整車控制器VCU應(yīng)用層算法開發(fā)流程

一、整車控制器（VCU）功能

整車控制器

新能源汽車整車控制器（Vehicle Control Unit，簡稱VCU）是電動汽車中的關(guān)鍵部件，負(fù)責(zé)對整車進(jìn)行控制和管理。新能源汽車整車控制功能具有駕駛員意圖識別、動力控制、電池管理控制、電機(jī)控制、增程器控制等主要功能。能夠?qū)ι?下電時的高/低壓控制邏輯進(jìn)行管理，能夠根據(jù)駕駛員輸入對需求扭矩做出準(zhǔn)確判斷，能夠?qū)囕v當(dāng)前工況進(jìn)行判斷，能夠?qū)崿F(xiàn)需求扭矩獲取、扭矩分配請求和扭矩限制功能;可以實(shí)現(xiàn)再生制動功能,并且協(xié)調(diào)制動能量回收過程電機(jī)制動與 ABS/ESP系統(tǒng)，保證制動安全;能夠識別零部件及系統(tǒng)功能故障，并采取相應(yīng)的應(yīng)對策略，提供系統(tǒng)故障保護(hù)下的跛行等故障處理功能。根據(jù)駕駛員操作實(shí)現(xiàn)對燈光、音響、電源和碰撞等舒適控制功能;對電池系統(tǒng)充放電和電池診斷管理控制功能。

整車控制模塊還需要實(shí)現(xiàn)對車輛附件的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入/輸出信號的處理(包括濾波、抗抖、滯回處理，保證輸入可靠有效，輸出明確)，實(shí)現(xiàn)全車 CAN 網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)關(guān)路由，具有故障診斷功能、能量管理相關(guān)系統(tǒng)的關(guān)鍵信息。

獲取駕駛意圖:VCU需要通過油門踏板、剎車踏板、檔位狀態(tài)等駕駛輸入信號判斷駕駛意圖。

HMI信息反饋:VCU需要將關(guān)鍵信息反饋至HMI，從而告知駕駛?cè)藛T車輛狀態(tài)。

信息交互：將動力系統(tǒng)，電機(jī)、電池、高壓系統(tǒng)、空調(diào)的主要數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)等傳到儀表，接收駕駛員的控制信息。

電機(jī)控制：通過獲取車輛各傳感器數(shù)據(jù)（包括車速、轉(zhuǎn)向角度、加速踏板位置等），實(shí)時調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，實(shí)現(xiàn)車輛加速、減速和行駛穩(wěn)定性控制。能量管理：通過剎車傳感器反饋信號，控制制動系統(tǒng)工作，包括制動力分配、ABS、TCS等，確保車輛制動過程中的穩(wěn)定性和安全。

驅(qū)動模式選擇：根據(jù)駕駛員需求和路況條件，選擇純電驅(qū)動、混合驅(qū)動和發(fā)動機(jī)驅(qū)動模式，以達(dá)到更好的動力性能和能源利用效率。

故障診斷與安全保護(hù)：監(jiān)測整車各部件狀態(tài)和工作情況，發(fā)現(xiàn)異常會及時發(fā)出警告或報警信號，并采取相應(yīng)措施。同時，VCU具備故障自診斷功能，實(shí)時檢測和分析故障并提供相應(yīng)的修復(fù)方案。

通訊功能：與其他控制單元（如電池管理系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)換單元等）信息交互，實(shí)現(xiàn)車輛各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，確保整車系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在 VCU 軟件開發(fā)過程中，開發(fā)流程至關(guān)重要，它是保證開發(fā)軟件質(zhì)量的重要手段之一。所開發(fā)的整車控制器軟件需要經(jīng)過各種不同層面的測試,調(diào)整和驗(yàn)證才能最終作為產(chǎn)品發(fā)布出去。采用先進(jìn)的測試方法和手段，如 MiL 測試、HiL 測試、實(shí)車測試等整車驗(yàn)證。

二、開發(fā)過程中參考標(biāo)準(zhǔn)及縮寫

VCU應(yīng)用層算法開發(fā)過程主要供參考標(biāo)準(zhǔn)如下表所示:

表 1-1參考標(biāo)準(zhǔn)列表

VCU應(yīng)用層算法開發(fā)過程涉及到縮寫術(shù)語如下表所示:

表 1-2參考標(biāo)準(zhǔn)列表

三、VCU控制器軟件架構(gòu)

VCU 集成駕駛員意圖識別、動力控制、電池管理控制、電機(jī)控制、增程器控制等主要功能。作為目標(biāo)車輛系統(tǒng)架構(gòu)中的核心部件，VCU 根據(jù)采集駕駛員的操作指令、車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、SOC 和水溫等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)既定的電機(jī)、電池和傳動系統(tǒng)的優(yōu)化匹配目標(biāo)。開發(fā)一款高性能、低成本的 VCU 對新能源汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性等整車性能具有十分重要的影響。

