為采集車輛信息、駕駛員意圖，控制車輛運(yùn)行，診斷車輛故障等。

整車部件拓?fù)洌?/p>

主要功能：VCU完成對(duì)車輛各個(gè)模塊的監(jiān)控和通訊，是整車的“大腦”。

（1） 車輛駕駛：采集司機(jī)的駕駛需求，管理車輛動(dòng)力分配；

（2） 網(wǎng)絡(luò)管理：監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)，信息調(diào)度，信息匯總，網(wǎng)關(guān)；

（3） 儀表的輔助驅(qū)動(dòng)；

（4） 故障診斷處理：診斷傳感器、執(zhí)行器和系統(tǒng)其他部件故障并進(jìn)行相應(yīng)的故障處理，按照標(biāo)準(zhǔn)格式存儲(chǔ)故障碼。標(biāo)準(zhǔn)故障碼顯示；

（5） 在線配置和維護(hù)：通過(guò)車載標(biāo)準(zhǔn)CAN端口，進(jìn)行控制參數(shù)修改，匹配標(biāo)定，功能配置，監(jiān)控，基于標(biāo)準(zhǔn)接口的調(diào)試能力等；

（6） 能量管理：通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車車載耗能系統(tǒng)（如空調(diào)、電動(dòng)泵等）的協(xié)調(diào)和管理，以獲得最佳的能量利用率；

（7） 功率分配：通過(guò)綜合車輛信息、電池和電機(jī)信息計(jì)算電機(jī)功率的分配，進(jìn)行車輛的驅(qū)動(dòng)控制和制動(dòng)能量回饋控制。從而在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)獲得最佳的駕駛性能；

（8）真空助力泵的控制及故障診斷，真空泵故障時(shí)電制動(dòng)輔助控制；

（9）坡道駐車輔助控制；

（10）坡道起步時(shí)防止后溜控制。

VCU性能參數(shù)——硬件性能參數(shù)：

（1）工作特性參數(shù)

工作電壓范圍：9～18V

功率消耗： ≤50W

儲(chǔ)存環(huán)境溫度： -40℃～90℃

工作環(huán)境溫度： -40℃～85℃

工作濕度： ≤90%，不結(jié)露

指令執(zhí)行速度： ≥20MIPS

（2）I/O功能指標(biāo)

采集油門踏板、剎車踏板、鑰匙信號(hào)、檔位信號(hào)等，控制車輛部件開(kāi)關(guān)。

6 路模擬電壓輸入： 分辨率12bit，量程為0-5V

2 路模擬電流輸入： 分辨率12bit，量程為0-20mA

10 路高邊數(shù)字輸出： 最大輸出電流2A

2路大功率高邊數(shù)字輸出：最大輸出電流11A

4 路低邊數(shù)字輸出： 最大吸收電流1A

10 路高邊數(shù)字輸入： 邏輯1閾值≥8V

8 路低邊數(shù)字輸入： 邏輯0閾值≤6V

電路噪聲： ≤10mV

（3）通訊功能：

完成與電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)的CAN總線通信，波特率達(dá)到250KHz，兼容J1939標(biāo)準(zhǔn)。三路獨(dú)立CAN總線，高可擴(kuò)展性。

（4）可靠性、電磁兼容性方面滿足：

防護(hù)等級(jí) QC/T413-2002 IP65

抗震 QC/T413-2002

電磁兼容性 GB/T18655-2002

GB/T17619-1998

GB/T21437.2-2008

耐電壓 QC/T413-2002，具有過(guò)壓、過(guò)流、短接、反接保護(hù)

耐鹽霧性 24h鹽霧試驗(yàn)后，產(chǎn)品內(nèi)部干燥、無(wú)腐蝕現(xiàn)象，常溫正常使用

溫度沖擊 電子控制器經(jīng)10個(gè)循環(huán)（溫度范圍：-40～85℃）轉(zhuǎn)換時(shí)間：＜10 s；停留時(shí)間：-40℃時(shí)停留40 min、90℃時(shí)停留20 min溫度沖擊試驗(yàn)后，能滿足常溫正常使用的要求

平均無(wú)故障時(shí)間 ﹥6000小時(shí)

