1、整车控制器设计规范编制 审核 批准 日期 XX 汽车有限公司目 录1 整车控制器控制功能和原理 .12 纯电动客车总成分布式网络架构 .13 整车控制器开发流程 .33.1 整车及控制策略仿真 .53.2 整车软硬件开发 .63.2.1 整车控制器的硬件开发 .73.2.2 整车控制器的软件开发 .103.3 整车控制器的硬件在环测试 .133.4 整车控制器标定 .153.4.1 整车控制器的标定系统 .151 整车控制器控制功能和原理纯电动客车是由多个子系统构成的系统，主要包括储能、驱动等动力系统，以及其它附件如空调等。各子系统几乎都通过自己的控制单元（ECU）来完成各自功能和目标。为了满
2、足整车动力性、经济性、安全性和舒适性的目标，一方面必须具有智能化的人车交互接口，另一方面，各系统还必须彼此协作，优化匹配。因此，纯电动必须需要一个整车控制器来管理系统中的各个部件。纯电动车辆以整车控制器为主节点的、基于高速 CAN 总线的分布式动力系统控制网络，通过该网络，整车控制器可以对纯电动车辆动力链的各个环节进行管理、协调和监控，提高整车能量利用效率，确保车辆安全性和可靠性。整车控制器的功能如下： 1) 车辆驾驶：采集司机的驾驶需求，管理车辆动力。2) 网络管理：监控通信网络，信息调度，信息汇总，网关。3) 仪表的辅助驱动。4) 故障诊断处理：诊断传感器、执行器和系统其他部件故障并进行相
3、应的故障处理，实时显示故障。5) 在线配置和维护：通过车载标准 CAN 端口，进行控制参数修改，匹配标定，功能配置，监控，基于标准接口的调试能力等。6) 能量管理：通过对纯电动客车载耗能系统（如空调、电动泵等）的协调和管理，以获得最佳的能量利用率。7) 功率分配：通过综合车辆信息、电池的 SOC、温度、电压、电流和电机的温度等信息计算电机功率分配，进行有效的能量管理，以保证车辆能量效率达到最优。8) 坡道驻车辅助控制9) 坡道起步时防溜车控制2 纯电动客车动力总成分布式网络架构纯电动客车是由多个子系统构成的复杂系统。随着整车经济性、安全性、可靠性和舒适性要求的提高，纯电动客车上所需要控制的部件
4、越来越多，各个子系统之间所需要交换的信息也增多，控制系统也就变得越来越复杂。基于总线的分布式控制结构可以使各个控制模块的功能相对简单，进而简化系统拓扑结构，提高可靠性。基于 CAN 总线的分布式控制网络，是实现众多子系统实现协同控制的理想途径。由于 CAN 总线具有造价低廉，传输速率高，安全性可靠性高，纠错能力强，实时性好等优点，已广泛应用于中、高价位汽车的实时分布式控制网络，CAN 总线正逐渐成为通用的汽车总线标准。采用 CAN 总线网络还可以大大减少个设备间的连接线束，并提高系统监控水平。纯电动轿车动力总成控制系统中采用 CAN 总线交换信息。采用拓扑网络结构，其主要的优点是：电缆短，容易
5、布线；总线结构简单，又是无源元件，可靠性高；易于扩充，增加新节点只需在总线的某点将其接入，如需增加长度可通过中继器加入一个附加段。纯电动客车动力总成 CAN 总线通讯系统的拓扑网络模型如图 1 所示。采用 CAN2.0B 的扩展格式，通信速率采用 250K。其中 CAN 总线上的节点主要包括：整车控制器、电机控制器、发电机控制、动力电池组管理系统、维护终端等。整车控制器智能仪表CAN电机控制器综合维护终端司机操作电池状态电机状态扭距/转速/温度/故障扭矩/转速/模式设定扭矩/转速指令 电机状态/电池状态/车辆信息标定和维护指令所有消息集图 1 CAN 总线通讯系统的拓扑网络电池管理系统动力电池
6、组电压/电流限值电压/温度/SOC充电状态/故障/电流限值电压/温度/SOC充电状态/故障控制整车控制器通过采集司机驾驶信号，通过 CAN 总线对网络信息进行管理，调度，分析和运算，针对所配置的不同车型，进行相应的能量管理，实现整车驱动控制、能量优化控制、制动回馈控制和网络管理等功能。电机控制器接受整车控制器的控制和扭矩指令，负责电机的驱动控制，并对电机状态进行监控以及电机的热管理。电池管理系统执行电池系统的管理，对电池的电气参数和热参数测量，完成电量计算和安全管理以及均衡管理。综合维护终端主要应用于车辆调试和标定过程中显示整车各个系统的状态，并完成匹配标定工作，同时通过综合维护平台可以远程监
