基于V流程的电动汽车VCU的开发和测试

陈忠言电动汽车整车控制系统电力驱动车辆是以电力作为能源、由电动机驱动的机动车辆。在外形上,电动车与传统的汽车并无显著差异,它们的主要区别在于动力和驱动系统。如图1所示,电动车的基本结构系统[2]可分为3个子系统,即电力驱动子系统(如图2所示)、主能源子系统和辅助控制子系统。其中,电力驱动子系统由电控系统、电机、机械传动系统和驱动车轮等部分组成;主能源子系统由主电源和能量管理系统构成,能量管理系统是实现能源监控、能量再生、协调控制等功能的关键部件;而辅助控制子系统主要是为电动车提供控制电源,具有辅助电源的控制、动力转向、充电控制及空气调节等功能。整车控制系统由整车控制器、通信系统、零部件控制器以及驾驶员操纵系统构成，其主要功能是根据驾驶员的操作和当前的整车和零部件工作状况，在保证安全和动力性的前提下，选择尽可能优化的工作模式和能量分配比例，以达到最佳的燃料经济性和排放标准。（1）整车控制系统及功能分析1）控制对象：电动汽车驱动系统包括几种不同的能量好饿储能元件（燃料电池，内燃机或其他热机，动力电池和/或超级电容），在实际工作过程中包括了化学能、电能和机械能之间的转化。电动汽车动力系统能流图如下：陈忠言能量流信息流2）整车控制系统结构：电动车动力系统的部件都有自己的控制器，为分布式分层控制提供了基础。分布式分层控制可以实现控制系统的拓扑分离和功能分离。拓扑分离使得无力结构上各个子系统控制系统分部在不同的位置上，从而减少了电磁干扰，功能分离使得各个子系统部件完成相对独立的功能，从而可以减少子不见得相互影响并提高了容错能力。3）整车控制系统对车辆性能的影响主要有三个方面：①动力性和经济性②安全性③驾驶舒适性及整车的协调控制电动汽车整车控制系统如下：整车控制系统VehicleControlSystem动力蓄电池PowerBattery蓄电池控制器BatteryController轮毂电动机WheelHubMotor电动机控制器MotolComrollerDC/DC转换器DC/DCConverter燃料电池电堆FuelCellStack蓄电池控制器BatteryController动力蓄电池PowerBattery轮毂电动机WheelHubMotor电动机控制器MotolComroller燃料电池辅助系统FuelCellSupportSystem陈忠言（2）整车控制器1）整车控制器功能：整车控制器是控制系统的核心，承担了数据交换、安全管理和能量分配的任务。根据重要程度和实现次序，其功能划分如下。①数据交互管理层②安全故障管理层③驾驶员意图层④能量流管理层2）整车控制器硬件：ControlBase_VTforAT/AMT/DCT/HEV/EV实际路况整车控制器实际车辆状态操作信号调理CAN控制器CAN控制器CAN控制器CAN控制器CAN控制器低压电路及安全系统燃料电池ECUDC/DCECU蓄电池ECU电动机ECU预期车辆状态陈忠言概述ControlBase_VT是一款适合于自动变速器AT、电控机械式自动变速器AMT、双离合器自动变速器DCT、混合动力HEV、电动汽车EV等的产品控制原型，其主要功能是为控制算法提供一个快速验证的平台。规格参数单位尺寸187×175×40mm重量396g工作温度-40~+85℃工作海拔0~4000m供电电压9~32V峰值电压40Vmax符合下列标准温度试验ISO16750-4化学防护ISO16750-5盐雾试验ISO16750-4防水试验ISO20653/IEC60529IPx7振动试验ISO16750-3冲击试验ISO16750-3跌落试验ISO16750-3耐久试验85/85特性**MCU：MC9S12XEP100，主频40MHz，FLASH1MB，RAM64KB，EEPROM4KBCAN：4路，其中3路为高速CAN，1路为低速容错CANK-Line/LIN：2路模拟量输入：0-5V输入，12位精度，6路无源传感器输入，7路有源传感器输入，内部电源检测开关量输入：11路低有效5路高有效频率量输入：8路电压型磁电式信号输入：4路恒流低端开关：8路，2.4A@0.1Ohm并行控制高端开关：8路，2.9A*并行控制高端开关：2路，6.5A*继电器低端开关：8路，300mA*继电器低端开关：8路，500mA*并行控制低端开关：8路，1A*传感器供电：4路5V*给出值均为典型电流值**以上配置为基本配置，具体配置可根据需求进行调整外壳尺寸防水型