电动汽车用整车控制器总体设计方案资料

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1、I 电动汽车用整车控制器总体设计方案电动汽车用整车控制器总体设计方案 I 目 次 1 文档用途 1 2 阅读对象 1 3 整车控制系统设计 1 3.1 整车动力系统架构 1 3.2 整车控制系统结构 2 3.3 整车控制系统控制策略 3 4 整车控制器设计 4 5 整车控制器的硬件设计方案 5 5.1 整车控制器的硬件需求分析 5 5.2 整车控制器的硬件设计要求 6 6 整车控制器的软件设计方案 7 6.1 软件设计需要遵循的原则 7 6.2 软件程序基本要求说明 7 6.3 程序中需要标定的参数 7 7 整车控制器性能要求 8 1 整车控制系统总体设计方案 1 文档用途 此文档经评审通过后

2、将作为整车控制系统及整车控制器开发的指导性文件。 2 阅读对象 软件设计工程师 硬件设计工程师 产品测试工程师 其他相关技术人员 3 整车控制系统设计 3.1 整车动力系统架构 如图 1 所示， XX6120EV 纯电动客车采用永磁同步电机后置后驱架构， 电机 3 通过二挡机械变速箱 4 和后桥 5 驱动车轮。车辆的能量存储系统为化学电池（磷酸铁锂电池组 8 ） ，电池组匹配电池管理系 统（Battery Management System，简称 BMS）用以监测电池状态、故障报警和估算荷电状态（State of Charge，简称 SOC）等，电池组提供直流电能给电机控制器 2 通过直-交变

3、换和变频控制驱动电机运转。 整车控制器 1（Vehicle Control Unit，简称 VCU）通过 CAN（Control Area Network）和其它控制器联接， 用以交换数据和发送指令。 该车采用外置充电机传导式充电， 通过车载充电插头利用直流导线联接充电 机 9 ，充电机接入电网。 1整车控制器 2电机控制器 3交流永磁同步电机 4变速箱 5驱动桥 6车轮 7电池管理系统 8磷酸铁锂动力电池组 9外置充电机 10电网连接插座 图1 整车动力系统架构简图 2 XX6120EV 大量采用了一体化电动附件，如一体化电动空调、集成电液转向系统、电子真空助力器 和电控PTC采暖系统等。

4、新增及原车12V电器利用车载DCDC单元和12V辅助电池并联充电， 同时DCDC 可对辅助电池充电以维持其荷电状态。 3.2 整车控制系统结构 XX6120EV 的整车控制器（VCU）是车辆整车控制系统的主控制器，通过传感器和其他控制器将 整车的运行信息反馈到整车控制器 （VCU） ， 并根据车辆行驶要求向二级控制器及有关执行器发出指令。 二级控制器由驱动电机控制器（MCU） 、电池管理系统（BMS） 、整车组合仪表等组成。各子系统通过 CAN 总线通讯以及必要的模拟信号通讯构成一个协调工作的动力总成控制网络（见图 1） 。 XX6120EV 的整车控制器 VCU，负责控制动力总成唤醒、电源(

5、强电与弱电)、停机、驱动、能量 回馈、能量管理、安全、故障诊断与失效控制等主要功能。VCU 通过 CAN 总线及必要的模拟信号线与 其它控制器通讯，以传递信息及控制指令。VCU 可由 PC 机上的标定程序进行在线标定。 图2 整车控制系统组成示意图 驱动电机控制系统， 含逆变器或变频器等强电部分和电动机控制器 MCU(含单片机系统、 控制电路) 等弱电部分。MCU 负责电动机运行的控制(强电与弱电)，接收 VCU 的指令并根据自身的算法控制电动 机的工作方式、工作转速与扭矩等，采用转矩闭环的控制方式。 电池管理系统 BMS，负责对动力电池组进行管理，包括电池安全、SOC 算法、充放电过程控制指

6、 令、参数监测等。BMS 还负责对动力电池组进行充电管理，具有 BMS 在线标定与监测功能。BMS 通 过 CAN 总线及状态线与其它控制器通讯，以传递信息及控制指令。 整车组合仪表的液晶显示屏(DPLY)，主要显示整车控制系统和电机、电池相关的数据，例如：电 压、电流、SOC、累计里程、温度、故障代码等。 标定与监测系统，主要用于对 VCU 的标定与监测，用于在线监测 VCU 的运行参数以及对 VCU 的 控制参数进行在线标定优化。 3 3.3 整车控制系统控制策略 整车控制流程主要包含两部分，一部分是主程序流程，另一部分是中断服务程序流程。主控流程是 对各个功能模块程序的有效集成， 使其按