圖3-1 VCU 軟件參考框架

控制功能

新能源汽車整車控制功能具有扭矩管理，電池、電機(jī)、發(fā)動機(jī)、燃料電池協(xié)調(diào)管理，充電管理，故障診斷，安全監(jiān)控等功能。能夠準(zhǔn)確判斷并反映的駕駛員的駕駛意圖，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動和能量回收工況下的扭矩請求和限制保護(hù)，識別電機(jī)、電池、發(fā)動機(jī)、燃料電池等部件的故障并采取相應(yīng)的控制策略，同時輸入狀態(tài)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控功能，確保車輛行駛安全可靠。

整車控制還需實(shí)現(xiàn)車輛附件的控制，包括空調(diào)、助力轉(zhuǎn)向、真空助力、熱管理系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對輸入輸出濾波、抗抖等處理，保證信號有效。實(shí)現(xiàn)整車總線通訊調(diào)度，實(shí)現(xiàn)各部件信號安全、高效、共享。

VCU 功能示意圖

新能源汽車整車控制器(VCU)通過完成以下主要功能實(shí)現(xiàn)對整車的動力性、安全性、經(jīng)濟(jì)性及舒適性控制:

系統(tǒng)上/下電控制：低壓上電自檢；整車防盜認(rèn)證；電池高壓上電控制；MCU 使能控制；READY 行車狀態(tài)指示；正常下電控制；故障下電控制。

駕駛檔位/模式管理：行車狀態(tài)識別；駐車控制；駐車解鎖控制；驅(qū)動檔位管理；換擋失敗提醒。

能量管理：能量計算；能量分配。

充放電管理：慢充充電；快充充電；預(yù)約充電；智能 12V 充電；外接放電。

駕駛模式管理：正常模型 Nommal；運(yùn)動模式 Sport；經(jīng)濟(jì)模式 ECO。

扭矩需求控制：加速扭矩計算；制動/滑行扭矩計算；蠕行扭矩控制；跛行扭矩計算；ESC 扭矩需求；定速巡航控制。

扭矩需求限制：電池功率限制；功率限制模式；電機(jī)特性限制；最高車速限制；整車加速限值；扭矩安全。

扭矩協(xié)調(diào)處理：扭矩協(xié)調(diào)切換；扭矩梯度限制；扭矩平滑處理。

碰撞管理：碰撞狀態(tài)識別；碰撞模式控制。

整車熱管理功能：溫度信號采集；高速/低速風(fēng)扇控制；冷卻水泵控制；空調(diào)系統(tǒng)控制；PTC 功率限制。

附件管理功能：DC/DC 工作控制；Epark 駐車控制；EPS 使能控制；制動燈控制；EPB 控制；倒車燈控制；真空泵控制。

儀表顯示控制：續(xù)駛里程估算；功能參數(shù)顯示；故障狀態(tài)指示。

網(wǎng)關(guān)控制：報文轉(zhuǎn)發(fā)；信號拆包打包。

整車系統(tǒng)保護(hù)功能：最高車速超速保護(hù)；倒檔速度保護(hù)；整車驅(qū)動扭矩超限保護(hù)；能量回收扭矩超限保護(hù)；扭矩控制一致性保護(hù)；整車過溫保護(hù)；互鎖檢測保護(hù)。

故障診斷功能：系統(tǒng)故障識別；系統(tǒng)故障分級；故障處理。

四、開發(fā)流程

VCU 控制策略開發(fā)采用主流的基于模型的軟件開發(fā)模式，遵循國際通用標(biāo)準(zhǔn)的V字型開發(fā)流程，主要包括下圖所示幾個階段:

VCU開發(fā)流程

4.1 需求分析

本階段主要內(nèi)容如下:

1)需求文檔化

分析客戶需求，研究受控對象，明確控制功能及系統(tǒng)配置，形成需求描述文檔。

2)開發(fā)流程及規(guī)范建立

開發(fā)流程及規(guī)范建立；命名規(guī)范建立；模塊測試流程/專家檢查流程建立；建模規(guī)范建立；測試規(guī)范建立。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計

主要工作內(nèi)容:

創(chuàng)建各模塊控制思想的數(shù)學(xué)化/工程化描述文檔 SDD(Software Design Document創(chuàng)建各模塊數(shù)據(jù)傳遞接口文檔 DD(Data Dictionary)

確定控制器 1O 和通訊接口

設(shè)計文檔建立標(biāo)準(zhǔn):

SDD 設(shè)計文檔圖形化、邏輯化，且易于理解

DD 文檔輸入輸出定義清楚、全面

控制器接口電路圖規(guī)范清晰

控制器外圍電氣原理參考

4.3 軟件設(shè)計

4.3.1 控制功能建模

使用模型化的編程工具 Matlab/Simulink 軟件,完成整車控制器控制功能各模塊模型搭建模型搭建主要要求如下:

軟件框架搭建合理有效

圖形化編程(Matlab/Simulink/Stateflow)