121pin接插件壳体表面导电防腐处理散热效果好壳体刚性好压力平衡模块模块图陈忠言MC9S12XEP100•16Bit•1MBFLASH•64KBRAM•4KBEEPROM•40MHzCAN收发器[高速]LINK-LineCAN收发器[高速]CAN收发器[低速容错]8路恒流低端开关•2.4A@0.1Ω13路模拟量输入•0-5V输入•12位精度•6路无源传感器输入•7路有源传感器输入16路开关量输入•11路低有效•5路高有效8路频率量输入•8路电压型4路磁电式信号输入8路并行控制高端开关•2.9A16路继电器低端开关•300mA•500mA8路并行控制低端开关•1A电源管理•电源正极•电源负极•点火开关•1路5V，50mA•1路5V，105mA•2路5V，400mACAN收发器[高速]2路并行控制高端开关•6.5A环境试验试验项目试验规格高温贮存试验+85℃48小时高温运行试验+85℃96小时低温贮存试验-40℃24小时低温运行试验-40℃24小时温度冲击试验+85℃~-40℃500循环化学防护4冲程发动机油/无铅汽油24小时盐雾试验盐溶液浓度：5%，喷雾沉降率：1~2ml/(80cm2*h)。试验经历6个循环，一个循环持续时间为24小时：喷雾8小时，保持16小时。防水试验1m30分钟振动试验随机振动的频率范围为10～1000Hz，谱线的均方根值为27.8m/s2，每陈忠言轴振动时间为8h。机械冲击试验峰值为50g、持续时间为6ms的三轴六向半正弦冲击，每向10次。跌落试验1m混凝土地面或钢板温湿试验温度+85℃湿度85%RH1000h电性能试验试验项目试验内容反压试验-24V5min过压试验36V5min最小工作电压试验9V订购信息ControlBaseVTXXnXn串行通讯L：SCI0对应K-Line，SCI1对应LIN可调电压源A8V2：2路8.2V输出，±1%A9V1：2路9.1V输出，±1%A5V0：2路5V输出，±0.2%3）整车控制器的开发现在的ECU开发多采用V模式开发流程。V模型开发流程如下：陈忠言第一步，功能定义和离线仿真第二步，快速控制器原型和硬件开发第三步，目标代码生成第四步，硬件在环仿真第五步，调试和标定控制器开发采用国际流行的V流程开发模式，V流程开发模式示意图如下：基于模型功能定义仿真模型控制算法在环测试快速控制原型代码生成控制器制作硬件在环测试实车测试标定硬件-控制算法联合在环测试陈忠言控制器开发V流程V流程包含五个基本步骤：(1)图形化建模和离线仿真：在这个阶段，我们将控制器的开发需求转换为SIMULINK模型算法设计，将控制器的算法和被控对象的算法共同在MATLAB/SIMULINK环境下搭建。并利用其离线仿真功能对模型进行离线调试，初步验证控制器的功能逻辑。(2)快速控制原型：在这个阶段，我们采用快速控制原型仿真机来验证上一阶段的算法模型。将控制器部分模型生成代码，下载到仿真机。形成原型控制器的功能，可以将仿真机与真实或模拟执行机构进行连接和测试。此阶段能利用计算机辅助试验测试管理工具软件进行各种测试，以检验（Validation）控制方案对实际对象的控制效果，并在线优化控制参数。陈忠言快速控制原型示意图(3)产品级代码生成：在快速控制原型阶段，我们将控制器的算法进行了测试及验证。这时可以利用代码生成工具RTW-EC来进行针对特定控制器芯片的代码生成。将控制器算法模型直接生成C代码，集成驱动代码及其他基础软件代码后可以直接下载到真实控制器。这一阶段实现了代码的自动生成，免去了手动代码编写带来的错误，同时也极大的提高了工作效率，缩短了开发周期。(4)电机控制器硬件在回路测试：将自动生成的代码下载到控制器里，这时就有了真实的控制器。向产品级转化时，还需要做一系列的测试。在这个阶段，利用HIL（HardwareinLoop）测试系统搭建各种测试环境，对控制器进行一系列的功能测试及自动化测试等。这一阶段除了要用到仿真机外，重要的是需要较为准确的测试环境模型。如电动车整车模型、电机模型等。此阶段最重要的就是能够实现自动化测试及极限环境测试，且一个HIL平台可以满足多项测试需求，相对于实物测试，节省了成本。陈忠言HIL示意图(5)电机台架测试以及系统联调：在上一阶段的测试完成后，我们可以认为MCU功能上基本达到了要求。在这一阶段，我们将控制器放入真实的应用环境里来实际测试控制器是否满足要求。这时经常需要将模型里的各种参数按照实际控制器芯片特性进行标定，以满足实际应用需求。