7、照一定顺序运行以完成对车辆各种控制功能的实现。 中断服务 流程则是对控制部分实时性要求较高的部分进行时间触发控制， 一方面保证程序的实时性， 另一方面减 少 CPU 资源的浪费。 在主控流程中主要包括功能初始化模块，CAN 数据解析模块，充电控制模块，上电控制模块，故 障诊断模块、驱动电机控制模块、CAN 数据打包模块。功能初始化模块用以完成对各硬件模块的初始 化；CAN 数据解析模块，通过 CAN 接受中断实现对总线数据的接收，并将其存入相应缓存区，同时根 据 CAN 网络通信协议将接受数据解析成实际的物理量（例如电机转速、总线电流等）提供给其他模块 进行运算。充电控制模块，该模块对充电过程

8、中的数据进行处理并反馈给相应显示终端，并保证车辆在 充电过程中不能行驶以提高车辆安全性； 上电控制模块实现了高压系统上电的时序控制； 故障诊断模块 综合车辆运行信息判断车辆故障状态；驱动电机控制模块实现了对电机驱动转矩、功率、以及驱动模式 的控制；附件控制模块包含了 PTC 以及空调等的控制。CAN 数据打包模块将控制命令按照通信协议打 包成 CAN 数据帧格式并通过实时中断发送至 CAN 总线。在实时中断中还包括了对加速踏板的采集以 及程序中各种计时计数控制。 XX6120EV采用具有OFF、ACC、ON、START等四个档位的钥匙，钥匙各个档位功能的处理，见表1所示。 表1 钥匙功能描述

9、位置位置 钥匙档位对应的功能钥匙档位对应的功能 总线状况总线状况 OFF 不变 无通信 ACC 不变 无通信 ON 控制器上电控制档：VCU/BMS/MCU/LCD 组合仪表、高压电动辅件 上控制电，并初始化自检；MCU 预充电 CAN 初始化， 开始 通信 START 上高压电档：VCU/MCU 控制完成主接触器闭合，完成强电上电 正常通信 整车的弱电电源采用 12V 蓄电池供电，当钥匙从 OFF 档转到 ON 档时： 各节点控制器接通 12V 电源上电，被唤醒； VCU、MCU、BMS 初始化，程序中各个器件状态标志位置 0，以达到其初始状态； VCU、MCU、BMS 开机自检，自检完毕后

10、发送状态信息 CAN 报文，VCU 收到完成握手； 故障诊断包含与强电相关的一些故障行为，如过流、电压过低或过高等。 整车控制系统的控制策略设计具体参考XX6120EV 整车控制系统控制策略设计书 。 4 4 整车控制器设计 根据整车控制系统控制策略的制定，XX6120EV 整车控制系统的一级控制器整车控制器（VCU） 需完成的主要功能见表 2 所示。 表2 VCU 的主要功能 序号 VCU功能 1 负责整车控制器（VCU、MCU、BMS、DPLY等）的唤醒 2 按照驾驶员指令和传感器信号，通过控制程序的计算和逻辑判断，分别对MCU和 BMS发出状态转换和功率、转矩需求等控制指令 3 驻车、起

11、步、驱动、停机等车辆运行工况控制 4 接收加速踏板信号 5 接收BMS的关于动力蓄电池组状态信号（电流、电压、温度等） 6 接收MCU的关于电机、逆变器的工作状态信号（电流、电压、温度等） 7 故障诊断 8 将有关信息送至组合仪表 9 CAN、RS232通讯方式 10 监测和标定 VCU是电动汽车整车控制系统的核心控制单元，它负责协调各控制系统协同工作，为车辆的良好运 行提供完善的控制逻辑，其原理如图3所示。 图3 整车控制器控制单元 整车控制器（VCU）作为整车控制系统核心，接受各种输入信号，通过 VCU 计算、比较后发出控制 信号控制动力系统输出动力驱动车辆前进，管理车辆制动能量回馈，整车