符合可測試性要求

符合建模規(guī)范要求

4.3.2 軟件檢查

為了保證軟件模型的質(zhì)量，完成模型之后完成模型的 MAAB 規(guī)范檢査和 Model DesignVerifier，同時確保模型生成代碼之后，做 Miscr C 和 PolySpace。

1、MAAB 檢查

模型搭建之后，首先進(jìn)做 MAAB 建模規(guī)范檢查，之后創(chuàng)建自定義的檢查規(guī)范

a)選擇整個模型或是其中一個子系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)范檢查。

b ) 按建模規(guī)范修改模型

2、Design Verifier 檢査

Design Verifer 使用形式化方法來識別模型中隱藏的設(shè)計錯誤。檢測模型中導(dǎo)致整數(shù)溢出.死邏輯、數(shù)組訪問越界和被零除的塊。可以形式化驗(yàn)證設(shè)計符合功能需求。對于每個設(shè)計錯誤或違反設(shè)計需求，會生成一個仿真測試用例以供調(diào)試。

MISRA C檢查

用戶可以編寫自己的規(guī)范和檢查，先建立規(guī)范，輸入規(guī)范條文，然后建立檢查框架信息最后按照提供的例子進(jìn)行 m腳本的編寫，實(shí)現(xiàn)規(guī)范的自動檢查。

a)用戶規(guī)范編寫

選擇庫瀏覽器規(guī)范，選擇新建，輸入新建規(guī)范的ID 和標(biāo)題，選擇所在的庫，然后在出現(xiàn)的對話框中填寫規(guī)范所要求的內(nèi)容，保存，即可生成新的規(guī)范。

b)用戶檢查框架信息編寫

選擇庫瀏覽器檢查，選擇新建，輸入新建檢查的ID 和標(biāo)題，選擇所在的庫，然后在出現(xiàn)的對話框中填寫檢查所要求的內(nèi)容，保存，即可生成新的檢查。

c )檢查腳本的編寫

d )在規(guī)范中引用檢查

4、PolySpace 檢查

軟件實(shí)現(xiàn)即編碼階段,在該階段軟件工程師希望隨著編碼進(jìn)程查找并修復(fù)軟件缺陷和違背編碼規(guī)范之處，Bug Finder 可以助其快速迭代分析。Bug Finder 支持了當(dāng)前主流的網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)檢查，代碼風(fēng)格和命名規(guī)范則提供了簡單易行的定制界面和方法。

4.3.3 模型測試

控制策略完成后，進(jìn)行模型在環(huán)測試(MiL)，用于在生成代碼之前保證控制邏輯的正確性與準(zhǔn)確性。根據(jù)目標(biāo)車輛特性搭建車輛模型(或在已有模型基礎(chǔ)上修改，車輛模型不作為本項(xiàng)目提交物)，并設(shè)計測試用例，對控制策略模型進(jìn)行測試，提供詳細(xì)的測試報告。

MiL 測試內(nèi)容主要包括:

1)搭建模型測試環(huán)境

2)模型測試與模型完善

3)撰寫測試報告

4.4 軟件實(shí)現(xiàn)

基于第三方的控制器硬件,通過控制器硬件識別的編譯器,將 simulink 模型軟件編譯成 C 代碼，然后把 ℃ 代碼與控制器底層軟件打包集成編譯成可執(zhí)行代碼，下載到對應(yīng)的控制器中，為后續(xù)測試環(huán)節(jié)做準(zhǔn)備。

4.5 硬件在環(huán)測試

HiL 測試內(nèi)容主要包括以下內(nèi)容:

整車控制器核心控制算法功能測試:診斷功能測試;

網(wǎng)絡(luò)通信測試:

極限工況模擬測試;

編寫 HiL 測試報告;

4.6 臺架測試

臺架測試主要針對整車控制器、與電機(jī)臺架聯(lián)合調(diào)試。是否做臺架測試，可以在項(xiàng)目實(shí)施過程中視電機(jī)臺架實(shí)際情況決定。

4.7 實(shí)車測試

硬件平臺在裝車時，需在實(shí)車上進(jìn)行整車控制器的標(biāo)定,采用基于硬件供應(yīng)商所支持協(xié)議的方式測試。標(biāo)定工作達(dá)到雙方的功能需求和性能要求為標(biāo)定結(jié)束的標(biāo)志，在此期間工程師程序調(diào)整和標(biāo)定參數(shù)調(diào)整。

4.8 高低溫測試

本項(xiàng)目在廠區(qū)基本測試和標(biāo)定之后，進(jìn)行低溫和高溫試驗(yàn)，低溫試驗(yàn)具體在環(huán)境倉中進(jìn)行或者在實(shí)地測試場進(jìn)行;根據(jù) SOP的時間，高溫測試可以考慮環(huán)境倉或反季試驗(yàn)進(jìn)行，工程師制定整車控制器高低溫測試工作。

來源：新能源汽車電控開發(fā)與測試