新能源汽车整车控制器的改进设计与应用研究.pdf

1、新能源汽车整车控制器的改进设计与应用研究摘要：邯郸市陆续完成了 1200 余台次车用能源的转换任务，在主城区内已全部实现了纯电动化运营。公交车维修团队历经三年多的运行实践，实现了同一款整车控制器硬件平台兼容 12V 和 24V 整车电气系统的重大突破。开发的新系统架构安全可靠，具有电源电压等级的智能识别和自适应能力，控制器全部端口具有防滥用智能保护功能。Abstract：Handan City has successively completed the conversion task of morethan 1，200 sub-vehicle energy sources，and has f

2、ully realized pureelectric operation in the main urban area.After more than threeyears of operation practice，the bus maintenance team has achieved amajor breakthrough in the compatibility of 12V and 24V vehicleelectrical systems in the same vehicle controller hardware platform.The new system archite

3、cture developed is safe and reliable，hasintelligent identification and self-adaptive ability of power supplyvoltage level，and all ports of the controller have anti-abuseintelligent protection function.关键词：新能源汽车;公共交通;整车控制器Key words：new energy vehicles;public transportation;vehicle controller中图分类号：U46

4、9.72文献标识码：A文章编号：1006-4311（2020）15-0132-020引言新时代，创新、协调、绿色、开放、共享“五位一体”的新发展理念已经深入人心，拥有安全舒适、低碳健康、绿色畅通的出行方式是广大人民群众的热切期盼，是全面实现小康社会的应有之义。新能源汽车在公共交通领域的普及推广，以其消除尾气、降低噪音、节能环保、高效轻便的显著特色，为新时代城市建设增加了新的亮点，同时也为公交人开启了对新能源汽车应用技术研发创新的新征程。1新能源汽车在邯郸市公交系统的应用现状邯郸位于河北省最南部，遍布太行山东麓的钢铁煤炭企业是邯郸市经济发展的支柱产业，加上地理和气象条件的原因，邯郸已经成为深受雾

5、霾之害的重污染区。2005 年后城市的汽车存量逐年激增，汽车尾气排放为大气污染加油添醋，红色预警致使人们对限号限行已经习以为常。中国石油消耗对外依存度早已超过了警戒线，追求 GDP 高速度增长使本已贫油的能源消耗雪上加霜，能源危机正在步步逼近。推行经济高质量发展的基本国策，大力推广新能源汽车是势在必行，促进汽车能源转型是公共交通及运输行业高质量发展的必由之路。邯郸市的公共交通事业起步于上世纪六十年代，半个世纪以来，燃油汽车一直是全市公共交通的一统天下。2016 年，国产新能源汽车成功实现了产业化。居于环境污染和能源短缺的双重压力之下的邯郸市，依托国家对新能源产业推广政策，陆续完成了 1200

6、余台次车用能源的转换任务，在主城区内已全部实现了纯电动化运营。焕然一新的车型为三千年古城增添了一道道靓丽风采，市民朋友再不用追逐吸吮污浊尾气，在和谐的轻音中尽享出行的愉悦。公交车维修团队历经三年多的运行实践，对新能源汽车从初步接触到逐渐了解，再到对整车技术的深入学习研究，取得了丰硕的成果。尤其是对整车控制器产品平台研发，实现了同一款整车控制器硬件平台兼容 12V 和 24V 整車电气系统的重大突破。开发的新系统架构安全可靠，具有电源电压等级的智能识别和自适应能力，控制器全部端口具有防滥用智能保护功能。整车控制器平台产品已经通过专业检测机构全面测试，并成功应用于广通牌新能源纯电动汽车的维修业务，

7、在 1200 多台车示范运营车辆中，产品运行稳定可靠。2整车控制器的功能与在新能源汽车上的作用新能源汽车是一个由若干个子系统构成的复杂系统，其动力系统主要包括电池、电机、变速箱、制动器等，还有空调、助力转向等多个附件。各子系统都要通过自己的控制单元（ECU）来实现预定的功能和目标。这就需要在有一个智能化的人车交互接口，以达到各子系统之间的彼此匹配和良好协作。整车控制器（VCU）就是用来管理汽车汽车中的各个系统的核心控制部件，它将车辆动力系统平台化，起到了“汽车大脑”的重要作用。通过这个人工“大脑”从整车的角度的“思考”，有效实现了驾驶员生理大脑的意图，有效地解决了对汽车同一平台多种配置的管理问

8、题，改善了司机驾驶操作的感受，从而满足了整车动力性和节能减排要求，展示出新能源汽车的经济性、安全性、舒适性优势。整车控制器作为汽车的指挥管理中心，连接着车辆中的驱动电机控制系统、动力电池系统、DCDC 等各系统，并掌握着这些系统的瞬时状态。其主要功能包括：驱动力矩控制、制动能量的优化控制、整车的能量管理、CAN 网络的维护和管理、故障的诊断和处理、车辆状态监视等。当整车控制器采集到驾驶员操作车辆的加速踏板信号、制动踏板信号、档位信号及其他部件信号后，迅速对驾驶意图作出识别判断，开启对下层各部件控制器的动作指令，驱动汽车维持正常行驶。因此，整车控制器对汽车的平稳起步、加速减速、制动能量回馈、网络