2、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特色：

1）優(yōu)秀的硬件電路設(shè)計(jì)、接口保護(hù)、電磁防護(hù)設(shè)計(jì)、器件選型等硬件系統(tǒng)是整車控制器的硬件基礎(chǔ)，是驅(qū)動(dòng)軟件、應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試、控制策略運(yùn)行的載體。強(qiáng)力穩(wěn)定的硬件設(shè)計(jì)可以提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，減少故障率。

a、四層電路板，中間層是電源層和地層，電平穩(wěn)定

b、數(shù)字電路電源與功率電路電源分開(kāi)，數(shù)字地與功率地分割設(shè)計(jì)，減少耦合干擾

c、隔離的CAN總線設(shè)計(jì)，避免總線網(wǎng)絡(luò)受到串?dāng)_的影響，2500VRMS隔離

d、頂層和地層電路板采用1OZ加厚鋪銅，銅厚約35um

e、電路板四周采用穿孔地墻設(shè)計(jì)，屏蔽電磁輻射

f、端口EMI（Electro Magnetic Interference) 防電磁干擾設(shè)計(jì)，采用信號(hào)硬件濾波，浪涌保護(hù)器件

g、采用美國(guó)Freescale公司專為汽車級(jí)電子設(shè)計(jì)的16位微控制器MC9S12XEQ512為核心控制芯片。MC9S12XEQ512具有32K內(nèi)部RAM，512KB片內(nèi)Flash Memory，4K內(nèi)部EEPROM和32K片內(nèi)D-Flash，5路MSCAN，2路分離的12位A/D，2路SCI，3路SPI，工作溫度范圍-40至+125℃，40MHz時(shí)鐘

h、整車器件選型依照汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，保證在溫度、震動(dòng)、形變方面具備汽車級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2）實(shí)時(shí)控制軟件，有限狀態(tài)機(jī)模式處理事件

整車軟件采用實(shí)時(shí)控制，采樣間隔時(shí)間1ms。采用合理的底層驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，減少處理時(shí)間，為上層應(yīng)用程序的駕駛員意圖判斷、策略解析等提供支持。

3、針對(duì)輕卡設(shè)計(jì)的能量控制策略

（1）在線程序更新、匹配標(biāo)定、離線故障診斷支持軟件開(kāi)發(fā)根據(jù)在線程序更新工具的需求，在動(dòng)力總成控制器中嵌入基于CAN通訊協(xié)議的程序更新接口；根據(jù)ISO15765或SAE J1939/73協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在VCU中嵌入基于CAN協(xié)議的故障診斷軟件的支持接口。這些接口將為整車控制器的更新、優(yōu)化、診斷帶來(lái)便利。

（2）驅(qū)動(dòng)控制器策略

電動(dòng)卡車需要根據(jù)實(shí)際使用工況，制定適合車輛的運(yùn)行策略，以達(dá)到提高運(yùn)行效率，減少能量消耗的目的。由此，在響應(yīng)駕駛員加速踏板、剎車踏板等信息時(shí)就需要結(jié)合當(dāng)前車輛狀態(tài)進(jìn)行修正、并輸出合適的動(dòng)力。

（3）能量回饋策略

能量回饋是指車輛在制動(dòng)時(shí)利用電機(jī)特性進(jìn)行電能反饋到動(dòng)力電池同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)力矩的一種能量回收策略。其制動(dòng)扭矩安全輸出問(wèn)題由以下條件約束：電池快速充電能力約束，電池單體以及SOC狀態(tài)約束，前后橋制動(dòng)力平衡約束。

再生制動(dòng)導(dǎo)致的車輛前后軸制動(dòng)力分配不均問(wèn)題，保證ABS系統(tǒng)的可靠性和整車制動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

如下圖所示，如仍采用傳統(tǒng)車的定比例制動(dòng)力分配策略，新的“機(jī)械+再生制動(dòng)”分配曲線將會(huì)在I曲線之上，在附著力低的路面上會(huì)出現(xiàn)后輪先抱死的不穩(wěn)定工況，影響ABS系統(tǒng)的可靠性。要研究電動(dòng)卡車專用制動(dòng)系統(tǒng)，以保證整車制動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

回饋制動(dòng)策略：限制最大回饋制動(dòng)力，同時(shí)在輪速低于一定閾值時(shí)，退出能量回饋制動(dòng)。

（4）故障處理策略

嚴(yán)格故障分類分級(jí)，根據(jù)實(shí)際情況制定故障處理機(jī)制，保證車輛安全運(yùn)行。

對(duì)故障進(jìn)行三個(gè)等級(jí)分類：

a、低等級(jí)故障：儀表聲光報(bào)警，車輛繼續(xù)運(yùn)行；.

b、中等級(jí)故障：儀表聲光報(bào)警，車輛50%功率運(yùn)行，儀表提示降功率；

c、高等級(jí)故障：儀表聲光報(bào)警，停車，斷高壓（絕緣電阻、短路、碰撞）。

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