电动汽车用整车控制器总体设计方案目次　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)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　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。

新增及原车12V电器利用车载DC‐DC单元和12V辅助电池并联充电，同时DC‐DC 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(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 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　位置钥匙档位对应的功能总线状况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 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2BMS发出状态转换和功率、转矩需求等控制指令3 驻车、起步、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24V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；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。