7、控车辆的数据和位置。3 整车控制器开发流程现代的开发流程是采用计算机辅助工具来进行的，可以支持从需求定义直到最终产品的全过程。图 2 表达了这一流程的简化模式V 模式。自顶向下，开发逐渐细化最终形成开发的 ECU 原型。从下向上，通过测试形成与最初设想一致的产品。提供支持这一流程的工具一直是研究部门与工业厂商的重要课题。德国科技部门联合汽车制造商、开发商、工具提供者、与研究部门共同制定新的开发流程。经过对国外汽车著名开发商如: Audi, AVL, BMW, Bosch, Ricardo Engineering, Siemens, Ford 等的了解，他们普遍采用现代的设计开发流程：离线功能仿
8、真快速控制原型自动代码生成硬件在回路仿真参数标定所构成的“V 模式” 。新的开发流程符合国际汽车行业标准 (ASAM/ASAP)。图 2 整车控制器的开发流程在传统的方式下，开发商获得的需求的定义往往还是非正式文本与图表。为了降低对需求描述的不准确性，现在采用计算机可执行的框图与状态流程图来描述。对于一般的状态流程图或经典的控制算法与信号处理采用Matlab/Simulink/Stateflow 作为工具来描述。采用带参数的框图描述控制模型要远远好于文字描述，由于有了自动代码生成工具也就无需再进行手工编程。同时在前期设计的概念就可以通过快速原型进行验证，需求与技术要求在被定义时就能被确定是否可
9、行。这种可执行的框图描述也会在开发过程中逐渐细化。Matlab/Simulink/Stateflow 这样的设计与仿真工具也支持控制系统的功能设计。这一集成环境能够完整地定义 ECU 的功能。无论是基于时间的还是基于事件的算法都可以通过模型来描述。MATLAB/Simulink/Stateflow 作为建模及仿真分析的软件平台，也是实时仿真系统的基础。实时接口库(RTI)无缝集成于Matlab，从而允许用户直接在 Matlab/Simulink 中将已仿真的离线模型轻松转换为实时模型，并通过实时代码生成工具自动从框图模型生成 C 代码，自动编译、连接并下载到原型控制器中。综合试验工具软件可以为
10、用户提供全方位的试验管理，支持可视化硬件管理、变量管理和参数管理，灵活多样的虚拟仪表界面，可实时记录实验数据和曲线等。集成的一体化开发环境可以实现原型 ECU，在方案设计阶段就可以正确地确定系统的控制逻辑和控制参数。在 ECU 正式生产前，尽可能多地消除方案设计中可能存在的缺陷和问题，减少产品设计生产过程中的调试和返工工作量，提高产品的设计质量，尽可能多地在设计阶段完成各种参数的标定工作，缩短产品的开发周期。后期需要做硬件在线回路仿真，通过建立尽可能逼真的车辆系统模型，用实时系统实现一个虚拟的工作环境，从而可以在实验室条件下完成对整车及控制系统的初步测试，减少现场联调测试周期和费用。3.1 整
11、车及控制策略仿真采用仿真为主，硬件在环测试和实车标定为辅的方式相结合来研究整车的控制策略，首先利用 Cruise 建立纯电动客车的整车模型。在 matlab/simulink 下建立整车的控制策略模式，利用 Cruise 和 matlab/simulink 相互耦合就可以在不同的工况下计算并评价车辆的经济性能、动力性能及控制的平顺性等，从而可以评价控制策略的优劣和车辆的性能。如图 4 所示。控 制 参 数 优 化整 车 匹 配 标 定控 制 策 略 评 估预 测 整 车 性 能联 合 仿 真虚 拟 车 辆CRUIS 虚 拟 控 制 器SIMULINK数 据 线 束控 制 参 数 优 化整 车
12、匹 配 标 定控 制 策 略 评 估预 测 整 车 性 能联 合 仿 真控 制 参 数 优 化整 车 匹 配 标 定控 制 策 略 评 估预 测 整 车 性 能联 合 仿 真联 合 仿 真虚 拟 车 辆 虚 拟 控 制 器数 据 线 束虚 拟 车 辆 虚 拟 控 制 器数 据 线 束数 据 线 束图 4 整车控制器软件结构框图CRUISE 是由奥地利著名的发动机制造与咨询公司 AVL 公司开发的，用于研究汽车动力性、燃油经济性、排放性能及制动性能的高级模拟分析软件。其灵活的模块化理念使得 CRUISE 可以对任意结构形式的汽车传动系统进行建模和仿真。它可用于汽车开发过程中的动力系统、传动系统的