9、监管、整车故障诊断与处理等功能起着非常重要的关键作用。3整车控制器硬件平台兼容应用研究目前，邯郸市公交系统配备的新能源汽车多为广通牌纯电动公交车型。车辆进入的批次车型不同，每个车型平台对整车控制器的需求也有差别，车载低压电气系统电压等级也有 12V 和 24V 之分。但对其核心功能和安全可靠性要求是一致的，同时整车控制器的硬件质量优劣直接决定了车辆的稳定性和安全性。为了统一协调新能源汽车整车电器设备的集约化管理，在全面系统总结了车载电器设备的特性和对整车控制器的系统需求、电气需求、应用层软件接口需求、安装需求、诊断需求、质量要求、成本要求等的基础上，公交维修团队遵循最新道路车辆功能安全 ISO

10、26262 标准，对整车控制器产品平台进行了系统方案改进设计的研究与开发。4对整车控制器平台产品的改进设计为满足公司新能源汽车对整车控制器的应用需求，并适当考虑部分功能预留，对整车控制器进行机械结构、硬件电路、底层平台软件等进行系统性改进设计。4.1 机械结构根据硬件尺寸，选择高防护等级的接插件，外壳采用压铸铝材质，并增加一通气塞，用于平衡控制器内外部压力，增加了防尘防水能力。4.2 安全架构硬件系统采用双芯片安全架构，完全独立的双供电系统的二级电源管理、扭矩相关的关键信号双路冗余采集，主控制芯片和安全监控芯片之间采用 SPI 和CAN 冗余直接通讯。在异常情况对整车上的 BMS 电池管理系统

11、及 MCU 电机控制器采取安全控制，通过 EEPROM 存储安全故障信息。4.3 电路改造硬件电路采取模块化设计，有利于优化 PCB 布局、提高系统抗干扰能力。模块化的 VCU 硬件电路主要有：处理器模块。包括一个高性能单片机的主控芯片和一个 8 位单片机的安全监控芯片，两个处理器之间采用 SPI 通讯和内部 CAN 通讯实现可靠的信息传递以及相互监控，还有与之相匹配的时钟电路、程序刷写电路、EEPROM 等。电源模块：电源电路改进突出防反接保护、过电压保护、欠压保护、电压跌落保护功能等。将车载蓄电池供电（9-36V）的输入转换为主控芯片、安全监控芯片、逻辑电路所需的 5V 电源，转换为控制器

12、内部传感器电路和控制器外部传感器 5V 供电电源。数字输入模块：输入信号分成高有效和低有效输入两大类，同时考虑抗 ESD处理、防短路设计、滤波处理、12V 和 24V 信号等级兼容处理等。传感器输入模块：采集电路匹配传感器输入信号改进，主要考虑的是传感器输出驱动能力、抗 ESD 处理，防短路处理、滤波处理等。输出驱动模块：按照所连接的负载不同，将输出驱动分为高边和低边两大类，根据负载所需电流能力选择功率器件，同时要考虑输出短路和开路的诊断、驱动电路的过温度、过电流和过电压等保护功能。CAN 通讯模块：硬件电路提供了 2 路符合 CAN2.0B 通讯协议的通讯模块，用于与其他控制模块之间的通讯以

13、及用于程序在線更新和 CCP 标定。主要考虑CAN Hi 和 CAN Lo 端口的抗 ESD 处理、短路诊断和保护、预留休眠和唤醒功能。4.4 底层平台软件整车控制器底层平台软件是介于控制器硬件和上层应用软件之间，是二者之间的桥梁。底层平台软件支持 Simulink 和 Targetlink 两种模型平台，集成了基于 KWP2000 的诊断服务功能，实现故障事件响应，故障指示灯管理等并在此基础之上进行了 KWP2000 诊断协议栈管理，Bootloader 模块开发，诊断工具软件开发，Flash 在线软件刷写功能的开发。整车控制器底层平台软件集成了基于CCP 协议的在线标定功能，能够方便对内部

14、数百个标定量进行在线标定和标定量的更新与下载。5测试成果与结论邯郸公交公司对经过改进的整车控制器的电气功能、EMC、热冲击、耐高温、耐低温、密封性能、机械振动、机械冲击、跌落、寿命测试、耐化学药品等测试试验，产品性能符合使用环境的特殊要求，达到了同一款整车控制器硬件平台兼容 12V 和 24V 整车电气系统的目标。维修人员已系统的掌握了整车控制器等的关键电子产品的电气系统、系统架构、硬件系统、底层软件和系统测试的关键技术。所研发改进的整车控制器平台产品已成功小批量应用于新能源车上，VCU 整车控制器平台已经成功完成 1000 多套的小批量维修生产和实车示范运营应用。新能源动力汽车维修技术必将在“高技术、高情感”理念下日臻完善。参考文献：1陈素梅，等.HNSAE09060 纯电动车整车控制器设计C.河南：河南省汽车工程学会第六届科研学术研讨会论文集，2012.2葛庆光.纯电动汽车整车控制器的研究D.合肥工业大学硕士学位论文，2012，04.3王志辛.新能源汽车电子控制的关键性技术研究J.价值工程，2019，38（01）：108-110.作者简介：任亮（1982-），男，河北邯郸人，计算机网路本科毕业，现为中级电子工程师。