12、的高压安全管理，整车车载信 息及故障诊断，整车能量管理及分配，变速箱换挡控制，通过 CAN 总线分别对整车低压电气、高压电 气、动力电池组、智能组合仪表进行通讯与控制，实现了整车信息共享。智能组合仪表能显示、存储车 5 辆运行时的各种参数和故障诊断信息便于车辆的运行和维护。 整车控制器通过采用兼容 J1939 标准的 CAN 总线网络通讯来保障整车的故障诊断与容错控制、能 量的优化分配、工作模式的合理切换、人性化的操纵驾驶性和舒适性。 5 整车控制器的硬件设计方案 5.1 整车控制器的硬件需求分析 整车控制器是一个多输入、多输出、数模电路共存的复杂系统，其各个功能电路相对独立。因此， 按照模块

13、化思想设计了硬件系统的各个模块，主要包括：最小应用系统模块，电源模块，CAN 通讯模 块，串口通讯模块，数字量输入输出模块，模拟量输入/输出模块。 整车控制器硬件设计需求为： 采用高度集成和成熟稳定的汽车级微处理器。 共有 16 路通用输出接口，其中 12 路每路最大驱动电流 3A，4 路每路驱动电流 500mA。 共有 16 路光耦隔离的输入接口。 4 路模拟量输入和 4 路输出。 具有大容量的非易失性存储器，时刻保存整车的运行状态。 丰富的通讯接口，包含 2 路独立的 CAN 和 2 路独立的 RS232 通讯接口。 标准的 ECU 接口，防水防尘。 宽电源输入范围，适应 12V 和 24

14、V 电动客车系统。 其中，整车控制器主芯片的需要资源为： 至少 1 路 CAN，高速 500K。 至少 2 个 AD 采集通道，精度 0.001V，要求 10 位精度。 至少 2 个输入捕捉通道，采集 PWM 的脉冲个数。 至少 1 个 PWM 输出通道。 IO 引脚需要 30 个。 20M 的总线频率； 256K 的 FLASH； （估计值，比实际值偏大） 16K 的 RAM； （估计值，比实际值偏大） 潮敏等级：要求 3 级及以下 ESD 等级：人体模式 150V 以上，机器模式 1000V 以上； 6 5.2 整车控制器的硬件设计要求 整车控制器在功能完善的基础上， 可靠性是其质量好坏的

15、主要技术指标。 在纯电动客车整车控制器 的工作环境中，电机、变频器和电池组传输的母线电流变化较大（特别是当变频器进行高频调制时） ， 产生的空间电磁干扰很强；另外，其工作空间的温度变化范围广、振动强度大。以上种种不利因素对整 车控制器可能造成的干扰后果主要表现在下述几个方面： 数据采集误差加大。 控制状态失灵。 数据受干扰发生变化。 程序运行失常。 为保证整车控制器运行正常， 此次的可靠性设计采用了元器件级可靠性设计和系统级可靠性设计相 结合的方法，具体表现在：滤波抗干扰设计、ESD 设计、部件的冗余设计、系统的电磁兼容性设计等。 整车控制器的芯片选型参考XX6120EV 整车控制器芯片选型方

16、案 。 6 整车控制器的软件设计方案 6.1 软件设计需要遵循的原则 6.1.1 合适性 整车控制器软件体系结构要适合于整车控制器软件的“功能性需求”和“非功能性需求” 。 6.1.2 结构稳定性 详细设计阶段的工作如用户界面设计、数据库设计、模块设计、数据结构与算法设计等等，都必须 在体系结构确定之后开展的， 而编程和测试则是更后面的工作， 因此体系结构应在一定的时间内保持稳 定。注重软件体系结构的设计，当整车控制需求发生变化时，要保证只能对软件做些程序代码本身部分 内容进行修改，不改变软件的体系结构，不得去修改软件的体系结构。 6.1.3 可扩展性 可扩展性是指软件扩展新功能的容易程度。 整车控制器的软件可扩展性越好， 表示整车控制器适应 “变化”的能力越强，越容易软件升级换代。 6.1.4 可复用性 为使整车控制器能在不同类型的纯电动车辆及多能源系统车辆的兼容， 整车控制器的体系结构需具 7 有良好的可复用性，软件工程要设计出一种通用的体系结构模式，只有这样体系结