13、匹配、汽车性能预测和整车仿真计算；可以进行发动机、变速箱、轮胎的选型及它们与车辆的匹配优化；还可以用于混合动力汽车、纯电动客车的动力系统、传动系统及控制系统的开发和优化。通过仿真的研究，可以确定整车控制策略，对控制策略中的参数进行初步的设定。图 5 显示了在一组工况中仿真数据，从图中就能分析出控制策略的执行情况，力矩分配的合理性及平顺性等。图 5 控制策略中电机和电池参数3.2 整车软硬件开发由于纯电动客车整车控制器是在高干扰环境下运行，同时整车控制器是否正常工作直接影响系统的安全性，因此整车控制器的设计基于高要求、高可靠的基础进行设计。整车控制器的软硬件的整体需求为： 适用于 12V 的纯电
14、动客车需求，电压的工作范围为 618V； 工作的温度范围-40 105； 软件和硬件架构标准化和模块化； 基于实时多任务调度的软件结构； 电源反接保护； 电源的浪涌，过压保护； ESD 保护(防静电)； 功率器件过压，过流，过温保护； 输入和输出管脚对地，对电源短接和开路保护及诊断； 所有的传感器都具有故障时的默认状态。 符合 GB/T 2423.1电工电子产品基本环境试验规程试验 A：低温试验方法的规定。 符合 GT/T 2423.2电工电子产品基本环境试验规程 试验 B：高温试验方法的规定。 符合 GB/T 2423.10电工电子产品环境试验 第二部分：试验发放 试验 Fc和导则：振动（正
15、弦） 的规定。 符合 GB/T 4942.2低压电器外壳防护等级的要求。 符合 GB/T 17619机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限值和测量方法 的规定。3.2.1 整车控制器的硬件开发根据功能把纯电动客车整车控制器可以划分为：微处理器模块，电源模块，模拟量和数字量接口模块，功率驱动模块，通信模块等组成。其中微处理器模块是整个控制系统中的核心模块，也是控制方法实现的载体。模拟量输入接口和油门踏板传感器，制动压力传感器等相连，模拟量输入接口对上述传感器的信号进行滤波和整形，使传感器的信号能被单片机可靠采集。数字量输入接口与模式开关、巡航开关，空档开关，档位开关，刹车开关，空调开关，诊断请求和
16、车速传感器等开关信号相连，经信号处理后送入单片机，微处理器获得司机的驾驶操作，从而能精确地控制整个的功率；电源模块的功能是将纯电动客车上的蓄电池的电压转换成控制单元所需要的电压，同时电源模块还提供两路5V 电源输出给传感器供电。通信模块包括 SCI、CAN 接口。CAN 接口的功能是把单片机的 CAN 模块的 TTL 电平转换成 CAN 总线的物理电平，来与整车的动力系统、仪表及车身总线进行数据交换，功率驱动模块负责接收微处理器的TTL 电平，驱动纯电动客车上的继电器等执行器。同时功率驱动模块还通过I/O 口或同步串行通讯与微处理器模块相连进行故障诊断。1） 微处理器模块在整车控制器设计中，单
17、片机模块是整个整车控制器的关键部分，算法和控制策略运行的载体，也直接关系到整个控制策略的实时性，能很好满足纯电动客车对控制策略的实时运行。微控制器模块是能使微控制器能正常、可靠工作的基本电路，主要包括：时钟、启动配置、复位电路等。2） 电源模块电源模块是整个 ECU 中的核心模块，它的直接关系到整个 ECU 的正常工作情况。而电源模块的使用环境非常恶劣，电池电压变化范围较大，还存在浪涌对电源模块的冲击。为了保证系统的可靠性，电源模块的设计指标是： 工作电压：DC6VDC18V 两路传感器供电（电流限制、短路保护、过温保护） 反压保护：20V 延时掉电控制 上电复位控制 电源监控电源模块还应该提
18、供 5V 电源给油门踏板等传感器供电。这样的设计还能保证当外部传感器电源短路时控制控制系统还能正常工作，保证系统的安全可靠。3） 模拟量和数字量接口模块模拟量和数字量接口模块是整个 ECU 中的控制基层，没有正确、可靠的信号输入，再复杂和有效的控制策略也不可能得出良好的控制结果，同时所有的传感器输入线路还有可能会出现各种的短接故障，为了保护控制单元，模拟量和数字量接口模块还必须具有故障保护和诊断功能。因此本次模拟量和数字量接口模块的设计指标是： 对地、对电源短接保护 开路、对地、对电源短接诊断 所有的传感器都具有故障时的默认状态 ESD 保护 低通滤波4） 功率驱动模块整车控制器的功率驱动模块最主要集中在继电器的驱动，同时还需要有一定的预留量，因此功率驱动模块的设计指标是： 过压，过流，过温，对地、电池短接保护 ESD 保护 对地、电池短接、开路诊断为了使系统比较简单、可靠，在设计中应采用了集成、智能的功率芯片，其集成了过压、过流和过温检测，保证系统的可靠性。通过软件的诊断及保护配合能确保系统在故障情况下的自我保护。
