本文旨在说明如何开发一款电动车整车控制器。

整车控制器（VCU）是电动汽车的核心部件，VCU技术是体现整车企业自主知识产权和产品水平的核心技术；VCU 技术水平的高低和成熟度直接影响整车的动力性、经济性及安全性。

五步教你如何开发一款电动汽车的整车控制器（五步教你如何开发一款电动汽车的整车控制器）

1.需求分析

整车控制器的功能

VCU 作为上层控制单元负责协调动力系统各个部件的运行，根据驾驶员操作信号进行驾驶意图解释、根据各部件和整车工作状态进行整车安全管理和能量分配决策，向各部件控制器发送控制指令，并向仪表及多功能显示单元等设备输出动力系统状态信息。各部件控制器根据其指令控制相应部件，驱动汽车正常行驶。概括起来整车控制系统的功能主要是实现：1）动力系统的控制（信号采集及处理、驾驶意图识别、能量管理、上下电管理）；2）附件管理；3）整车网络管理；4）汽车状态的监示和故障诊断及保护。

整车控制器的组成

电控系统一般由传感器、 ECU 及执行器三部分组成。传感器又叫 “转换器” ，把非电量（物理量）变为电量，以模拟量和数字量的形式输出给 ECU；ECU 是许多半导体基片制成模拟电路、数字电路和逻辑分析、运算电路，其中中央处理器 CPU 是核心部件；执行器多为继电器、电机及阀等部件，它把电量变成非电量，定时、定量地完成 ECU 的指令任务，实现随机伺服控制[2]。VCU 是一种车用 ECU，作为电动汽车的 “大脑” ，采集汽车传感器的相关信号，控制汽车上相关的执行器，实现驾驶员的意图，保证汽车的安全行驶。VCU 主要由VCU 硬件、 VCU 基础软件和 VCU 应用软件三部分组成，其中硬件是软件运行的载体；应用软件实现驾驶员意图解析、路况及汽车运行状态的判断、能量管理、故障诊断及处理等功能，是VCU的核心；基础软件是应用软件与硬件的桥梁和通道，三者相互配合，缺一不可。

2.VCU 硬件开发

整车电气原理

VCU 通过控制智能配电箱控制其他部件高低压电路的通断；通过 CAN 网络与电机控制器、电池管理系统 BMS、电动仪表、 BCM及远程监控等 ECU 单元实现通讯；通过采集钥匙、油门、制动、挡位及手刹等信息，进行驾驶意图识别；通过总线或硬线命令，控制电机、电池及电附件的工作；通过高端驱动或低端驱动，控制相应继电器闭合或断开，实现各部件的上下电动作。

硬件设计

VCU 需求硬件资源和功能梳理：

1）供电电压12 V；

2）低端驱动通道、高端驱动通道、开关量输入、模拟量输入、频率量输入、 CAN

总线通道；

3）具备内部延时掉电功能、板载温度监测、 12 V 供电电压检测、板载 5 V 电源电压检测、板载电源指示灯、总线支持最大 500 kB/s 通讯速率、内置硬件看门狗电路；

4）存储温度：-20～60 ℃，工作温度：-40～85 ℃，防护等级 IP67。

之后根据需求开展设计。

VCU 硬件是软件运行的载体，VCU 硬件的可靠性至关重要，根据设计经验，在VCU 硬件设计中应注意 3 个方面：

1）部件的冗余设计；

2）磁兼容设计：布局、布线、屏蔽、接地、滤波及静电放电防护；

3）控制器散热设计。

3.基础软件开发

VCU 基础软件设计采用模块化与平台化的设计思想，其软件架构，如图所示。实现了数字输入出（DIO）驱动、 ADC 驱动、 DAC 驱动、 PWM 驱动及 CAN驱动等基本及复杂的驱动程序，以及微处理器驱动、内存驱动、通讯驱动和 I/O 驱动等微处理器抽象层驱动；设计了基于 CAN 通讯的 Bootloader、标定、故障诊断、监测模式、自测试及调试等功能，使得开发的 VCU 具备多种工作模式；通信模块实现了网络管理及与其他ECU 单元的通信（与驱动电机、动力电池、仪表、车身控制器及远程监控等）。

五步教你如何开发一款电动汽车的整车控制器（五步教你如何开发一款电动汽车的整车控制器）

4.应用软件开发

VCU 应用软件作为电动汽车 “大脑” 的 “指挥官” ，主要根据驾驶员动作分析其驾驶意图，并实时考虑行驶工况及电池SOC等影响因素，根据规则将转矩合理地分配给电机。同时限定电机的工作区域和 SOC 值的范围，确保电机和动力电池能够长时间保持高效状态。在满足汽车行驶安全性、动力性和舒适性的前提下，采用制动能量回收技术，大大增加了电动汽车的续驶里程。当系统出现故障时，系统能够根据预先设定的规则对汽车的工作模式进行判断和选择，能够先于零部件自身的保护，或者在零部件控制失效时发现并处理故障。

基于 MBD 的设计方法已成为当前车辆控制系统开发的主流方法，本 VCU 应用软件正是采用 Mat-lab/Simulink/Stateflow 实现的，通过 input 和 output 模块与底层软件进行接口， VCU 应用软件架构，如图所示。基于转矩控制的设计思想，综合考虑动力电池系统、驱动电机系统及传动系统的工作能力，根据驾驶员意图以及故障诊断情况，进入相应工作模式，发给电机相应的目标扭矩指令。同时对上下电进行逻辑设计实现和仪表显示信息的实现。特别是故障诊断及处理是应用软件设计的一个核心工作之一，根据故障级别，分为报警提醒、限制功率运行及紧急下电等多种情况处理。实现了电机系统、电池系统、油门、制动、继电器、附件（DC-DC 故障等）、冷却系统、网络、换挡手柄故障诊断和保护以及误操作保护（如同时踩油门和刹车，刹车优先；D 挡与 R 挡瞬间切换的平滑处理保护等）。

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5.集成实现与验证

应用层软件是在 Matlab/Simulink 环境下开发的，通过 RTW自动代码生成工具将控制策略模型生成 C代码，之后与 VCU 基础软件进行胶合，在CodeWarrior环境下进行编译调试，调试通过后生成 S19 目标文件代码，通过 Bootloader 服务程序和下载工具（如 CANape、 VESION）将目标文件下载到目标VCU 硬件中。

在进行 RTW代码生成之前，首先对应用层的控制模型进行单元测试和 MIL 测试，其次采用 RCP 技术对控制策略进行了实际的功能逻辑测试，最后采用上述介绍的 VCU 集成开发模式的办法将 VCU 的软硬件结合起来，进行了HIL测试和实车测试。经测试验证发现的bug，应进行改进设计，最终 VCU 功能不断完善，使开发的整车性能逐渐提高。