纯电动汽车整车控制器技术及发展

前  言

纯电动汽车是由多个子系统构成的一个复杂控制系统，除了传统车具备的各种功能和系统外，还包括动力电池系统、电机及其控制系统等。各子系统都通过自己的控制单元来实现各自的功能和目标。

汽车作为单体，有整体目标和要求，如动力性、经济性、驾驶性等目标，为了满足这些要求，一方面各部件必须具有智能化的人车交互接口；另一方面，各系统之间还必须彼此进行紧密的配合和有序的协作，以实现互相之间的动态优化和匹配。因此，纯电动汽车控制系统必须需要一个整车控制器来完成这些协调匹配的工作，统筹管理各电子控制部件。

1  整车控制器设计概述

整车控制器的技术、性能的好坏直接决定了电动汽车整车性能的优劣，起到了至关重要的作用，被称为电动汽车的三大核心技术之一。

1.1  硬件电路设计

总的来说，硬件电路通常分为以下几个部分：

1）微处理器电路

2）传感器信号采集电路

3）负载驱动电路

4）电源电路

5）通讯电路

6）辅助单元电路

微处理器部分一般都是最小工作电路系统，我们下面只描述外围的功能电路的设计技术。

1.1.1  传感器信号采集

低压车用传感器分为3种类型，电压型，电阻型和PWM信号型。

电压型传感器一般根据信号电压的最大值，分为5V和12V，采集电路只需要将滤波后的信号通过电阻网转换成芯片采集管脚兼容的电压范围，采集芯片就可进行模数转换了。

电阻型传感器还需要对电阻网的电阻值进行匹配，以保证采集芯片管脚能采集到合适电压值。

PWM信号型传感器采集电路应该有滞回比较电路，否则难以避免边沿抖动导致的采集错误。

1.1.2  负载驱动器

负载驱动器用于驱动各类负载，按照驱动方式又分为低边驱动和高边驱动方式。

1.1.3  电源

整车控制器的电源系统也分为以下几类：

一是系统电源，整车控制器的主芯片和辅助芯片需要稳定的1.2~1.3V、3.3V和5V三种电源，我们设计的时候可采用集成式设计，并且需对电源的供电参数和负载额定参数进行详细的匹配，以保证整车控制器核心电路可靠工作。

二是传感器供电电源，如油门踏板、刹车踏板等电压信号型传感器，都是需要外部电源供电才能正常工作的。这些传感器的额定电流较小，范围在50mA~150mA，目前都是采用专用芯片的解决方案。

1.1.4  通讯

目前整车控制器主要通过CAN总线与其他设备进行信息交互。

CAN总线电路包括CAN控制器和CAN物理层（收发器）二部分，一般CAN控制器都会集成在主芯片中，所以外部电路一般只有CAN收发器、终端电阻网络和抗干扰网络几个部分。如果需要CAN唤醒功能的话，需要支持此功能的收发器芯片。

1.1.5  辅助单元

此外，电路设计上必须额外设计一块辅助单元电路，用以对主芯片、主通讯电路及各个重要电子功能部件进行实时监控。

总体上来说，辅助单元虽功能不多，但比较关键，其具体功能要基于需求进行详细和系统设计。

1.2  软件功能

1.2.1  整车驱动控制

根据司机驾驶意图、车辆状态、工况，对驱动电机的工作状态及功率输出进行合理分配、协调和控制，精确满足驾驶员对车辆控制的具体要求。主要包括加减速、恒速、制动和后退等工况。

1.2.2  制动能量回馈

根据制动踏板和加速踏板数据、车辆行驶综合信息、动力电池状态，对制动模式进行判断，通过计算制动力矩分配，对部分制动能量进行适当回收并将此能量回存到储能装置中，再在适当的时候（满足充电条件），将能量反向充电给动力电池。

1.2.3  整车能量管理和优化

在纯电动汽车中，电池除给电机供电以外，还要给电动附件供电，因此，为了获得最大的续驶里程，整车控制器将负责整车的能量管理，以提高能量利用率。在电池SOC值较低时，整车控制器将对某些电动附件发出限制功率指令，来增加续驶里程。

1.2.4  故障诊断和保护

整车控制器通过总线，实时监视整车电控系统，并进行故障诊断。故障产生时，控制器通过总线信息传送部分故障码，并点亮故障指示灯。

整车控制器可与外部诊断设备连接并诊断通讯，通过UDS诊断服务，实现数据流读取，故障码的读取和清除，并且具有控制端口的调试功能。

1.2.5  整车网络管理

整车网络管理是通过共同遵循一种提前约定的机制，以实现网络数据的高效、安全、及时传输的一种方法，目前大都采用OSEK或AUTOSAR网络管理机制。

2  整车控制器技术的发展

2.1  传统控制器改造阶段

国内新能源开发刚起步时，出现了第一代量产型整车控制器产品。

当时零部件供应商的技术主要来源于传统汽车电控ECU，设计方法、电路、软件、标准等都来源于发动机控制器及车身控制器等传统技术。


2.2  专用的整车控制器产品

2013年之后国内市场迅速成长，整车控制器开发已形成一套专业方法，市场上出现成熟的专用产品，如德尔福HCU-2、联电VCU、大陆H300等。

硬件方面设计变化并不大，软件方面形成了基于模型自动代码的开发方式，引入了V开发流程，专用集成工具等。

2.3  高性能，通用化和平台化

2018年之后至今，整车控制器功能技术发展进入一个高速阶段，为整车控制器高实时性需求、复杂应用和算法提供了强有力的保障和基础。

最引人注目的技术是AUTOSAR技术和功能安全（ISO26262）标准的引入，这些技术引入极大地加速了整车控制器产品通用化和平台化的脚步，可以说AUTOSAR+ISO26262的组合代表了目前整车控制器开发的主要技术路线。

2.4  域控制和网络化

汽车未来发展趋势是电动化、智能化（甚至是软件定义汽车），那么整车控制器未来发展必将是高度集成及高度安全可靠。

以域为单位的域控制器集成化架构就是当前最佳的解决方案。

域控制器技术将汽车电子各部分功能划分成几个功能域，例如：动力域、传动域、传统车身电子域、智能及辅助驾驶域，安全域等，利用域内唯一的处理能力强大得多核CPU/GPU芯片，对控制域内原本归属各个ECU的大部分功能进行综合监控，以此来取代传统的分布式架构。

3  结论

有人说整车控制器的功能会在新能源技术发展和集成化的过程中被分解到其他零部件上，从而导致整车控制器最终会被自然淘汰掉。笔者认为，虽然这种思路已经被提出来很多年了，但整车控制器仍然在发挥着不可替代的作用；可以肯定得是，伴随着新能源汽车技术的发展，市场扩大，不断涌现的新需求等变化，最终形成整车控制器的稳定技术路线和全新架构，会形成一种在技术实现、传统延续、功能性能、价格成本、扩展性、新型安全等方面都能够满足需求的一种形态，整车控制器将发挥更积极重要的作用。